环氧沥青混凝土铺装材料低温断裂性能研究

柳仁军 徐飞 汤瑛

长期以来,国内外研究学者针对环氧沥青混凝土的使用性能进行了很多研究:在强度性能方面,东南大学桥面铺装课题组采用自制大吨位马歇尔稳定仪测出环氧沥青混凝土固化后的稳定度大于50 kN[1],远远高出常用铺面沥青混合料稳定度(10 kN～15 kN);在高温稳定性方面,钱振东、罗桑在武汉阳逻长江公路大桥铺装技术项目研究中,进行了80℃高温条件下的车辙试验,环氧沥青混凝土动稳定度可达到20 138次/mm[2],这是普通路用沥青混凝土(＜6 000次/mm)远不可能达到的。疲劳性能方面,东南大学桥面铺装课题组采用自制复合结构疲劳试验模型测出环氧沥青混凝土在5 kN(等效于实际钢桥梁铺装中的汽超—20)荷载下经过1 200万次未见疲劳裂纹出现[1,2]。综上所述,针对环氧沥青混凝土材料性能的研究,多集中于强度性能、高温稳定性以及抗疲劳性能方面,而对环氧沥青混凝土低温性能研究却鲜见报道。因此,本文采用SHRP研究计划中提出的低温劈裂试验、小梁三点弯曲试验、低温断裂试验对环氧沥青混凝土的低温抗裂性能进行了全面评价[3-5],为环氧沥青混凝土铺装低温使用设计提供依据。

1 材料性能

1.1 环氧沥青结合料

环氧沥青结合料是由环氧树脂与掺配固化剂的石油沥青在特定温度下按一定配合比混合后形成的热固性沥青结合料,其性能技术参数如表1所示。

表1 环氧沥青结合料性能技术参数

表2 环氧沥青混凝土级配

1.2 集料及级配

试验所用集料选用优质耐磨的玄武岩(6档集料)以及优质石灰岩矿物填料,如表2所示。

1.3 最佳油石比

采用马歇尔试验对121℃固化4 h后的标准马歇尔试件进行试验后,得出环氧沥青混凝土最佳油石比为6.5%。

2 低温性能试验研究

2.1 劈裂试验

试验按照JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程中“沥青混合料劈裂试验”(T 0716-1993)试验方法进行。其结果如表3所示。

表3 不同低温条件下环氧沥青混凝土劈裂试验结果

从表3数据结果来看,环氧沥青混凝土在低温条件下具有很高的劈裂强度和劈裂抗拉模量,且数值随着温度下降而增大,而最大荷载时水平变形几乎保持不变,表明环氧沥青混凝土在低温下有很好的间接抗拉强度性能和稳定变形能力。

2.2 小梁三点弯曲试验

试验按照JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程执行。不同温度条件下的弯曲试验荷载—位移曲线如图1所示。

由图1可以看出,环氧沥青混合料在低温条件下荷载—位移曲线近似于线性分布,表明环氧沥青混合料在低温条件下接近于弹性材料,因此,在低温季节环氧沥青混凝土铺装时会发生脆性破坏现象。

对试验机采集的荷载、位移数据进行处理分析,并用Matlab求解小梁断裂时实际应力、应变关系曲线下的面积作为弯曲应变能密度临界值,不同温度条件下小梁弯曲试验结果如表4所示。

表4 不同试验温度条件下环氧沥青混合料小梁弯曲试验结果

2.3 断裂性能试验

为研究环氧沥青混凝土的低温断裂特性,采用切口三点弯曲梁法测定低温下沥青混凝土的断裂性能参数,试验装置示意图见图2。试验过程中利用摄像机同步实时录像记录预制切口裂缝的扩展过程。根据MTS机所记录的加载力临界荷载值和摄像机影像测出的裂缝长度,按照式(1)得出环氧沥青混凝土断裂强度因子:

其中,PC为临界荷载;B为试件宽度;W为试件高度;a为初始裂缝深度;S为弯曲梁支点之间的距离,标准规定 S=4W;为系数,按照式(2)计算:

环氧沥青混凝土的断裂性能试验结果如表5所示。

表5 低温下环氧沥青混凝土断裂性能试验结果

从表5试验结果可以看出,在低温条件下,环氧沥青混凝土断裂韧性随着温度降低而变大,且相同试验温度情况下,环氧沥青混凝土的抗断裂性能要优于其他沥青混凝土。

3 结语

1)通过对环氧沥青混凝土进行全面的低温性能试验评价,研究表明环氧沥青混凝土在低温条件下具有很高的抗拉和抗弯拉强度、优良的抗断裂能力、稳定的变形能力以及良好的追从性能,完全满足国内大部分钢箱梁桥面铺装的低温设计要求。

2)小梁三点弯曲试验表明,低温下环氧沥青混凝土会出现脆性开裂破坏现象,因此在冬季低温季节,应该对钢箱梁环氧沥青混凝土铺装层进行及时的跟踪养护。

[1] 东南大学.南京长江第二大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装技术及应用[R].南京:东南大学,2000.

[2] 武汉绕城公路建设指挥部,东南大学桥面铺装课题组.武汉阳逻长江公路大桥钢桥面铺装技术研究报告[R].南京:东南大学,2007:3.

[3] Ted S.Vinson,Vincent C.Janoo and Ralph C.G.Haas.Low temperature and thermal fatigue cracking[R].SR-OSU-A-003A-89-1,1989:6.

[4] MULL M.A,STUART T.K,YEHIA A.Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement[J].Journal of Materials Science,2002,37(3):557-566.

[5] P.E.SEBAALY,A.Lake,J.Epps.Evaluation of low-temperature properties of HMA mixtures[J].Journal of Transportation Engineering,2002,128(6):578-586.

[6] F.L.Robert.Hot mix asphalt materials,mixture design and construction[R].Landan:NAPA Research and Education Foundation,1994.

[7] KANERV A Hannele K,VINSON Ted S,ZENG Hua-yang.Low temperature cracking field validation of the thermal stress restrained specimen test[R].SHRP-A-401,1994.

[8] 于天来,唐 涛,吴思刚.改性沥青伸缩结合料与混合料低温性能研究[J].中国公路学报,2005,18(2):18-23.

[9] Kwang W.Kim,M.EI Hussein.Variation of fracture toughness of asphalt concrete under low temperatures[J].Construction and Building Materials,1997,11(7):403-411.