路面構造對環氧覆層路用性能的影響規律研究

左建琴， 孫 超， 施躍進， 徐 旺， 余增兵， 鄧行寬

(1.江蘇省昆山市公路管理處，江蘇 昆山 215316；2.華藍設計集團有限公司，廣西 南寧 530000；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 211106)

0 引 言

環氧覆層鋪裝是一項性能優異的路面養護技術，在路面上鋪筑環氧覆層可提高路面抗滑性能和抗滲水性能，修復或延緩病害發展，從而延長道路使用壽命[1]。在輪載作用下，環氧覆層與原路面結構之間存在脫層和推移的風險，因此室內一般通過拉拔試驗和剪切試驗評價環氧覆層的路用性能[2-4]。實際上，環氧覆層與原路面的黏結作用受到膠結料黏結能力、原路面構造深度、輪載壓力、輪胎硬度等多因素的影響。研究表明，環氧覆層在光滑界面和粗糙界面上的黏結強度和剪切強度存在較大差距[5，6]。以往的研究，均未給出路面構造對環氧覆層黏結強度的影響規律。另外，僅有3～10 mm厚的環氧覆層難以進行剪切試驗，而室內加速加載磨耗試驗具有真實模擬路面輪載磨耗的特點，采用磨耗指標更能反映環氧覆層的路用性能[7，8]。因此，本文通過拉拔試驗和加速加載磨耗試驗研究路面構造對環氧覆層路用性能的影響規律。

1 試驗方法

采用拉拔試驗和加速加載磨耗試驗分別測試環氧覆層的黏結強度和磨耗值。試驗模擬了原路面為瀝青路面和水泥路面的路面形式，采用“車轍板+環氧覆層”和“水泥混凝土板+環氧底涂+環氧覆層”的復合結構試件進行試驗。

拉拔試驗采用40 mm×40 mm規格的黏結拉頭，采用環氧樹脂AB膠強力膠水將黏結拉頭與底板試件黏結，進行試驗時確保受力范圍為黏結拉頭邊界范圍。磨耗試驗采用加速加載磨耗儀，加載輪施加荷載為2.28 kN，輪胎壓力為0.7 MPa，試驗溫度為25 ℃，記錄環氧覆層磨耗損失速率近乎為零(作用次數約60 000次)時對應的磨耗值。

2 原材料選擇及試件成型

2.1 原路面試件成型

本文采用瀝青車轍板試件和水泥混凝土板試件模擬瀝青路面和水泥路面。

車轍板試件采用AC--13和AC--16兩類密集配瀝青混合料成型，表面構造深度為0.67～1.62 mm，見表1。

表1 瀝青車轍板孔隙率及表面構造

水泥混凝土板配合比設計參考《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)，按照 C60 強度等級設計，水灰比為0.31。試件養護28 d后，根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)抗滑構造使用要求，矩形刻槽深度為3～4 mm，槽寬為3～5 mm，槽間距為12～25 mm，路面水泥混凝土板表面做刻槽處理，實現表面構造深度從小到大連續變化的目的。

2.2 復合試件成型

兩種復合試件結構形式分別為：上層乳液+2.36～4.75 mm玄武巖集料+底層乳液+車轍板試件；上層乳液+2.36～4.75 mm玄武巖集料+底層乳液+環氧樹脂黏結層+水泥混凝土板試件。其中，上層乳液與底層乳液均采用高性能水性環氧乳化瀝青。將所有的試件底板表面清洗干凈，然后烘干備用。在處理好的界面上鋪筑環氧覆層，通過液壓式輪碾儀成型復合試件。

3 路面構造對環氧覆層路用性能的影響分析

本文針對環氧覆層在具有不同構造深度的瀝青路面和水泥路面的應用情況，研究了環氧覆層的黏結強度和磨耗指標與構造深度的相關性。

3.1 拉拔試驗結果分析

本文采用直接拉拔試驗測量環氧覆層的黏結強度，以此研究黏結強度受底板表面構造深度的影響規律。對第一組瀝青和水泥復合試件進行拉拔試驗，結合實測構造深度，得到底板構造深度與環氧覆層黏結強度的散點圖，如圖1所示。

圖1 拉拔強度-表面構造深度關系圖

由圖1可知，路面構造深度與界面拉拔強度具有良好的二次多項式關系，拉拔強度隨著構造深度的增加，呈現先上升后下降的趨勢。對于瀝青路面，當x=1.772 mm時，環氧覆層具有最大黏結強度，為1.606 3 MPa；對于水泥路面，當x=1.192 mm時，環氧覆層具有最大黏結強度，為2.217 1 MPa。因此，環氧覆層實際應用時應對路面進行粗糙處理，使構造深度盡可能接近最大拉拔強度對應值。同時，根據室內研究，1.4 MPa以上的黏結強度足以抵抗可引起脫膠的剪切力，因此綜合建議瀝青路面構造深度控制在1.0～1.9 mm，水泥路面構造深度控制在0.8～1.2 mm。

觀察可知，破壞界面均發生在環氧覆層與底板的黏結界面。其中，瀝青復合板上黏結拉頭帶起的材料有一部分為底板材料，這部分底板材料為混合料細小集料和瀝青膠漿。分析認為，瀝青車轍板表面紋理下凹部分有助于提高環氧覆層的黏結強度。因此，采集車轍板表面圖像，借助MATLAB圖像處理技術，得到如圖2所示的二值化圖像。

圖2 車轍板表面二值圖像

圖2中黑色區域實際上是車轍板表面紋理的下凹區域，統計下凹區域面積與總面積比值，可以得到下凹區域面積占比與拉拔強度和構造深度的關系圖，如圖3所示。

圖3 下凹區域面積占比與拉拔強度和構造深度的關系圖

環氧覆層的黏結強度與黏結材料性能和界面紋理狀況有關。從圖3可知，通常情況下，隨著原瀝青路面下凹區域占比的增大，構造深度呈二次多項式趨勢增大，拉拔強度呈現先增大后減小的趨勢。其中，拉拔強度-下凹區域占比、構造深度-下凹區域占比關系模型分別為

y1=-5.548 9x2+9.721x-2.343 8

(1)

y2=32.741x2-30.522x+7.780 9

(2)

式中：x為車轍板圖像下凹區域占比，%；y1為拉拔強度，MPa；y2為構造深度，mm。

3.2 磨耗試驗結果分析

環氧覆層的抗磨耗性能直接反映了其耐久性能，抗磨耗性能不足容易引起掉粒、脫皮等病害。道路面層養護工作中，常以磨耗指標評價封層養護技術的優劣。

對第二組瀝青和水泥復合試件進行磨耗試驗，作用次數為60 000次，獲取不同底板表面構造深度下環氧覆層的磨耗值，并得到環氧覆層磨耗值與底板構造深度的散點圖，如圖4(a)所示，同時得到磨耗值與車轍板下凹區域占比的關系圖，如圖4(b)所示。

圖4 環氧覆層磨耗值與底板構造深度、車轍板下凹區域占比的關系圖

根據磨耗試驗結果，進行二次多項式方程擬合。可以發現，在瀝青路面上構造深度為1.685 mm時，對應磨耗值最小，為23.3%；在水泥路面上構造深度為1.811 mm時，對應磨耗值最小，為25.0%。假定以瀝青路面和水泥路面構造深度大于1.685 mm和1.811 mm時，環氧覆層磨耗將不受路面構造深度的影響，則磨耗值分別為23.3%和25.0%。實際上，瀝青路面和水泥路面構造深度一般分別小于1.685 mm和1.811 mm，因而可以采用擬合方程評價相應路面應用環氧覆層的耐磨耗性能。結合試驗數據，為使磨耗值較低，推薦瀝青路面和水泥路面的構造深度范圍分別為0.8～1.7 mm和1.0～1.8 mm。

從圖4(b)可知，磨耗值-下凹區域占比的二次多形式擬合相關系數僅為0.569 6，而磨耗是磨耗層與路面之間產生豎向、切向破壞的過程，受到路面構造、膠結料黏結能力、磨耗層骨料特性、磨耗輪載壓力和輪胎硬度等多因素影響，而下凹區域占比只反映了路面構造的部分特征，表面原路面下凹區域占比是影響磨耗值的間接因素。

根據拉拔試驗和加速加載磨耗試驗結果，可以建立環氧覆層黏結強度和磨耗值與原路面構造深度的關系模型分別為

y黏，A=-0.391 7x2+1.388 1x+0.376 5

(3)

y黏，C=-0.733 7x2+1.748 4x+1.175 5

(4)

y磨，A=5.269 1x2-17.752x+38.265

(5)

y磨，C=2.697 2x2-9.771 3x+33.882

(6)

式中：y黏，A、y黏，C分別為瀝青路面和水泥路面環氧覆層的拉拔強度，MPa；y磨，A、y磨，C分別為瀝青路面和水泥路面環氧覆層經60 000次磨耗后對應的磨耗值，%；x為對應原路面構造深度，mm。

綜合拉拔試驗和磨耗試驗得出的推薦路面構造深度，可以得到瀝青路面和水泥路面應用環氧覆層的最佳構造深度范圍分別為1.0～1.7 mm和1.0～1.2 mm。

4 結 論

本文通過對鋪筑環氧覆層的瀝青路面和水泥路面復合試件進行黏結性能和抗磨耗性能的室內試驗研究，得出以下結論：

(1) 瀝青路面紋理的下凹區域占比的增大有助于提高環氧覆層的黏結強度；拉拔強度和構造深度與下凹區域占比的關系模型分別為y1=-5.548 9x2+9.721x-2.343 8和y2=32.741x2-30.522x+7.780 9。

(2) 環氧覆層的黏結強度均具有隨著原路面構造深度的增大先增大后減小的規律。結合工程實際，在實施環氧覆層時，推薦瀝青路面構造深度控制在1.0～1.9 mm，水泥路面構造深度控制在0.8～1.2 mm。

(3) 環氧覆層的60 000次輪載磨耗值與原路面構造深度具有良好的二次多項式擬合關系，可得推薦瀝青路面和水泥路面的構造深度范圍為0.8～1.7 mm和1.0～1.8 mm。

(4) 結合拉拔試驗和磨耗試驗分析結果，瀝青路面和水泥路面的構造深度范圍為1.0～1.7 mm和1.0～1.2 mm，環氧覆層可獲得最佳的黏結性能和抗磨耗性能。