環氧瀝青混凝土鋪裝材料低溫斷裂性能研究

柳仁軍 徐飛 湯瑛

長期以來,國內外研究學者針對環氧瀝青混凝土的使用性能進行了很多研究:在強度性能方面,東南大學橋面鋪裝課題組采用自制大噸位馬歇爾穩定儀測出環氧瀝青混凝土固化后的穩定度大于50 kN[1],遠遠高出常用鋪面瀝青混合料穩定度(10 kN～15 kN);在高溫穩定性方面,錢振東、羅桑在武漢陽邏長江公路大橋鋪裝技術項目研究中,進行了80℃高溫條件下的車轍試驗,環氧瀝青混凝土動穩定度可達到20 138次/mm[2],這是普通路用瀝青混凝土(＜6 000次/mm)遠不可能達到的。疲勞性能方面,東南大學橋面鋪裝課題組采用自制復合結構疲勞試驗模型測出環氧瀝青混凝土在5 kN(等效于實際鋼橋梁鋪裝中的汽超—20)荷載下經過1 200萬次未見疲勞裂紋出現[1,2]。綜上所述,針對環氧瀝青混凝土材料性能的研究,多集中于強度性能、高溫穩定性以及抗疲勞性能方面,而對環氧瀝青混凝土低溫性能研究卻鮮見報道。因此,本文采用SHRP研究計劃中提出的低溫劈裂試驗、小梁三點彎曲試驗、低溫斷裂試驗對環氧瀝青混凝土的低溫抗裂性能進行了全面評價[3-5],為環氧瀝青混凝土鋪裝低溫使用設計提供依據。

1 材料性能

1.1 環氧瀝青結合料

環氧瀝青結合料是由環氧樹脂與摻配固化劑的石油瀝青在特定溫度下按一定配合比混合后形成的熱固性瀝青結合料,其性能技術參數如表1所示。

表1 環氧瀝青結合料性能技術參數

表2 環氧瀝青混凝土級配

1.2 集料及級配

試驗所用集料選用優質耐磨的玄武巖(6檔集料)以及優質石灰巖礦物填料,如表2所示。

1.3 最佳油石比

采用馬歇爾試驗對121℃固化4 h后的標準馬歇爾試件進行試驗后,得出環氧瀝青混凝土最佳油石比為6.5%。

2 低溫性能試驗研究

2.1 劈裂試驗

試驗按照JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程中“瀝青混合料劈裂試驗”(T 0716-1993)試驗方法進行。其結果如表3所示。

表3 不同低溫條件下環氧瀝青混凝土劈裂試驗結果

從表3數據結果來看,環氧瀝青混凝土在低溫條件下具有很高的劈裂強度和劈裂抗拉模量,且數值隨著溫度下降而增大,而最大荷載時水平變形幾乎保持不變,表明環氧瀝青混凝土在低溫下有很好的間接抗拉強度性能和穩定變形能力。

2.2 小梁三點彎曲試驗

試驗按照JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程執行。不同溫度條件下的彎曲試驗荷載—位移曲線如圖1所示。

由圖1可以看出,環氧瀝青混合料在低溫條件下荷載—位移曲線近似于線性分布,表明環氧瀝青混合料在低溫條件下接近于彈性材料,因此,在低溫季節環氧瀝青混凝土鋪裝時會發生脆性破壞現象。

對試驗機采集的荷載、位移數據進行處理分析,并用Matlab求解小梁斷裂時實際應力、應變關系曲線下的面積作為彎曲應變能密度臨界值,不同溫度條件下小梁彎曲試驗結果如表4所示。

表4 不同試驗溫度條件下環氧瀝青混合料小梁彎曲試驗結果

2.3 斷裂性能試驗

為研究環氧瀝青混凝土的低溫斷裂特性,采用切口三點彎曲梁法測定低溫下瀝青混凝土的斷裂性能參數,試驗裝置示意圖見圖2。試驗過程中利用攝像機同步實時錄像記錄預制切口裂縫的擴展過程。根據MTS機所記錄的加載力臨界荷載值和攝像機影像測出的裂縫長度,按照式(1)得出環氧瀝青混凝土斷裂強度因子:

其中,PC為臨界荷載;B為試件寬度;W為試件高度;a為初始裂縫深度;S為彎曲梁支點之間的距離,標準規定 S=4W;為系數,按照式(2)計算:

環氧瀝青混凝土的斷裂性能試驗結果如表5所示。

表5 低溫下環氧瀝青混凝土斷裂性能試驗結果

從表5試驗結果可以看出,在低溫條件下,環氧瀝青混凝土斷裂韌性隨著溫度降低而變大,且相同試驗溫度情況下,環氧瀝青混凝土的抗斷裂性能要優于其他瀝青混凝土。

3 結語

1)通過對環氧瀝青混凝土進行全面的低溫性能試驗評價,研究表明環氧瀝青混凝土在低溫條件下具有很高的抗拉和抗彎拉強度、優良的抗斷裂能力、穩定的變形能力以及良好的追從性能,完全滿足國內大部分鋼箱梁橋面鋪裝的低溫設計要求。

2)小梁三點彎曲試驗表明,低溫下環氧瀝青混凝土會出現脆性開裂破壞現象,因此在冬季低溫季節,應該對鋼箱梁環氧瀝青混凝土鋪裝層進行及時的跟蹤養護。

[1] 東南大學.南京長江第二大橋鋼橋面環氧瀝青混凝土鋪裝技術及應用[R].南京:東南大學,2000.

[2] 武漢繞城公路建設指揮部,東南大學橋面鋪裝課題組.武漢陽邏長江公路大橋鋼橋面鋪裝技術研究報告[R].南京:東南大學,2007:3.

[3] Ted S.Vinson,Vincent C.Janoo and Ralph C.G.Haas.Low temperature and thermal fatigue cracking[R].SR-OSU-A-003A-89-1,1989:6.

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