后摻法溫拌環氧瀝青超薄罩面性能研究

布鵬，陳飛，王永俊，陳鈺，解斌，張林艷，楊曉偉

(1.云南大學 建筑與規劃學院，云南 昆明 650091；2.昭通昭樂高速公路投資開發有限公司，云南 昭通 657000； 3.昭通市交通建設工程質量安全監督局，云南 昭通 657000；4.武倘尋高速公路建設指揮部，云南 昆明 651500)

超薄罩面可在路面結構病害不突出、強度足夠的情況下，改善原路面路表功能性衰退或早期病害等帶來的行車安全問題；它能顯著降低路面鋪筑厚度、減少工程造價，還可提供良好的抗滑性能、封水效果及降低路面噪音[1-3]，具有廣闊的應用前景[4-5]。然而受限于超薄罩面膠結料的性能不足，需頻繁進行維修養護。為突出超薄罩面的優勢，文章基于后摻法施工工藝[6-7]，采用高性能環氧瀝青作為膠結料[8-10]，對后摻法溫拌環氧瀝青SMA-10超薄罩面開展研究，對其力學性能、水穩定性能、抗裂性能、長期抗滑性能及其層間粘結性能進行評價，旨在為環氧瀝青超薄罩面的推廣和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 集料與瀝青 超薄罩面用粗集料選擇優質耐磨光、磨耗的玄武巖，細集料為石灰巖，礦粉為石灰巖磨制，粗集料主要技術性能指標見表1;環氧瀝青由殼牌70#基質瀝青、環氧樹脂、固化劑及其他助劑調配，其中A組分(環氧樹脂E51)：B組分(基質瀝青、固化劑和助劑等)的質量比例為100∶730，其技術性質均滿足《道路與橋梁鋪裝用環氧瀝青材料通用技術條件》相關要求[11]，70#基質瀝青材料的技術指標見表2。

表1 粗集料技術指標Table 1 Technical index of 70# matrix asphalt

表2 70#基質瀝青技術指標Table 2 Technical index of 70# matrix asphalt

1.1.2 瀝青混合料 超薄罩面對耐久性能、功能性能和結構穩定性等技術要求較高，級配選擇應同時滿足穩定骨架結構及高密實性的要求；故本文選擇瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)骨架密實型級配進行設計。其合成級配曲線見圖1。環氧瀝青混合料的制備過程參照后摻法施工工藝進行[6]，具體步驟如下：在120 ℃左右先制備環氧B組分瀝青混合料，再按照計算的環氧樹脂添加量加入到環氧B組分混合料中，最后拌合均勻后形成環氧瀝青混合料。SBS改性瀝青是以70#瀝青制備的，并采用相同級配拌制SBS瀝青混合料。

圖1 瀝青混合料合成級配Fig.1 Composite grading curve of asphalt mixture

1.2 實驗方法

環氧瀝青超薄罩面的鋪裝較薄，需針對SMA-10進行超薄罩面的性能研究，性能測試主要為力學性能、水穩定性能、抗裂性能、長期抗滑性能及模擬加鋪層的層間粘結性能。力學性能、低溫抗裂性能和水穩定性能測試參照JTG E20—2011中馬歇爾穩定度實驗、彎曲實驗及凍融劈裂實驗進行。其中，馬歇爾穩定度實驗及水穩定性實驗結合超薄罩面的特點，制備環氧薄層馬歇爾試件進行，同時驗證室內環氧瀝青超薄罩面制備的可行性；抗裂性能測試采用深圳萬測萬能材料實驗機進行沖擊韌性實驗和瀝青間接拉伸開裂(IDEAL-CT)實驗[12-14]；抗滑持久性能實驗用加速加載磨光實驗儀進行動摩擦系數衰減測試[15]；層間粘結性能實驗采用量程為 100 kN的上海華龍微機伺服萬能材料實驗機，參考ASTM C882進行45°斜剪實驗[16-18]。

2 結果與討論

2.1 力學性能

超薄罩面的鋪裝厚度較薄，溫度散失較快，導致瀝青混合料壓實度存在較大的變異，影響路面質量。馬歇爾擊實法是室內設計混合料中應用最為簡易的方法，考慮降低馬歇爾試件的厚度以盡量模擬超薄罩面的實際鋪裝情況，故成型直徑為(101.6±0.2) mm，厚度從正常的(63.5±1.3) mm減薄至(30±0.6) mm的試件，以馬歇爾穩定度為評價瀝青混合料力學性能的指標，研究溫度和壓實功對其力學性能的影響；另外，空隙率是瀝青混合料的重要控制指標，故同時記錄其空隙率隨溫度和壓實功改變的影響。根據溫拌瀝青混合料的特點，溫度選擇85，100，115，130，145 ℃；壓實功選擇雙面25次，35次和50次，實驗結果見圖2。

由圖2可知，隨擊實溫度升高，環氧薄層瀝青混合料空隙率減小，馬歇爾穩定度增大。根據設計要求，骨架密實型環氧瀝青混合料超薄罩面空隙率宜為3%～4%，正常高度固化試件馬歇爾穩定度需>40 kN。由圖2a可知，環氧薄層馬歇爾動穩定度總體>30 kN，根據厚度修正為正常高度時，馬歇爾穩定度值遠>40 kN，均滿足要求。在不同擊實次數和溫度下，空隙率變化波動更大。同一擊實次數下，瀝青混合料溫度越高，黏度越低，流動性越好，越容易壓實，故空隙率減小明顯。擊實次數為50次時，空隙率總體低于3.0%，不滿足設計要求；擊實次數為35次，擊實溫度<115 ℃時，空隙率滿足設計要求；擊實次數為25次時，擊實溫度在100～140 ℃范圍內，可保證其空隙率在3%～4%，因此在減薄厚度后，雙面擊實25次是較適宜的。當擊實溫度低于100 ℃，瀝青混合料黏度增大，流動性變差，導致試件在相同壓實次數下不能達到更致密的狀態。

圖2 馬歇爾穩定度(a)和空隙率(b)變化曲線Fig.2 Variation curves of (a) Marshall stability and (b) void fraction

總體而言，溫度越低時，不同擊實次數下混合料的空隙率和馬歇爾穩定度差異越明顯。因此，當超薄罩面施工時，溫度太低會導致其體積指標和性能波動變化較大，施工風險增大，嚴格控制施工溫度是保證瀝青路面施工質量的關鍵；同時，由于溫度散失較快，宜減少壓實遍數，增大初壓時的壓實功。

2.2 水穩定性能

采取浸水馬歇爾實驗及凍融劈裂實驗，以殘留穩定度和劈裂強度比評價其抗水損害的能力，驗證環氧瀝青混合料的水穩定性，對比分析正常成型與薄層的水穩定性能驗證薄層成型的可行性，實驗結果見圖3。

由圖3可知，正常厚度成型的環氧瀝青ESMA-10混合料殘留穩定度為95.8%，劈裂強度比為90.5%，兩者均符合《公路瀝青路面施工技術規范》[19]中不小于80%的技術要求且均大于90%，具有較好的抗水損害能力。厚度減薄后成型的環氧瀝青混合料殘留穩定度為88.1%，劈裂強度比為85.6%；與正常厚度相比，環氧薄層混合料殘留穩定度下降了8%，劈裂強度比下降了5.4%，薄層環氧的水穩定性滿足規范要求。環氧薄層試件與正常高度試件相比，殘留穩定度及劈裂強度比均有所降低，原因可能是因厚度減薄，但實驗的時間仍為正常試件所需時長，實驗條件相對更為苛刻，才導致抗水損害能力有所降低；但總體而言，環氧瀝青ESMA-10混合料表現出良好的抗水損害能力，且實驗證明室內馬歇爾試件成型環氧薄層ESMA-10混合料是可行的。

圖3 環氧正常厚度與薄層試件 的殘留穩定度及劈裂強度比Fig.3 Residual stability and splitting strength ratio of epoxy asphalt mixture

2.3 抗裂性能

環氧瀝青混合料屬熱固性材料，與常規瀝青混合料有較大差異，其高溫抗車轍性能優異，但環氧超薄罩面對抗裂要求較高。為提高環氧瀝青混合料抗裂性能，選擇3種不同類的代表性纖維(木質纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維)[20]，3種環氧瀝青混合料分別記為MESMA-10、JESMA-10和XESMA-10，各纖維摻量均為0.3%，利用彎曲實驗(低溫彎曲實驗及沖擊韌性實驗)及瀝青間接拉伸開裂(IDEAL-CT)實驗，采用小梁彎曲試件和馬歇爾試件綜合評價纖維對環氧瀝青混合料抗裂性能的影響。

2.3.1 低溫彎曲實驗 在溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min下進行小梁彎曲實驗，3種纖維環氧瀝青混合料小梁試件抗彎拉強度和彎拉應變實驗結果見圖4。

由圖4可知，與木質纖維環氧瀝青混合料相比，添加聚酯纖維和玄武巖纖維均可提高小梁試件的抗彎拉強度和彎拉應變，抗彎拉應變分別提高了10.4%和16.7%。因此，在環氧瀝青混合料中添加聚酯、玄武巖這兩種增強纖維可有效提高環氧瀝青混合料的低溫性能，且玄武巖纖維表現較好。三種環氧瀝青混合料的彎拉應變均大于2 500 με，滿足常規路面的鋪裝設計要求，但因環氧瀝青混合料熱固性的特點，低溫抗開裂性能除通過纖維進行改善增強外，后續還應從環氧瀝青材料本身出發，對其進行增柔增韌研究以提高其低溫抗裂性能。

圖4 環氧瀝青混合料的低溫 抗彎拉強度和彎拉應變Fig.4 Low temperature flexural tensile strength and flexural tensile strain of epoxy asphalt mixture

2.3.2 沖擊韌性實驗 沖擊韌性實驗仍采用小梁彎曲實驗，加載速率為500 mm/min，實驗溫度設置為15 ℃，以沖擊韌性(荷載-位移曲線積分面積)為指標再次評價各纖維環氧瀝青混合料的抗沖擊荷載能力，最大荷載及沖擊韌性值實驗結果見圖5。

圖5 環氧瀝青混合料最大沖擊荷載及韌性Fig.5 Maximum impact load and toughness of epoxy asphalt mixture

由圖5可知，沖擊韌性實驗結果顯示，環氧瀝青混合料中添加玄武巖纖維、聚酯纖維，其沖擊最大荷載增大明顯，XESMA-10和JESMA-10較MESMA-10分別增加了27.1%，14.4%。實驗過程中發現，MESMA-10小梁試件在受荷載后，試件斷裂為兩部分并從支座上掉落，而其余兩種環氧瀝青混合料試件斷裂后仍保持為整體，從宏觀上可看出添加增強纖維后對混合料的抗裂性有較大影響。木質纖維加入到SMA混合料中，主要起吸油穩定的作用，但環氧瀝青屬熱固性材料，油量增大不會出現路面因高溫而泛油，因此木質纖維的添加作用不明顯。添加聚酯纖維和玄武巖纖維可明顯提高環氧瀝青混合料的柔性，其沖擊韌性值較木質纖維分別提高了40%和93.9%，因此增強纖維的使用可顯著提高環氧瀝青混合料的抗沖擊性能，其中玄武巖纖維表現最優。

2.3.3 IDEAL-CT實驗 瀝青間接拉伸開裂(IDEAL-CT)實驗試件制作簡單、數據變異性小、敏感性高及與現場相關性好[16]，因此再選擇該實驗對3種纖維環氧瀝青混合料進行抗裂性能評價。IDEAL-CT實驗以抗裂指數(CTindex)為評價混合料抗開裂能力的指標，其定義如下[21]：

其中，t為試件厚度，mm；Gf為斷裂能，J/m2；|m75|為荷載-位移曲線75%峰值力處斜率,kN/mm；I75為75%峰值力處位移， mm；D為試件的直徑， mm。

結合室內環氧瀝青超薄罩面的力學性能以及水穩性能評價結果，為進一步驗證環氧薄層試件的抗裂性能，該實驗選擇正常高度試件與環氧薄層試件進行對比，正常高度試件與環氧薄層試件直徑均為(101.6±0.2) mm，其中正常試件厚度為(50±0.5) mm， 薄層試件厚度為(30±0.6) mm，實驗溫度為25 ℃，實驗結果見圖6。

圖6 不同厚度及不同纖維的 環氧瀝青混合料抗裂測試結果Fig.6 Results of crack resistance index of epoxy asphalt mixture with different thickness and fiber

由圖6可知，環氧薄層和正常試件的抗裂指數變化規律一致，環氧薄層試件也可用以評價環氧瀝青混合料抗裂性能，并結合2.1和2.2節環氧薄層力學性能及水穩定性能的驗證結果可知，室內減薄厚度成型環氧瀝青混合料是可行的。總體而言，環氧薄層中抗裂指數的數據浮動相對正常試件較大，這是由于環氧薄層未進行切割上下表面，未消除表面構造等對其抗裂的影響，加之厚度減薄，變異相對較大，但總體規律相同。

抗裂指數整體表現為玄武巖纖維最優、聚酯纖維次之、木質纖維最差，因此玄武巖纖維的加入可顯著提高混合料的抗開裂及裂縫延展能力。

2.4 長期抗滑性能

長期抗滑性能是課題組基于瀝青混合料摩擦特性測試儀進行室內加速磨光實驗測得，測試儀采用橡膠塊接觸試件，加載一定的壓力進行來回摩擦以模擬汽車輪胎對路面的加速磨光，實驗時自動記錄動態摩擦系數，并以摩擦系數變化規律評價混合料長期抗滑性能[15]。試件為車轍試件切割為300 mm×150 mm×50 mm，在浸水條件和室溫下，對SBS改性瀝青與環氧瀝青試件施加荷重150 kg進行長期抗滑性能對比，實驗結果見圖7。

圖7 瀝青混合料抗滑性能變化規律Fig.7 Variation rule of anti-skid performance of asphalt mixture

由圖7可知，SBS改性、環氧SMA瀝青混合料的抗滑性能衰減均經歷了快速下降階段、穩定下降階段、穩定階段這三個階段。其中，SBS 改性瀝青的動態摩擦系數初始值小于環氧瀝青，可能是由于環氧瀝青是一種化學改性材料，混合料固化成型后較硬，石料在荷載作用下不易發生移位，因此混合料表面紋理不容易發生變化，動摩擦系數較高。在1 h內，兩種混合料的動態摩擦系數均快速下降，此階段試件表面瀝青膜被快速磨掉，但SBS 改性瀝青的動態摩擦系數衰減值小于環氧瀝青，原因是SBS表面瀝青膜在1 h內就幾乎被磨完，此時的動態摩擦系數是部分瀝青膜加集料表面與橡膠塊接觸共同產生的，而環氧瀝青在1 h后瀝青膜仍存在，故動摩擦系數值更小。SBS和環氧瀝青混合料在1～11 h階段是集料本身的動摩擦系數逐漸減小至磨光狀態，后隨磨光時間增長，動摩擦系數值分別保持在0.31和0.39，環氧瀝青混合料的動摩擦系數遠優于SBS瀝青混合料。且后期實驗中發現，SBS瀝青混合料由于磨光時間長，接觸面溫度升高，導致在25 h左右開始出現集料間因黏結力不足導致的掉渣、掉粒現象，而環氧在經歷60 h以上動摩擦系數仍保持穩定，表面無任何的掉粒等情況，其原因是環氧瀝青具有較高的強度和黏結性能，且不隨溫度升高而降低。分析結果表明，環氧瀝青混合料長期抗滑性表現優異，整體強度穩定。

2.5 層間粘結性能

超薄罩面鋪裝中層間的粘結性能會顯著影響路面結構整體的使用壽命，層間粘層材料選擇尤為重要。選擇層間無粘結材料、基質瀝青粘層、SBS瀝青粘層和環氧瀝青粘層，對比分析各粘層狀況的抗剪性能。為模擬加鋪環氧超薄罩面，在5 cm厚SBS改性瀝青混合料車轍試件上加鋪2 cm環氧瀝青混合料制備得到復合試件，在環境溫度為25，40，60 ℃條件下進行45°斜剪實驗，實驗結果見圖8。

圖8 不同粘層材料的抗剪強度Fig.8 Shear strength of different adhesive layer materials

由圖8可知，同種粘層狀況下，隨溫度升高，層間抗剪強度減小；25 ℃環境溫度下的層間抗剪強度明顯大于40 ℃與60 ℃環境溫度下的剪切強度，且25 ℃與40 ℃間的抗剪強度變化差大于40 ℃與60 ℃ 的變化差，說明溫度顯著影響層間的粘結性能。環境溫度25 ℃條件下，抗剪強度大小表現為：環氧粘層>SBS粘層>基質瀝青粘層>無粘層；40 ℃ 及60 ℃環境條件下抗剪強度大小表現為：環氧粘層>SBS粘層>無粘層>基質瀝青粘層，以上表明環氧粘層在3種溫度條件下層間粘結性能表現均更為優異。中高溫條件下出現無粘層抗剪強度大于基質瀝青粘層的情況，究其原因是因復合試件制備時經歷了120 ℃高溫養生，即便不灑粘層材料，基層SBS改性瀝青軟化與加鋪層也形成了二次粘結，隨實驗溫度升高，原基質瀝青粘層內部較接近軟化點溫度，層間粘結力降低；另外，溫度升高后原基質瀝青粘層在層間結合處反而起到“界面潤滑”作用，故抗剪強度表現較無粘層小。總的來說，環氧瀝青表現出更加優異的粘結性能，高溫地區宜合理減少粘層材料的灑布量以充分利用材料的粘結性能。

3 結論

(1)環氧瀝青超薄罩面具有穩定的力學性能和使用性能，成型超薄罩面可顯著提高設計效率；因鋪裝厚度薄，應嚴格控制施工溫度，同時施工時為避免溫度降低太快而增加施工質量風險，建議增大初壓的壓實功，減少壓實遍數。

(2)3種纖維環氧瀝青混合料經低溫彎曲實驗、沖擊韌性實驗及IDEAL-CT實驗研究表明，環氧瀝青超薄罩面中添加聚酯纖維和玄武巖纖維可顯著提高其抗裂性能；其中，玄武巖纖維表現更優，其抗彎拉應變、沖擊韌性和抗裂指數分別提高了16.7%，93.9%和130.4%。

(3)環氧瀝青混合料長期抗滑性表現較SBS改性瀝青優異，整體強度穩定，可顯著改善瀝青路面功能性的快速衰退；同時，環氧瀝青作為粘結料使用，黏結性能仍較基質瀝青及SBS瀝青更優。