橋面鋪裝環氧瀝青混合料路用性能試驗研究

徐佳歡

(大連理工大學 土木建筑設計研究院有限公司， 遼寧 大連 116024)

橋面鋪裝材料特性對梁體結構、行車安全、服役壽命均有直接影響，要求其具備較好的抗變形能力，能適應高溫車轍和雨水滲透問題，同時具備較好的抗開裂能力。這就要求鋪裝層材料具備較好的黏結特性，能抵抗外部荷載的沖擊作用。目前應用于橋面鋪裝的瀝青砼材料良莠不齊，根據實際橋梁交通狀況和服役環境不同，鋪裝層的結構和材料也會存在較大差異。王偉認為鋪裝層材料的水損傷對其性能的劣化影響較大，并采用改性乳化瀝青對其防水黏結層進行了性能研究；張純采用澆筑式瀝青砼對鋪裝層材料的抗老化性能和疲勞性能進行研究，并從粉膠比改良設計方面優化了橋面鋪裝施工工藝；王民等依托港珠澳大橋，設計澆筑式瀝青混合料+改性瀝青SMA-13橋面鋪裝結構，取得了較好的應用效果；張可強等結合國內橋面鋪裝實際需求，提出PGA+AC鋼橋面鋪裝結構，并對其路用性能和造價進行了綜合分析；劉攀等對5種鋼橋面鋪裝材料進行對比研究，認為高韌性環氧瀝青混合料性能較優異；劉海城等依托橋面養護工程項目，對高模量環氧瀝青混合料進行研究，認為該材料能增強與鋼板間的黏結強度，具有較好的抗疲勞性能。上述研究表明，黏聚特性是橋面鋪裝材料的關鍵影響因素，既影響攤鋪砼材料間的密實性和嵌擠作用，又影響與鋼橋梁上下結構層的黏結強度，高強、高韌、高黏是鋪裝材料需具備的基本特性。該文以環氧瀝青混合料為基礎進行橋面鋪裝材料性能試驗，并與普通改性瀝青混合料進行性能對比，分析其在不同服役環境下的性能變化。

1 原材料與試驗方案

1.1 瀝青

分別選用環氧瀝青和SBS改性瀝青制備瀝青混合料并進行性能對比分析。環氧瀝青是一種復合改性瀝青，一般采用環氧樹脂和固化穩定劑按比例與基質瀝青拌和而成。SBS改性瀝青是SBS與基質瀝青均勻拌和的產物。采用江蘇句容產HLJ型環氧瀝青、河南南陽產普通SBS改性瀝青，2種瀝青的技術性能見表1。

表1 2種瀝青的技術性能

1.2 集料

粗、細集料均采用玄武巖，其棱角性較好，技術指標見表2。

表2 粗、細集料的技術指標

1.3 礦粉

采用石灰巖礦粉作為填料，穩定砼的內部結構，其技術指標見表3。

表3 礦粉的技術指標

1.4 試驗方案

采用AC-13級配分別制備環氧瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，級配曲線見圖1。

圖1 AC-13的目標級配曲線

通過對環氧瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料勁度模量、高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性及抗疲勞性能的研究，探究2種瀝青混合料的性能差異。相關試驗項目及試驗參數見表4。

表4 混合料性能試驗方案

瀝青混合料的油石比及馬歇爾技術指標見表5。由表5可知：環氧瀝青混合料的油石比高于普通SBS改性瀝青混合料。環氧瀝青的黏度較高，與集料間的機械握裹力較大；環氧瀝青的流動性較差，混合料拌和過程中需更多的瀝青來實現內部結構穩定，待溫度下降到常溫后，混合料的整體強度大幅提升。

表5 瀝青混合料馬歇爾技術指標

2 橋面鋪裝材料性能試驗研究

2.1 勁度模量

勁度模量是標準混合料力學性能的關鍵指標。2種瀝青混合料的勁度模量試驗結果見圖2。

圖2 2種瀝青混合料的勁度模量試驗結果

由圖2可知：環氧瀝青混合料的勁度模量高于SBS改性瀝青混合料，20 ℃常溫環境下前者的勁度模量約為后者的1.9倍，30 ℃時前者的勁度模量約為后者的3倍，說明環氧瀝青混合料的整體剛度優于SBS改性瀝青。從勁度模量隨溫度的變化來看，環氧瀝青混合料的溫度敏感性小于SBS改性瀝青。其主要原因是環氧瀝青中的環氧樹脂具有一定的彈塑性變形能力，在固化劑作用下，材料的強度和硬度均得到提高。

2.2 高溫穩定性

分別采用2種瀝青混合料成型標準車轍板試件進行60、70 ℃溫度下車轍試驗，試驗結果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：環氧瀝青混合料在2種溫度下的動穩定度顯著高于SBS改性瀝青混合料，60 ℃環境下，前者的動穩定度達到34524 次/mm，而后者的動穩定度僅為其1/10左右；70 ℃條件下，環氧瀝青和SBS改性瀝青混合料的動穩定度相較于60℃時動穩定度分別降低約17.01%、30.25%。同等條件下，兩類瀝青混合料60 ℃車轍深度分別增長75.00%和101.77%，表明溫度變化對混合料車轍深度的影響更顯著，且溫度變化對SBS改性瀝青混合料高溫性能的影響更大。主要原因是環氧瀝青中的固化劑增強了混合料的整體強度，在高溫環境下，環氧瀝青逐漸軟化，但其樹脂成分和固化劑的軟化點較高，即使溫度達到70 ℃，對其影響仍不明顯。

圖3 2種瀝青混合料的動穩定度試驗結果

圖4 2種瀝青混合料的60 min車轍深度試驗結果

2.3 水穩定性

對2種瀝青混合料進行水穩定性試驗，試驗結果見圖5、圖6。

圖5 2種瀝青混合料的殘留穩定度試驗結果

圖6 2種瀝青混合料的凍融劈裂強度比試驗結果

橋面鋪裝材料靠近水源，空氣中水分子含量較高，會對其產生長期劣化侵蝕。因此，需格外關注橋面鋪裝材料的水穩定性。由圖5、圖6可知：環氧瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的殘留穩定度分別為96.5%、88.6%，凍融劈裂強度比分別為92.5%、86.6%，環氧瀝青混合料的水穩定性明顯優于SBS改性瀝青混合料。環氧瀝青中的樹脂成分極大增強了瀝青的黏聚性，固化劑也在一定程度上促進了材料結構的穩定性。加上環氧瀝青混合料的空隙率較小，在浸水和凍融環境下，水分子沿結構空隙進入混合料內部的概率較小，對其內部結構的損傷風險大大降低。

2.4 低溫抗裂性

對2種瀝青混合料進行低溫小梁開裂試驗，試驗結果見圖7。

圖7 2種瀝青混合料的低溫小梁開裂試驗結果

對小梁開裂試驗過程中對應的破壞應變進行統計分析，破壞應變越大，表明混合料在低溫環境下開裂的風險越小。由圖7可知：環氧瀝青混合料的破壞應變整體大于SBS改性瀝青，0和-10 ℃時前者的破壞應變約為后者的1.4倍，-15 ℃時約為后者的2倍，服役環境溫度越低，2種瀝青混合料在低溫抗裂性能方面的差異越大。橋面鋪裝層在冬季環境下平均溫度低于-10 ℃，橋面材料變得更脆硬，這就要求鋪裝層材料具備較好的延展性和韌性。環氧瀝青混合料中含有樹脂成分，本身具備一定的彈性變形能力，在低溫環境下，環氧樹脂充分發揮其韌性特點，能抵抗外部荷載對其的開裂影響。

2.5 抗疲勞性能

采用450、650、850 με應變σ控制水平進行疲勞加載，試驗結果見表6、圖7。

由表6、圖8可知：環氧瀝青混合料的疲勞壽命遠高于SBS改性瀝青，450、650、850 με應變控制水平下，前者的疲勞壽命分別是后者的30.4、27.3和22.3倍。從圖8來看，2種瀝青混合料的衰變規律較接近。表明環氧瀝青的加入能顯著提升混合料的抗疲勞性能，且在長期道路服役過程中，其劣化速率沒有發生明顯提升。環氧瀝青混合料的勁度模量較大，具備較好的彈韌性和抗變形能力，能緩解路面的開裂損傷和疲勞損傷，延長路面服役壽命。

表6 2種瀝青混合料的疲勞壽命

圖8 2種瀝青混合料的疲勞壽命衰變曲線

3 結論

以橋面鋪裝材料為研究對象，采用環氧瀝青和SBS改性瀝青分別制備瀝青混合料并進行相關性能試驗分析，得到如下結論：

(1) 常溫環境下，環氧瀝青混合料的勁度模量約為SBS改性瀝青的1.9倍，且其受溫度變化所產生的性能劣化影響程度小于后者。

(2) 在60和70 ℃條件下，環氧瀝青混合料的高溫穩定性對溫度的敏感性小于SBS改性瀝青。

(3) 在水穩定性方面，2種瀝青混合料均能達到使用標準，但環氧瀝青的黏度更高，混合料的黏聚性和整體穩定性更優。

(4) 在抵抗低溫開裂性能方面，環氧瀝青混合料的性能更顯著；在低應變控制水平下，環氧瀝青混合料的疲勞壽命約為SBS改性瀝青的30倍，具備較好的抗疲勞性能和耐久性能。