鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料抗反射裂縫性能試驗

鄭 禎 牟壓強 郭大進 徐默楠 王永俊 劉維娟 郭榮鑫* 封基良

(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1) 昆明 650504)(楚雄彝族自治州自然資源和規劃局2) 楚雄 675000) (云南省交通規劃設計研究院有限公司3) 昆明 650000)(昭通昭樂高速公路投資開發有限公司4) 昭通 657000) (云南暢坦科技有限公司5) 昆明 650500)

0 引 言

常用評價瀝青混合料抗裂性能的試驗方法主要有：劈裂試驗、四點彎曲試驗和半圓彎曲試驗等，這些試驗方法與瀝青混合料實際服役過程中受力情況存在較大差異，導致試驗測試結果存在不客觀性，進而導致瀝青路面結構設計的不合理性，嚴重影響了瀝青路面的耐久性與可靠性[1-2]．而overlay tester(OT)試驗可模擬瀝青鋪裝層受下部水平拉應力情況下的抗裂性能，與實際瀝青鋪裝層反射裂縫發展過程的受力狀況比較吻合，且試驗試件制備方法簡單、用時短，可較好地評價加鋪在舊瀝青路面、原有水泥混凝土路面及鋼橋面板瀝青混合料面層的抗反射裂縫性能[3-4]．

美國德克薩斯州交通研究中心已頒發的TEX-248-F規范，對OT試驗參數做了一些規定,其中要求采用水平位移控制模式，目標位移值為0.635 mm(沒有給出任何解釋)．文獻[5]利用有限元程序對規范目標位移值是否適用于評價鋼橋面鋪裝層材料抗反射裂縫性能進行了驗證，結果得出規范目標位移值不適用于評價鋼橋面鋪裝層材料抗反射裂縫性能，并推薦0.063 mm作為目標位移值．

為驗證規范要求目標位移0.635 mm及文獻[5]推薦目標位移值0.063 mm是否適用于分析鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料的抗反射裂縫性能，同時為探究外界環境因素對其抗反射裂縫性能的影響．設置0.063，0.135，0.235和0.635 mm四個目標位移值．根據確定的最佳目標位移值，測定環氧瀝青、SBS改性瀝青混合料在常規條件下及長期老化、凍融后的抗反射裂縫性能，揭示環氧瀝青混合料的抗反射裂縫性能衰變規律．

1 試件制備

1.1 原材料

采用FY環氧瀝青[6]和SBS改性瀝青，其中FY環氧瀝青A/B組分質量比例為100∶705，密度為1.081 g/cm3,斷裂伸長率為246%，FY環氧瀝青B組分配方由某科技有限公司提供，具體技術參數見文獻[6]；SBS改性瀝青為殼牌基質SBS I-D型改性瀝青，其技術指標測試結果見表1．

表1 殼牌基質SBS Ι-D型改性瀝青技術指標

選擇SAC系列中的SAC-10作為試驗用瀝青混合料的礦料級配，混合料的粗集料選用玄武巖，細集料選用石灰巖，礦粉選用石灰巖礦粉,粗細集料和礦粉的技術性能均能滿足文獻[7]要求，SAC-10礦料級配見表2．環氧瀝青和SBS改性瀝青混合料的最佳油石比分別為5.0%、5.3%，兩種瀝青混合料的馬歇爾試驗結果見表3．

表2 SAC-10設計級配

表3 兩種瀝青混合料馬歇爾試驗結果

1.2 OT試件制備

1) 制備環氧瀝青混合料OT試件 采用“后摻法”施工工藝拌制環氧瀝青混合料，通過ZY-4型振動壓實成型機成形尺寸為直徑×厚度為150 mm×150 mm的試件(不斷改變振動時間和振動頻率，以目標空隙率為設計指標，最終確定擊實頻率為28 Hz，擊實時間為50 s，一個試件所需的用量為6 649 g,分兩層壓實成型)，然后將成型好的試件帶模放入120 ℃恒溫烘箱中養生4 h，常溫放置24 h．使用ZDQ95-8型油浸式連體切割機切割固化后的試件，得到尺寸為150 mm×76 mm×38 mm(長×寬×高)的標準OT試件．

2) 制備SBS改性瀝青混合料OT試件 采用常規工藝拌和，拌和溫度為175 ℃，壓實溫度為170 ℃，且成形后不需要養生，其余步驟均同上．

2 試件加載

試驗參數見表4．加載前，需將切割好的標準OT試件用AB膠黏結在拉伸底盤上，每個試件上放置0.8 kg的配重塊，待24 h后認為強度足夠，即可將整個試件安裝在OT試驗機上，試件需保溫4 h以上才可開始加載．

表4 OT試驗參數設置

OT試驗機在加載過程中可自動記錄第一個周期拉伸荷載峰值F、每個周期的拉伸荷載峰值、試驗周期數N、荷載損失率R、位移L和溫度T等參數．引入總斷裂能G和第一周期斷裂能Gf來進一步評價鋼橋面鋪裝用材料的抗反射裂縫性能，其中總斷裂能由每個周期拉伸荷載峰值-周期數關系曲線下所包圍的面積(即整個周期內所有荷載的總和)表示混合料開裂的總斷裂能，見圖1.試件第一周期開裂所需斷裂功W，見圖2．

圖1 總斷裂能示意圖

圖2 第一周期斷裂功W

第一周期斷裂能Gf評價試件初期抗裂性能，即

Gf=W/t×b

(1)

式中：Gf為斷裂能，J/m2；W為斷裂功，J；t為試件厚度，m；b為試件寬度，m．

3 試驗結果分析

3.1 不同目標位移值下的OT結果

常規條件下，環氧瀝青混合料OT試件在0.063，0.135，0.235及0.635 mm四個目標位移值下的OT試驗結果見表5，相應的拉伸荷載峰值-周期數關系曲線見圖3．通過Origin對關系曲線進行擬合，擬合結果見表6．

表5 四個目標位移值OT試驗結果

圖3 四個目標位移值對應的拉伸荷載峰值-周期數關系曲線

表6 四個目標位移值對應的拉伸荷載峰值-周期數關系曲線擬合結果

綜合考慮四個目標位移值條件下重復試驗結果的標準差、拉伸荷載峰值與試驗循環周期數關系曲線擬合公式的擬合逼近程度(對數函數或冪函數擬合)及試驗過程試件的損傷程度，最終推薦0.135 mm作為環氧瀝青混合料OT試驗的目標位移值．

3.2 常規條件下的OT結果

常規條件下，環氧瀝青及SBS改性瀝青混合料OT試驗結果見表7．

由表7可知:兩種瀝青混合料的試驗周期數N均能達到1 200次，且荷載損失率R值均小于93%；當周期數達到1 200次時，環氧瀝青混合料的荷載損失率R僅為SBS改性瀝青的一半；環氧瀝青混合料總斷裂能G是SBS改性瀝青的3倍；環氧瀝青混合料第一周期拉伸荷載峰值F、第一周期開裂所需斷裂功W及斷裂能Gf均大于SBS改性瀝青混合料，說明環氧瀝青混合料在初期形成反射裂縫需要更多的力和能量．

表7 常規條件下兩種瀝青混合料OT試驗結果

3.3 長期老化后的OT結果

將試件放入85 ℃烘箱中進行高溫老化，在強制通風條件下連續加熱5 d，之后關閉烘箱，經自然冷卻16 h后，開展OT試驗，試驗結果見表8．

表8 長期老化后兩種瀝青混合料OT試驗結果

由表8可知：長期老化對環氧瀝青混合料的破壞較為明顯，而對SBS改性瀝青混合料的破壞則影響較小．即便環氧瀝青混合料荷載損失率較SBS改性瀝青大，但在裂紋起裂、發展、擴展三個階段的破環所需的斷裂能仍比SBS改性瀝青多，說明環氧瀝青混合料具有良好的抗反射裂縫性能．

3.4 凍融后的OT結果

在97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)條件下真空飽水15 min，然后在(-18±2) ℃溫度下冷凍(16±1) h，最后在(60±0.5) ℃恒溫水槽中保溫24 h，作為一次凍融循環．兩種瀝青混合料在經過凍融破壞后的OT試驗結果見表9．

由表9可知:凍融破壞對環氧瀝青混合料的破壞較為明顯，而對SBS改性瀝青混合料的破壞則影響較小，這與混合料的空隙率有關，致密的結構會降低水對混合料結構的影響．即便環氧瀝青混合料荷載損失率較SBS改性瀝青大，但在裂紋起裂、發展、擴展三個階段的破環所需的斷裂能仍比SBS改性瀝青多，說明環氧瀝青混合料本身具有良好的抗反射裂縫性能．

在不同條件下兩種瀝青混合料OT指標變化規律見圖4[8-9]．

圖4 在不同條件下兩種瀝青混合料OT指標變化規律

3.5 OT曲線擬合

采用式(2)～(3)對常規條件下及長期老化、凍融破壞后兩種瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數關系曲線進行(冪函數或對數函數)擬合，擬合結果見表10．

表10 不同環境條件下OT拉伸荷載峰值-周期數關系曲線擬合結果

y=a×xb

(2)

y=A×lnx+B

(3)

式中：系數a為第一周期拉伸荷載峰值，表征初始荷載的大小；b為反射裂縫擴展速率；A為荷載梯度，表征荷載速率變化的快慢；B代表第一周期拉伸荷載峰值，表征初始荷載的大小．

由表10可知:在3種情況條件下，環氧瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數關系曲線變化規律十分符合對數函數的變化規律，變異系數R2均達到0.95以上，根據對數函數的參數A可發現環氧瀝青混合料在3種環境下反射裂縫擴展速率的順序為：凍融(-0.332)>長期老化(-0.311)>常規(-0.212)；而SBS改性瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數關系曲線變化規律比較符合冪函數的變化規律，根據冪函數的參數a可發現SBS改性瀝青混合料在3種環境下反射裂縫擴展速率相差不大，進而推斷出長期老化、凍融破壞對SBS改性瀝青混合料抗反射裂縫性能影響較小．

4 結 論

1) OT試驗可以有效評價鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料的抗反射裂縫性能．針對鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料的OT試驗，0.135 mm目標位移值與0.063，0.235，0.635 mm目標位移值相比具有以下特點：試驗結果標準差最小、拉伸荷載峰值與試驗循環周期數關系曲線擬合公式擬合程度最高、試驗過程拉伸荷載峰值與試驗循環周期數關系曲線與OT試驗測試常規材料時的變化規律最為接近，推薦0.135 mm作為鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料OT試驗的目標位移值．

2) 環氧瀝青混合料相較于SBS改性瀝青混合料具有較強的抗反射裂縫性能．長期老化、凍融破壞處理對環氧瀝青混合料抗反射裂縫性能影響較為顯著，對SBS改性瀝青混合料的影響則較小．凍融破壞對兩種瀝青混合料抗反射裂縫性能的影響較長期老化大．

3) 環氧瀝青混合料的拉伸荷載峰值-周期數曲線符合對數函數變化規律，SBS改性瀝青混合料的最大荷載-周期數曲線符合冪函數變化規律．

4) 文中通過室內試驗，推薦了鋼橋面鋪裝用環氧瀝青混合料OT試驗的目標位移值，但該目標位移值與鋼橋面鋪裝材料受力變形特點的關聯性有待驗證，還需從鋼橋面受力結構、受力狀態，裂縫成因，應力/應變等方面開展更深入的研究．