后摻法環氧瀝青SAC-10混合料性能研究及對比分析

2022-03-12 10:40:40牟壓強郭大進趙雁斌張林艷郭榮鑫

武漢理工大學學報(交通科學與工程版) 2022年1期

牟壓強馬永郭大進趙雁斌張林艷郭榮鑫

(楚雄彝族自治州自然資源和規劃局1) 楚雄 675000) (云南賓南高速公路有限公司2) 大理 671000)(昆明理工大學建筑工程學院云南省土木工程防災重點實驗室3) 昆明 650504) (云南大學建筑與規劃學院4) 昆明 650504)

0 引言

環氧瀝青混合料不僅抗滑衰減慢，強度高，耐疲勞性能和水穩定性能優異，而且具有優良的高、低溫穩定性[1-2]，被廣泛地應用于大型橋梁橋面鋪裝工程中[3].超薄磨耗層作為一種路面養護材料，可鋪筑于路面的預防性和矯正輕微病害的養護中，也可應用于新建路面的磨耗層.

目前，國內外學者針對環氧瀝青超薄磨耗層性能分析及材料優化方面的研究已經取得較為豐碩的成果，文獻[4]通過試驗證明了環氧瀝青超薄磨耗層在性能方面確實可行.然而，環氧瀝青混合料施工容許時間短導致其施工難度大的難題，嚴重阻礙了其大范圍地推廣使用[5-6].

為解決環氧瀝青混合料因容留時間短導致其施工難度大的難題，課題組創新性地提出了“后摻法”施工工藝，該工藝可將環氧瀝青混合料施工流程中的拌和、裝料、運輸及待料時間從施工容留時間中剔除，在容留時間內只需進行攤鋪和碾壓施工，質量可控性顯著提升，使環氧瀝青混合料擁有了大規模推廣及應用的可能.為評價“后摻法”自主研發環氧瀝青超薄磨耗層的性能，本文采用多碎石SAC-10礦料級配和自主研發的環氧瀝青材料，通過“后摻法”工藝制備混合料試件，開展了系統的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性等路用性能測試，并引入了傳統環氧瀝青及SBS改性瀝青SAC-10混合料[7]進行對比分析.此外，還使用UTM-30液壓伺服多功能材料試驗機測定了不同應力比條件下的“后摻法”自主研發環氧瀝青與SBS改性瀝青SAC-10混合料試件的疲勞壽命,通過Origin數學計算軟件，對兩種瀝青混合料間接拉伸疲勞試驗結果進行線性擬合，建立經典疲勞方程，并選取了綜合修正系數K值對經典疲勞方程進行修正，計算兩種材料的抗拉強度結構系數，為環氧瀝青鋼橋面鋪裝的結構設計與施工技術提供參考.

1 原材料性質與設計級配

1.1 原材料性能

采用的環氧瀝青和SBS改性瀝青指標均符合相關規程要求,其中環氧瀝青A、B組分質量比為100∶750，主要性能指標見文獻[6].試驗采用的粗、細集料均產自昭通市鎮雄縣石子溝采石場，粗集料為玄武巖，細集料為石灰巖，填料采用石灰巖磨細得到的礦粉，由瀝青拌和站加工生產.按照JTJ E42—2005《公路工程集料試驗規程》相關規定，測試的粗、細集料及礦粉的主要物理性能指標見表1.

表1 粗細集料及礦粉試驗結果

1.2 超薄磨耗層礦料級配選擇及設計

多碎石SAC-10從1988年開發到現在，經過接近30年的適用和完善，應用技術已趨于成熟，根據國內應用技術成熟程度判斷[8]，最終采用中斷型多碎石SAC-10作為超薄磨耗層瀝青混合料的礦料級配，選擇其中值作為設計級配，多碎石SAC-10礦料級配范圍見表2，最佳油石比為5.5%.

2 路用性能檢驗試驗及對比分析

2.1 試件制備

在室內采用“后摻法”制備工藝，成型試驗測試試件，環氧瀝青混合料分兩次拌和：第一次，將加熱到120 ℃的環氧瀝青B組分、粗細集料及填料倒入瀝青混合料拌鍋中攪拌180 s;第二次，按A∶B=100∶750的比例添加環氧瀝青A組分，再攪拌180 s.將該工藝制備的環氧瀝青SAC-10混合料按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[9]中相關試驗方法成型試件，將成型后的試件置于120 ℃的恒溫烘箱中養生4 h,然后室溫條件靜置24 h.測試的路用性能指標包括空隙率、馬歇爾穩定度、浸水殘留穩定度、凍融劈裂強度比、動穩定度及低溫彎拉應變，試驗結果見表3.為反應試驗結果所處水平，列出相同級配類型SAC-10的傳統環氧瀝青及SBS改性瀝青混合料性能結果進行對比.

表3 不同膠結料SAC-10混合料性能試驗結果

2.2 性能試驗結果對比分析

由表3可知：與SBS改性瀝青SAC-10混合料相比，“后摻法”自主研制環氧瀝青SAC-10混合料馬歇爾穩定度提升了7.78倍，浸水殘留穩定度提升了0.74%，凍融劈裂強度比降低了7.07%，動穩定度提升了4.6倍，-10 ℃低溫彎拉應變下降了8%.這主要是因為環氧瀝青不同于熱塑性的SBS改性瀝青，其屬于熱固性材料，環氧瀝青A組分與B組分混合料拌和均勻后，在高溫養生的促進作用下，環氧樹脂與固化劑會快速發生固化反應，生成具有不溶不熔的特性的立體互穿網絡結構，瀝青作為分散相均勻地填充于立體互穿網絡結構中，因而具有更優越的力學性能[10]，但由于其空隙率稍大，導致其凍融劈裂強度比和低溫彎拉應變較SBS改性瀝青SAC-10混合料稍低.由表3可知，與傳統環氧瀝青SAC-10混合料相比，“后摻法”自主研制環氧瀝青SAC-10混合料馬歇爾穩定度提升了1.15倍，浸水殘留穩定度提升了3.23%，動穩定度提升了14%，但凍融劈裂強度比及低溫彎曲應變比傳統環氧瀝青SAC-10混合料略低.這主要是因為自主研制環氧瀝青混合料強度較高，相應地就會導致其低溫脆性變大.

綜合各性能指標，“后摻法”制備的自主研制環氧瀝青SAC-10混合料與傳統環氧瀝青SAC-10混合料在路用性能方面處于同一水平，且顯著優于SBS改性瀝青混合料，主要性能指標均滿足GB/T30598—2014《道路與橋梁鋪裝用環氧瀝青材料通用技術條件》中鋼橋面用環氧瀝青鋪裝層混合料使用性能要求.

3 間接拉伸疲勞試驗及結果分析

選擇SBS改性瀝青SAC-10混合料進行對比.采用“后摻法”工藝，通過標準馬歇爾試驗方法，成型直徑為(101±0.25)mm，高為(63.5±1.3)mm的自主研發環氧瀝青混合料試件，試件空隙率為3.0%，將成型后的試件置于120 ℃的恒溫烘箱中養生4 h,然后室溫條件靜置24 h.參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》成型標準尺寸的SBS改性瀝青混合料試件，試件空隙率為2.8%.

3.1 混合料劈裂強度

在進行間接拉伸疲勞試驗前，參照規程(E20)瀝青混合料劈裂試驗中的相關方法，利用CSS-44100電子萬能試驗機測定兩種瀝青混合料的劈裂強度，為下一步應力控制疲勞試驗各應力水平的計算提供基礎，兩種瀝青混合料的劈裂強度測試結果如表4所示.根據規程[7]中(瀝青混合料劈裂強度值與平均值之差應小于等于標準差的1.46倍)對試驗結果進行異常值篩選，以消除試驗結果誤差，結果顯示數據均合格，同時通過表4可以看出“后摻法”自主研發環氧瀝青混合料的劈裂強度是SBS改性瀝青混合料的2.58倍.

表4 兩種瀝青混合料劈裂試驗結果

3.2 混合料間接拉伸疲勞試驗

使用UTM-30在恒溫15 ℃、應力控制模式、無間歇時間及正弦波條件下，對“后摻法”自主研發環氧瀝青及SBS改性瀝青SAC-10混合料進行應力水平分別為0.4～0.7的間接拉伸疲勞試驗，同一應力水平下平行試驗數為4個，使用UTM-30測試材料疲勞過程見圖1，兩種瀝青混合料在相應應力水平下的疲勞試驗結果見表5.

表5 兩種瀝青混凝土間接拉伸疲勞試驗結果

由表5可知，應力水平對疲勞壽命有顯著影響，當應力水平由0.4增加到0.7時，環氧瀝青混合料的疲勞壽命由1 551 740次降低到153次，降幅接近100%；SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命由5 629次降低到538次，降幅達90.4%.可見，加強交通管控，嚴格限制重載、超載車輛通行，將大大提高路面的疲勞壽命，延長路面使用年限.當應力比為0.4時，環氧瀝青混合料的循環荷載為15.108 kN，SBS改性瀝青混合料的循環荷載為4.397 kN(僅為環氧瀝青混合料循環荷載的29.1%)，而環氧瀝青混合料的疲勞壽命卻是SBS改性瀝青的275.7倍，可知環氧瀝青混合料擁有優異的疲勞性能.

3.3 疲勞壽命回歸方程的建立

研究資料表明[11]，瀝青混合料間接拉伸疲勞性能試驗采用應力控制模式時，疲勞壽命對數與施加的循環荷載應力值對數呈線性分布規律，由此建立典型的回歸方程為

lnNf=-n·lnδ0+lnK

(1)

式中：Nf為疲勞壽命，次；δ0為試件施加應力值，kPa;K,n為疲勞特征待定系數.

根據表5可知：建立環氧瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料的lnNf-lnδ0關系曲線，見圖2.由圖2可知:恒溫15 ℃條件下，環氧瀝青混合料間接拉伸疲勞性能與SBS改性瀝青混合料變化趨勢一致，即隨著循環荷載應力值的增大，混合料的疲勞壽命逐漸減小，同時可以看出循環荷載應力值對數與疲勞壽命對數呈線性關系.

圖2 疲勞壽命曲線

兩種瀝青混合料經典疲勞方程的回歸系數K和n,結果見表6，表6中的R2為相關系數.由表6可知，兩個疲勞壽命回歸方程均有較高的精度，但從理論上來講，循環荷載應力值決定間接拉伸疲勞壽命的大小，因此回歸方程(1)中，以循環荷載應力值對數為自變量，以疲勞壽命對數為因變量，與疲勞理論相符，具有較高的合理性.此外，該回歸方程相比經典疲勞方程，更適用于利用數學計算軟件分析回歸曲線和系數.