環氧瀝青混凝土橋面薄層鋪裝性能研究

楊 平 孔冬雷

(1.安徽省銅陵市公路管理局，安徽銅陵 244000;2.東南大學智能運輸系統研究中心，江蘇南京 210096)

近年來，隨著交通量和軸載的增大，橋面鋪裝層的破壞日趨嚴重，影響正常行車，其主要原因是混合料均用熱塑性材料作為結合料，在高溫、重載條件下，粘結強度不能滿足路面使用要求。環氧瀝青是將環氧樹脂加入瀝青中，經與固化劑反應，形成不可逆的固化物，固化后可以形成不可逆、不熔化的空間三維網絡體系，從根本上改變了瀝青的熱塑性質，賦予瀝青全新的優良物理力學性質，該材料低溫下表現出優異的柔韌性，高溫下呈現獨特的熱固性。環氧瀝青混凝土薄層鋪裝有很多優勢:綠色環保、熱固性、半剛性、長壽命和薄層，是當前非常重要的一種橋面鋪裝材料，具有很強的優勢。所以，環氧瀝青混凝土橋面薄層鋪裝性能研究有著重要的意義。

1 環氧瀝青的固化反應

環氧瀝青是一種熱固性材料，其中，A組分是一種環氧樹脂，B組分是順酐改性的瀝青類物質加上酸酐型高溫類的固化劑。瀝青順酐化后，瀝青分子上引入具有與環氧樹脂能夠進行交聯反應的功能基團，保證瀝青能夠參與和環氧樹脂的固化反應，形成三維立體互穿網絡結構聚合物。此外，酸酐型固化劑與環氧樹脂之間也能發生化學反應形成空間交聯網絡，因此可以從根本上改變普通瀝青的熱塑性，同時顯著提高了材料的粘附力、拉伸強度、斷裂延伸率和低溫性能。而常用于瀝青改性的SBS材料為線性大分子結構，兩者之間存在顯著性差異。

2 材料與試驗方法

2.1 材料

2.1.1 瀝青

環氧瀝青為兩組分，其中A組分為環氧樹脂，B組分為基質瀝青，其性能指標見表1。選擇SBS改性瀝青材料性能指標見表2。

表1 環氧瀝青性能指標

2.1.2 集料

集料中10 mm～16 mm(1號料)、4.75 mm～10 mm(2號料)、2.36 mm ～4.75 mm(3 號料)為玄武巖，2.36 mm(4 號料)以下為石灰巖。礦粉為石英巖礦粉。試驗中玄武巖粗集料基本性質見表3，礦粉的基本性質如表4所示。

表2 SBS改性瀝青的技術要求

表3 玄武巖粗集料基本性質

表4 礦粉的基本性質

2.1.3 級配

瀝青混凝土鋪裝層所用礦料級配是在傳統規范級配的基礎上，借鑒SMA和Superpave混合料設計的優點，并結合所用集料基本性質，橋面鋪裝不同層位的功能要求以及整個鋪裝層的防水效能，增加了礦料間的骨架性和密實性而設計。其目的是獲得最適當的瀝青用量而且具有較大的強度和密實性，來改善鋪裝層的荷載應力，并具有良好的耐久性和施工性能，方便鋪筑。礦料級配既滿足了交通部瀝青路面施工技術規范所要求的級配范圍，又滿足了Superpave設計方法級配控制點、限制區等要求。

2.2 試驗

將加熱的環氧瀝青與經烘箱預熱的集料加入拌和機在120℃下拌合50 s，拌合后的混合料放入模具中正反擊實75次，成型環氧瀝青馬歇爾試件EC-13;AC-13同樣在120℃下成型馬歇爾試件;而SMA-13在175℃下成型，且在拌合期間加入了3‰的纖維。對以上成型的馬歇爾試件分別按照JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程，進行馬歇爾穩定度試驗(T 0709-2000)，分別在15℃和25℃進行瀝青混合料劈裂試驗(T 0716-1993)。

車轍板試件成型采用輪碾成型，車轍板長300 mm，寬300 mm，厚50 mm，在60℃中養生4 h，按照JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程，模擬10 t的車輛分別對SMA-13，AC-13，EC-13環氧瀝青混合料進行1 h的車轍試驗(T 0719-1993)。將輪碾成型的板塊狀試件(環氧瀝青混合料的車轍板試件需要在120℃條件下固化4 h)切割制作棱柱體試件，尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。試驗溫度15℃和－10℃，加載速率50 mm/min，做小梁彎曲試驗(T 0715-1993)。

3 結果與分析

3.1 最佳油石比

本研究選用5種油石比進行馬歇爾試驗，從而確定三種瀝青混凝土各自的最佳油石比。通過馬歇爾測定的穩定度與流值，計算孔隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)。實驗結果如表5所示。

表5 混合料馬歇爾試驗結果

由表5數據可以繪制相對毛體積密度、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率及穩定度與油石比關系曲線圖，確定瀝青用量初始值1(OAC1)、確定瀝青用量初始值2(OAC2)、綜合確定最佳瀝青用量OAC。經過計算發現，AC-13改性瀝青混合料的最佳油石比確定為4.3%，SMA-13瀝青瑪脂混合料的最佳瀝青用量為6.2%，EC-13環氧瀝青混合料的最佳油石比確定為6.2%。

3.2 水穩定性

分別將AC-13，SMA-13，EC-13三種混合料浸泡水中30 min，48 h，96 h，進行浸水馬歇爾試驗，從而計算殘留穩定度。計算結果見表6。

表6 鋪裝層水穩性試驗結果

3.3 車轍

車轍試驗能較好地反映車轍的形成過程，得到世界各國的廣泛認可與采用，本研究采用在60℃下車轍試驗來評價三種混合料的高溫抗車轍能力。結果如表7所示。

從表7結果可以看出，SMA-13和AC-13具有相同數量級的動穩定，其中SMA的數值略高于AC，但是環氧瀝青混合料EC-13的動穩定是SMA-13和AC-13的近10倍，說明環氧瀝青混合料具有較SMA-13和AC-13更高抗車轍能力。

表7 60℃車轍試驗結果

3.4 劈裂

在15℃和25℃下，劈裂試驗的強度、拉伸應變見表8。

表8 劈裂試驗結果

由表8可知，無論是15℃和25℃，環氧瀝青混合料EC-13均具有較SMA-13和AC-13高的劈裂強度，其數值為后者的近兩倍，同時具有與SMA-13和AC-13相近的破壞應變。

當溫度從15℃升高至25℃時，則AC-13改性瀝青混合料的劈裂強度降低約23.9%，SMA-13瀝青瑪脂混合料的劈裂強度降低約23.4%，EC-13環氧瀝青混合料的劈裂強度降低約8.4%。顯然，環氧瀝青強度較高且受溫度影響很小。

3.5 彎曲

用低溫彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫性能，試驗溫度15℃和－10℃進行試驗，實驗結果如表9所示。

表9 彎曲試驗結果

由表9可知，15℃條件下，EC-13環氧瀝青混合料的抗彎拉強度大于SMA-13和AC-13，數值約為后二者5倍，而應變約為后二者20%;－10℃條件下，環氧瀝青混合料的抗彎強度仍較SMA-13和AC-13高，是SMA-13的1.4倍，是AC-13的2倍，三者破壞應變大致相同。

溫度從15℃降低－10℃時，SMA-13瀝青混合料與AC-13瀝青混合料的抗拉強度均明顯增大，SMA-13瀝青混合料增加了3倍，AC-13瀝青混合料增加2倍;彎拉應變方面，SMA-13瀝青混合料降低了約84.9%，AC-13瀝青混合料降低約79.3%;環氧瀝青混合料的抗彎拉強度與彎拉應變變化較小。因此，環氧瀝青強度受低溫影響很小。

4 結語

環氧瀝青是熱固性材料，固化后環氧瀝青與集料之間的粘結強度比熱塑性材料的粘結強度大，在集中力作用下，不易開裂和剝落，破壞路面;在高溫條件下，環氧瀝青與普通熱塑性瀝青不同，不易變軟，更因為選用集料級配較密，壓實度很高，抗車轍能力大大提高，車轍深度降低顯著;在低溫條件下，環氧瀝青同樣受溫度影響很小，不會致使瀝青混合料的勁度模量迅速上升，變硬，變脆，有效防止了低溫開裂;環氧瀝青良好的防水性能和高粘結力更是解決了水損害這一嚴重病害，延長了道路使用壽命，具有良好的路用性能。因此，環氧瀝青經固化后特有的熱固性使環氧瀝青混合料強度很高，且強度受溫度影響很小，滿足了日益增長交通量對橋面鋪裝層強度的要求，是一種良好的橋面薄層鋪裝材料。

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