鋼橋面鋪裝環氧瀝青混凝土性能試驗分析

■陳春日

（福建省交通建設試驗檢測中心有限公司，福州 350007）

1 某公路橋概況

某公路橋全長540 m，其中主橋為380 m，采用主跨為180 m 的連續鋼箱梁橋結構，道路等級為一級公路（兼城市道路功能），設計車速為80 km/h。鋼橋面“雙層EA”鋪裝結構層設計如圖1 所示。

圖1 “雙層EA”鋪裝體系示意圖

2 3 類環氧瀝青性能對比

環氧瀝青是在瀝青中摻入一定比例的環氧樹脂、固化劑后在加熱條件下發生復雜物理化學反應而得到的，這種材料在強度性能、高溫穩定性、變形與低溫抗裂能力上都有顯著的優勢。 對環氧瀝青進行混合料優化設計是使鋼橋面鋪裝結構充分發揮其材料性能的重要保證。 選用熱拌環氧瀝青、溫拌環氧瀝青和冷拌環氧瀝青3 類環氧瀝青，分別對其結合料和粘結料的基本性能進行比選，以更加深入了解3 類環氧瀝青材料在公路橋鋼橋面鋪裝上的適用性。 3 類環氧瀝青性能對比如表1 所示。

由表1 可見，3 類環氧瀝青結合料的拉伸強度與斷裂延伸率均滿足技術要求，其中冷拌環氧瀝青結合料的拉伸強度比熱拌和溫拌環氧瀝青結合料高，但冷拌環氧瀝青結合料的斷裂延伸率相對較差，此外，在粘度增至1000 MPa·s 耗時方面，熱拌環氧瀝青結合料時間最長，說明熱拌環氧瀝青具有最長的施工可操作性時間，施工和易性相對較好。3 類環氧瀝青粘結料的拉伸強度均滿足技術要求，其中冷拌環氧瀝青粘結料的拉伸強度遠遠大于技術要求，過大的強度導致其韌性相對較差， 斷裂延伸率較低。 在粘結強度和剪切強度方面，冷拌環氧瀝青粘結料最佳，其次為熱拌環氧瀝青粘結料。

表1 3 類環氧瀝青性能對比

3 級配與油石比設計

級配對瀝青混合料的性能非常重要，它決定了礦料骨架空隙率，同時對瀝青用量、內摩擦角等參數會產生較大影響，通常環氧瀝青混凝土橋面鋪裝采用懸浮密實型級配。 南京長江第二大橋等大跨徑鋼橋的實踐表明，采用該類級配的環氧瀝青混合料具有良好的抗疲勞與抗滑能力，且混合料易于攤鋪壓實。 根據已有研究成果，確定13.2 mm 為最大集料尺寸。 通過混合料馬歇爾試驗確定某公路橋的具體級配如表2 和圖2 所示。

圖2 環氧瀝青混合料設計礦料級配圖

表2 混合料礦料配合比設計結果

為確定3 類環氧瀝青結合料的最佳油石比，采用設計的礦料級配，通過馬歇爾試驗，確定混合料中瀝青最佳用量。 按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的試驗方法制作試件并檢測馬歇爾指標，確定出3 種結合料的最佳油石比，熱拌、溫拌和冷拌環氧瀝青混合料的最佳油石比分別為6.5%、6.5%和8.5%。

4 混合料性能對比

4.1 強度

本文按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的試驗方法在25℃、0℃和－20℃條件下成型馬歇爾試件進行劈裂試驗，試驗結果如表3 所示。

表3 25℃、0℃和－20℃下3 類環氧瀝青混合料劈裂試驗結果

從表3 中試驗數據可知，3 類環氧瀝青混合料在具有高強度的同時也具有較好的變形能力，均具有較優越的強度性能，能有效抵抗常、低溫情況下的開裂現象；在－15℃試驗條件下，冷拌環氧瀝青混合料抗拉強度最大，水平變形最小，僅為溫拌環氧瀝青混合料的53.8%， 說明冷拌環氧瀝青混合料在具有優異強度的同時變形能力相對較弱。

4.2 高溫穩定性

鋼橋面鋪裝層瀝青混合料的高溫穩定性有很高的要求[1]。 本文利用輪碾成型法制作車轍試驗試件，試驗溫度條件分別為60℃和70℃，施加輪壓為0.7 MPa，試驗結果如表4 所示。

表4 不同環氧瀝青混合料60℃、70℃車轍試驗結果

試驗結果表明，60℃和70℃溫度條件下，3 類環氧瀝青混合料動穩定度平均值均大于13000次/mm，遠高于控制指標8000 次/mm，其中冷拌環氧瀝青混合料的動穩定度最大，這表明冷拌環氧瀝青混合料具有更優異的高溫穩定性能。

4.3 變形與低溫抗裂能力

鋼橋面鋪裝層由于其獨特的使用環境，對鋪裝層混合料的低溫抗裂性要求也很高。 本研究采用半圓試件彎曲試驗（SCB，Semi-circular bending）評價混合料的變形與抗裂能力。SCB 試件制作過程如圖3所示，試驗加載測試裝置如圖4 所示，其中SCB 試件厚30 mm，直徑100 mm，支點間距為80 mm。

圖3 SCB 試件制作示意圖

圖4 SCB 試驗加載測試裝置

試驗條件分別為20℃、－10℃，加載速率分別為50 mm/min 和1 mm/min。在最佳油石比下，3 類環氧瀝青混合料的常溫與低溫試驗結果如表5 所示。

表5 環氧瀝青混合料SCB 試驗結果

從表5 可見，溫拌環氧瀝青混合料常溫與低溫時的變形能力最強，變形適應能力最優，但其彎曲強度也是最小。

4.4 水穩定性

本文通過對環氧瀝青混合料的凍融劈裂試驗來檢測水穩定性能[2]。 通過計算，經凍融循環試件的劈裂抗拉強度與未經凍融循環試件的劈裂抗拉強度的比值，得到凍融劈裂抗拉強度比（TSR），試驗結果如表6 所示。

表6 環氧瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表6 數據可知，3 類環氧瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比均遠遠滿足技術要求，具備優異的水穩定性，其中熱拌環氧瀝青混合料的水穩定性最佳。

4.5 抗疲勞性能

本文采用彎曲疲勞試驗研究3 種環氧瀝青混合料的抗疲勞性能， 按照車轍試驗的方式成型試件，疲勞試驗結果如表7 所示。

表7 環氧瀝青混合料疲勞試驗結果

由表7 數據可知，同樣應變水平條件下，3 類環氧瀝青混合料的疲勞性能均非常優異，遠超技術要求。

4.6 耐燃油腐蝕性

將標準馬歇爾試件按規定方法浸泡后晾干，依據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中規定的“馬歇爾試驗”檢測浸泡后試件的殘留穩定度值。 通過浸泡前后的質量損失和殘留穩定度值來反映混合料的耐油腐蝕穩定性。 試驗結果如表8 所示。

表8 環氧瀝青混合料耐燃油腐蝕試驗結果

由表8 中試驗結果可知，3 類環氧瀝青混合料試件在柴油中浸泡48 h 后質量沒有明顯減小，在柴油中浸泡48 h 后的殘留穩定度值均在95%以上，說明環氧瀝青混合料具有非常好的耐燃油腐蝕性。

4.7 變形協調性

本文采用線收縮系數試驗來評價3 類環氧瀝青混合料與鋼板的變形協調性。 從輪碾成型的試件上切制尺寸為200 mm×20 mm×20 mm 的棱柱體試件，試驗溫度區間為15℃～15℃，降溫速率為10℃/h，試驗結果如表9 所示。

表9 環氧瀝青混合料線收縮系數試驗結果

由表9 試驗結果可知，3 類環氧瀝青混合料的線收縮系數均滿足要求，與鋼板接近，表現出良好的變形協調性。

5 3 類環氧瀝青混合料性能對比

為便于對比，將3 類環氧瀝青的混合料性能匯總如表10 所示。

表10 3 種環氧瀝青混合料性能對比

由表10 的數據可知：（1）3 類環氧瀝青混合料均具有優異的水穩定性、抗疲勞性能、耐燃油腐蝕性及變形協調性；（2）在劈裂抗拉強度、高溫穩定性、彎曲強度等方面，熱拌環氧瀝青混合料與冷拌環氧瀝青混合料明顯大于溫拌環氧瀝青混合料，說明熱拌環氧瀝青混合料與冷拌環氧瀝青混合料更能適應于某公路橋高溫、特重交通的使用條件；（3）在變形能力方面，冷拌環氧瀝青混合料的水平變形與極限應變均小于熱拌環氧瀝青混合料與溫拌環氧瀝青混合料，尤其在低溫環境下，冷拌環氧瀝青混合料變形性能相對較弱。

6 結語

（1）3 類環氧瀝青結合料的拉伸強度與斷裂延伸率均滿足技術要求，其中冷拌環氧瀝青結合料的拉伸強度比熱拌和溫拌環氧瀝青結合料高，但冷拌環氧瀝青結合料的斷裂延伸率相對較差，此外，在粘度增至1000 MPa·s 耗時方面， 熱拌環氧瀝青結合料時間最長，說明熱拌環氧瀝青具有最長的施工可操作性時間，施工和易性相對較好。 （2）3 類環氧瀝青粘結料的拉伸強度均滿足技術要求，其中冷拌環氧瀝青粘結料的拉伸強度遠大于技術要求，過大的強度導致其韌性相對較差，斷裂延伸率較低。 在粘結強度和剪切強度方面，冷拌環氧瀝青粘結料最佳，其次為熱拌環氧瀝青粘結料。 （3）綜合對比3 類環氧瀝青混合料各項關鍵性能，熱拌環氧瀝青均表現出色， 不僅具有較高的強度和較好的變性能力，還具有優越的高溫穩定性和低溫抗裂性。