环氧薄层铺装材料断裂性能试验研究

崔树华，卢 钢，方 星，磨炼同

（1.内蒙古自治区锡林郭勒盟公路工程质量监督站，锡林浩特 026000；2.通辽市交通规划设计院，通辽 028000；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点试验室，武汉 430070）

桥梁是交通运输的咽喉要道，其里程在公路总里程中所占比例很小，但其因维修养护给整个路网通行能力的影响是巨大的。桥面铺装材料由于其所在的特殊结构位置，其使用寿命远小于普通沥青路面。由于在桥梁处更易形成渠化交通，同时铺装层受力更为复杂，桥面铺装层比普通沥青路面更容易产生早期损坏，严重制约着其使用品质和寿命。频繁的养护、维修，甚至翻修不仅仅浪费了大量的财力、物力和人力，还造成了严重的交通拥堵。武汉白沙洲长江大桥十年24次大修就是典型例子。

桥梁在道路交通运输中的特殊角色要求其桥面铺装材料必须满足耐久性的要求。此外，维修养护成本及其方便性，因维修导致的交通拥堵所带来的社会成本也应引起重视。桥面铺装材料的选择依据更应建立在使用年限内的综合成本而非初期投资成本之上。因此在水泥混凝土桥面上大多采用改性沥青混凝土铺装。在钢桥面上，由于桥面板变形大，因此多采用浇注式SMA沥青混凝土和环氧沥青混凝土。此外，薄层环氧树脂混凝土也开展了一些室内试验研究。

国内外众多实体工程应用结果表明钢桥面铺装仍是世界难题。钢桥面铺装层的层间黏结破坏以及铺装层表面弯拉应变导致的疲劳开裂是重点考虑的问题。这要求钢桥面铺装材料必须与钢桥面板具有良好的黏结性能（特别是高温条件下），同时还须具有良好的柔性（特别是在低温条件下），以便能追随桥面板的大变形而不发生低温开裂和疲劳开裂。

薄层环氧抗滑铺装材料是一种新型的道路材料，其厚度仅为5～10mm，由环氧树脂和单一粒径耐磨集料组合而成，其中环氧树脂与集料、混凝土、钢板等粘结性好，可对桥面起到很好的保护作用；单一粒径耐磨集料的使用使得铺装层表面粗糙，可起到很好的抗滑作用。采用改性环氧树脂制备的铺装材料低温柔性和疲劳性能可大大改善。铺装厚度很小，成本相对较低，同时减少桥梁负载。此外，薄层环氧抗滑铺装的表面修复工作简单易行，无需长时间养护，短期即可开放交通。

通过与环氧沥青混凝土、SMA沥青混凝土对比分析，研究不同温度（－10～60℃）下环氧铺装材料的断裂力学性能。采用小梁三点弯曲试验分析温度对上述3种材料弯曲强度、最大弯曲应变、弯曲劲度模量和断裂应变能密度的影响，为新材料的工程应用提供技术参考依据。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验所用环氧粘结剂为DH－IV环氧胶黏剂，由武汉兴正源路桥复合材料有限公司生产，是一种无溶剂、100%固含、低模量双组分复合材料粘结剂，所用抗磨集料为玄武岩细集料，粒径在2.36～4.75mm之间。一般地，环氧薄层抗滑材料采用两层铺筑：第一层环氧胶黏剂的涂胶用量为1.0L/m2，玄武岩细集料播洒用量为5.4kg/m2；第二层环氧胶黏剂的用量为2.0L/m2，玄武岩细集料用量为7.6kg/m2。为了满足小梁三点弯曲试件的厚度要求，试验采用多层铺筑方式，即重复前述第二层的制备工艺，先制成面板后再切割成所需要的小梁试件。

SMA改性沥青混合料试验采用湖北国通道诚PG76－22改性沥青，其性能应能符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的技术要求，按美国SUPERPAVE沥青分级可达到PG76－22技术要求。老化前沥青针入度为53，软化点80℃，5℃延度为38cm。沥青老化后针入度为36，弹性恢复为95%。试验所用粗集料为1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）和3＃料（2.36～4.75mm）三档碎石，其来源是江苏镇江茅迪机砸玄武岩碎石，石屑采用武穴鑫鑫伟业石料厂生产的0～2.36mm碎石，矿粉采用鄂州四达物资有限公司生产的石灰岩矿粉。试验采用的SMA－13沥青混合料，其级配设计依据JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中SMA－13级配中值进行。最佳油石比为5.8%，纤维掺量为0.2%，马歇尔击实试件的空隙率为3.8%。按最佳油石比设计的SMA－13沥青混合料的各项体积指标及路用性能指标满足相关技术要求。

所用环氧沥青由美国Chem Cosystem公司生产，集料选用江苏镇江茅迪实业有限公司生产的玄武岩集料。合成级配在关键筛孔13.2mm，9.5mm，4.75mm，2.36mm，0.6mm和0.075mm的通过率分别为100%，97.3%，74.2%，61.3%，35.8%和10.9%。环氧沥青混合料按马歇尔击实成型试件，油石比变化范围为6%～7%，双面各击实75次，成型后的试件在120℃烘箱内固化4h后测定其体积参数。以2.2%为目标空隙率，综合其它性能确定最佳油石比为6.9%，聚酯纤维掺量为0.2%。

1.2 方法

该次试验采用JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0715—1993沥青混合料弯曲试验方法来评价上述3种材料弯曲破坏的力学性质。试验采用标准小梁三点弯曲试验来进行，小梁尺寸为长250mm×宽30mm×高35mm，跨径为200mm。SMA沥青混合料和环氧沥青混合料均按轮碾法成型成一个长300mm×宽300mm×高50mm的面板试样，再切制成试验所需的棱柱体小梁试件。环氧薄层铺装材料则按前述的多层铺筑方式制备面板试样后再切割。

该试验采用UTM－25伺服液压系统进行小梁三点弯曲试验，按位移控制模式加载，加载速率为50mm/min。试件所受载荷由荷重传感器测量，试验垂直变形由压头位移进行计算。为了较全面了解不同材料弯曲破坏的力学性质，考虑了材料在实际服役时所受到的温度范围，试验温度共设计5个点，分别为－10℃，0℃，10℃，25℃和60℃。采用平行试验，温度由UTM－25伺服液压系统保温箱进行控温，试验前小梁在设定温度条件下在保温箱保温达到4h以上。由于荷载－跨中位移曲线在试验初始阶段出现明显的弧形位移变化，表明试验还未达到稳定状态，因此位移的实际原点将按试验规程要求进行修正。

通过小梁三点弯曲试验加载过程中所能承受的荷载最大值以及轴向位移，试件的弯拉强度、弯拉应变、弯曲劲度模量以及断裂应变能可按下式计算。

式中，σB为试件破坏时的弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时的弯拉应变；SB为试件破坏时的弯曲劲度模量，MPa；W为应变能密度，由应力－应变所围成的面积确定，106J/m3；PB为试件破坏时的最大荷载，N；dB为试件破坏时的跨中实际挠度，mm；L为小梁试件的跨度，取200mm；b为小梁试件的宽度，mm；h为小梁试件的高度，mm。

2 结果与讨论

图1为环氧薄层铺装材料在不同温度下的弯拉应力－应变曲线。如图1所示，环氧薄层铺装材料在常温或高温时表现为延性破坏形式，即以大的应变的流值形式破坏。当随着温度下降到10℃附近时，环氧铺装材料的应力－应变曲线仍呈一定曲线性，表明材料发生了脆性－延性破坏。当温度低于0℃时，应力－应变曲线基本以线性方式发展直至破坏性，表明脆性破坏趋势较明显。

由于SMA沥青混凝土在高温时软化，60℃时的小梁三点弯曲试验因试验前的高温蠕变破坏而未能顺利进行。图2中SMA沥青混凝土在常温时是以大的应变的流值形式破坏，10℃时应力－应变曲线呈抛物线，而温度低于0℃应力－应变曲线的线性增强，脆性破坏趋势增大。

如图3所示，环氧沥青混凝土在不同温度下的破坏模式与SMA沥青混凝土相似。在常温或高温时表现为延性破坏，而在10℃附近时其应力－应变曲线仍呈曲线性，表明脆性－延性破坏起主导作用，低于10℃后应力－应变曲线明显呈线性变化，脆性破坏趋势逐渐增强。

图2为上述弯曲强度模型对3种材料试验结果的拟合效果，表1列出了弯曲强度模型参数拟合结果。必须说明的是，图中图标如方框，棱形和三角形为试验数据，而虚线为模型对试验数据的拟合结果。由图2所示，模型拟合虚线与试验数据很好的重合在一起。表1所列的回归相关系数表明所给的弯曲强度模型很好的拟合所得试验数据，相关系数均大于0.90，模拟值与试验值的绝对误差最大的为7.0%，最小仅为0.7%。

表1为不同材料在不同温度下的小梁三点弯曲试验结果平均值汇总。3种材料的弯曲强度大小顺序为：环氧沥青混凝土、环氧铺装材料和SMA沥青混凝土。SMA沥青混凝土的弯曲强度对温度最为敏感，温度从0℃上升到25℃时弯曲强度下降最显著，环氧沥青混凝土和环氧铺装材料的强度随温度的变化规律基本相同。在高温60℃时，与SMA沥青混凝土相比，环氧沥青混凝土和环氧铺装材料仍具与足够高的强度，可表现出比SMA沥青混合料更好的高温稳定性。

表1 不同材料在不同温度下的小梁三点弯曲试验结果平均值汇总

不同温度下环氧铺装材料、环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土弯曲劲度模量对比分析表明环氧沥青混凝土的弯曲劲度模量最大，环氧铺装材料的弯曲劲度模量次之，而SMA沥青混凝土的弯曲劲度模量最小。与强度相似，在这3种材料中，SMA沥青混凝土的弯曲劲度模量对温度最为敏感，温度从0℃上升到25℃时弯曲劲度模量下降趋势大于环氧沥青混凝土和环氧铺装材料的弯曲劲度模量随温度的变化趋势。上述分析结果表明环氧铺装材料的劲度模量介于环氧沥青混凝土与SMA沥青混凝土之间，可适用于道路铺装层。

不同温度下3种材料的最大弯曲应变对比分析表明环氧铺装材料的最大弯曲应变最大，而SMA沥青混凝土的最大弯曲应变最小，环氧沥青混凝土的最大弯曲应变介于上述两者之间。至于－10℃低温弯曲应变大小为：环氧铺装材料4 219μm/m，环氧沥青混凝土2 543μm/m和SMA沥青混凝土3 202μm/m。由于－10℃低温弯曲应变大小反映了材料抗温缩开裂和应变控制模式下的疲劳性能，因此可知环氧铺装材料抗温缩开裂和疲劳性能优于环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土。

3种材料的断裂应变能密度随温度的变化规律略为复杂，其并非单调增加或减小。温度－断裂应变能密度变化规律中呈现出一个峰值，每种材料峰值对应的温度并不相同，如SMA沥青混凝土的峰值在10℃，而环氧沥青混凝土和环氧铺装材料的峰值在较高的温度，如20℃。由于断裂应变能密度的大小与材料抗裂纹扩展的性能相关，表明环氧铺装材料和环氧沥青混凝土在常温至高温区的抗裂纹扩展能力优于SMA沥青混凝土。SMA沥青混凝土在10℃附近的抗裂纹扩展能力最佳。与环氧沥青混凝土相比，环氧铺装材料在各温度范围内均优于环氧铺装材料。在－10℃时，环氧铺装材料、环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土断裂应变能密度分别为5.01×104J/m3，4.12×104J/m3和4.00×104J/m3，表明环氧铺装材料低温抗裂性优于其它两种材料。

3 结 论

a.试验结果表明环氧铺装材料的各项力学性能呈温度依赖性。与环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土相比，环氧铺装材料的温度敏感性与环氧沥青较为相似，但小于SMA沥青混凝土的温度敏感性。

b.环氧铺装材料、环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土在不同温度下的破坏模式相类似。在常温和高温段呈延性破坏，在10℃附近则呈延性－脆性破坏，而低于0℃后脆性破坏趋势逐渐增强。

c.不同温度下，环氧铺装材料、环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土3种材料的弯曲强度从大到小顺序为：环氧沥青混凝土、环氧铺装材料和SMA沥青混凝土。在高温60℃时，环氧沥青混凝土和环氧铺装材料仍具与足够高的强度，表现出比SMA沥青混合料更好的高温性能。

d.在不同的温度下，环氧铺装材料的劲度模量介于环氧沥青混凝土与SMA沥青混凝土之间，表明其适用于道路铺装材料。

e.在不同的温度下，环氧铺装材料的最大弯曲应变均大于SMA沥青混凝土和环氧沥青混凝土。－10℃低温弯曲应变大于4 000μm/m，表明环氧铺装材料抗温缩开裂性能良好。

f.环氧铺装材料和环氧沥青混凝土均在常温区出现断裂应变能密度的峰值，SMA沥青混凝土出现峰值对应的温度为10℃。在低温－10℃时，环氧铺装材料的断裂应变能密度均大于环氧沥青混凝土和SMA沥青混凝土，表现出较好的抗裂纹扩展性能。

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