水泥混凝土桥面环氧沥青混合料性能研究

李国明 韩明祥 夏争志 张全敏 王向圆 杨拯 沈平 刘磊

摘要：简要回顾环氧沥青的发展历史；提出拌制环氧沥青混合料所需的结合料和集料的技术要求和级配要求；通过评价环氧沥青混合料的温度稳定性、水稳定性、抗疲劳性能和线收缩系数等指标，反应了其优越的综合性能，有助于解决水泥混凝土桥面铺装因材料自身性能不足引起的推移、波浪、车辙、开裂、松散、坑槽等病害。

关键词：水泥混凝土桥面；环氧沥青混合料；综合性能；耐久性

Cement Concrete Bridge Deck Epoxy Asphalt Mixture

Performance Study

LI Guo-min1,HAN Min-xiang1,XIA Zheng-zhi1, ZHANG Quan-min2,

WANG Xiang-yuan2,YANG Cheng1,SHEN Ping1,LIU Lei1

（1. Chongqing Road and Bridge Construction Fucheng FengShi Highway Overall Contracting Units，ChongQing 401147；2. Shanxi Luxiang traffic science and Technology Consulting Co., Ltd.，Taiyuan 030006）

摘要：A brief review of the history of development of epoxy asphalt; request Mixing Epoxy Asphalt Mixture required based on technical requirements for material and aggregate and gradation; By the index of temperature stability, evaluation of epoxy asphalt mixture water stability, fatigue resistance and coefficient of linear contraction, the reaction of the excellent comprehensive performance, help to solve the cement concrete bridge deck pavement because of the lack of material itself arising out of the performance of rutting, cracking, over time, the wave, loose, pits and other diseases.

关键词：Cement concrete bridge deck; Epoxy asphalt mixture; Comprehensive performance; Durability

中图分类号：U444文献标志码：A

1.前言

在20世纪60年代后期，环氧沥青混合料已经开始研究和应用于钢桥面铺装工程，至今已经得到了较为广泛的推广与应用。近年来，环氧沥青混合料在水泥混凝土桥面铺装工程中也做了一些尝试，并取得了良好的效果。

普通沥青及改性沥青均属于热塑性材料，具有高温变软、低温变脆的特性，所形成的沥青混合料亦具有此种特性。环氧沥青属热固性材料，无论在高温还是低温条件下均为稳定的固态形式，因此，环氧沥青混合料也是如此。本文通过环氧沥青与其他热塑性材料综合性能对比研究，得出环氧沥青及混合料的优越性能。

2.原材料

2.1环氧沥青

环氧沥青材料是由多个组分组成，首先，由4~6种组分（其中包含基质沥青）在一定的温度和时间条件下发生化学反应，使原本处于化学稳定状态的基质沥青变为具有一定活性的环氧沥青B组分，再通过与环氧沥青A组分（即环氧树脂）之间发生化学反应，最终形成一种高强度的热固性材料。研究选用TPM-JH-H（结合料）型的环氧沥青材料。技术指标要求见表1。

表1 环氧沥青物理力学指标

技术指标 检测结果 技术要求 试验方法

拉伸断裂强度（23℃，MPa） 1.55 ≥1.0 Q/140000HLX

断裂延伸率（23℃，％） 178.22 ≥150 Q/140000HLX

吸水率（7天，20℃，％） 0.10 ≤0.3 Q/140000HLX

粘度增加至1.0Pa·s的时间（120℃，min) 38 ≥30 T0625-2011

耐热性（300℃） 不熔化 不熔化 Q/140000HLX

耐酸性（2%H2SO4，浸15d） 无异常 无异常 Q/140000HLX

耐碱性（2%NaOH，浸15d） 无异常 无异常 Q/140000HLX

耐盐性（NaCl，浸15d） 无异常 无异常 Q/140000HLX

耐油性（柴油，浸15d） 无异常 无异常 Q/140000HLX

注：Q/140000HLX为某环氧沥青生产单位企业标准。

2.2 集料

环氧沥青混合料对集料的类型和质量要求相对严格，类型主要以玄武岩和石灰岩为主，上面层必须采用玄武岩集料，下面层采用玄武岩和石灰岩均可。

集料的质量技术指标需满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中高速公路表面层对集料的相关技术要求。

3.环氧沥青混合料级配要求

沥青混合料分为三个大类：即骨架空隙类、骨架密实类和悬浮密实类（见图1）。骨架空隙类和骨架密实类的强度形成原理依赖于集料的最紧密排列原则和矿料之间的嵌挤作用，石油沥青和聚合物改性沥青混合料多采用此种结构；而悬浮密实类的强度来源主要是沥青之间的高强粘结作用，环氧沥青是一种热固性的高强度粘结材料，因此，环氧沥青混合料亦采用此种结构。环氧沥青混合料级配范围见表2和图2。

a）b）c）

a-悬浮密实结构，b-骨架空隙结构，c-骨架密实结构

图1 沥青混合料结构组成示意图

表2 环氧沥青混合料级配范围

级配

类型 通过下列筛孔（mm）的百分率（%）

16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

HLH-13-1 100 90-100 68-83 40-58 24-40 17-30 12-23 8-18 6-12 4-8

HLH-13-2 100 90-100 80-90 58-73 42-53 30-40 21-30 13-22 10-17 6-12

注：HLH-13-1适用于上面层， HLH-13-2适用于下面层。

图2环氧沥青混合料矿料级配曲线

4.环氧沥青混合料综合性能

目前，国内应用较为普遍的沥青混合料有密级配沥青混合料（AC类）和聚合物改性沥青混合料（SBS改性）等。环氧沥青混合料综合性能分析通过与传统沥青混合料对比，综合评价各种沥青混合料的温度稳定度性、水稳定性、抗疲劳性等技术指标。

4.1 温度稳定性

（1）高温稳定性分析

高温车辙试验是评价沥青混合料高温稳定性的主要方法。室内在120℃条件下成型养护（养护时间为6h）环氧沥青混合料车辙试件，再与SBS改性沥青混合料车辙试件同时置于60℃和70℃条件下进行车辙对比试验。试验结果见表3。

表3沥青混合料车辙试验结果

混合料类型 试验温度（℃） 动稳定度(次/mm) 总变形（mm） 备注

SBS改性沥青 60 4370 2.55

70 3150 2.83

环氧沥青 60 4050 1.57 未固化

60 45000 0.04 固化后

70 21000 0.70 固化后

从试验结果可以看出：环氧沥青混合料未固化时的动稳定度与SBS改性沥青相当，固化完成后，其动稳定度可达到SBS改性沥青的6倍以上，而变形不足1mm，说明环氧沥青混合料具有极佳的高温稳定性。

（2）低温变形能力

评价沥青混合料的低温变形能力，通常通过混合料弯曲试验进行。评价过程选择环氧沥青、AC改性沥青和SMA三种沥青混合料进行比较。试验结果见表4。

表4 各类沥青混合料弯曲试验结果

混合料名称 试验温度

（℃） 荷载PB

（N） 应变εB

（×10-3） 强度RB

（MPa） 弯曲劲度模量SB（MPa）

环氧沥青 15 1804 4.01 13.90 3225

-10 2686 3.46 21.93 6344

-15 2561 2.60 20.30 7808

AC改性沥青 15 780 10.56 5.95 563

-15 944 1.11 7.20 6486

SMA 15 624 13.25 4.73 355

-15 1161 1.25 8.80 7040

传统沥青混合料随着环境温度的降低，强度和劲度都有明显增大，变形能力却随之降低，这一规律在表4中得到了充分的体现；而环氧沥青混合料属化学反应型热固性材料，分子间化学反应一旦完成，温度降低对其变形能力影响较小，从表4中可以看出，温度从15℃降低至-15℃，环氧沥青混合料应变仅减小35%，而其他沥青混合料应变减小达90%；同时，在-15℃时，AC改性沥青和SMA的低温弯曲应变仅为环氧沥青混合料的一半。由此可以得出：环氧沥青混合料的不仅低温变形能力对温度影响不敏感，而且在低温下，其变形能力较传统沥青混合料亦有较大优势。

4.2 水稳定性

混合料水稳定性评价是沥青混合料的一项重要指标，是避免沥青路面发生水损坏的先决条件。沥青混合料水稳定性常用的评价指标是浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比。

浸水马歇尔残留稳定度试验用试件在120℃下成型并养护（6h以上）马歇尔试件，并根据现行规范要求的试验方法进行检测。冻融劈裂试验为在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环，测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比。试件结果见表5。

表5 各种沥青混合料水稳定性试验结果

混合料类型 残留稳定度（%） 劈裂强度比（%） 备注

AH-70沥青混合料 84.5 83.2

SBS沥青混合料 88.4 90.9

环氧沥青混合料 94.3 93.8

由表5可以看出，各种沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比均满足规范要求，但环氧沥青混合料的各项指标最高，抗水损坏能力最佳。

4.3 抗疲劳性能

混合料的抗疲劳性能是评价桥面铺装层耐久性能的重要指标之一。抗疲劳性能通过在MTS试验仪上进行劈裂疲劳试验进行测试，得出的试验结果如表6所示。

表6 混合料疲劳试验结果（15℃）

试件类型 荷载(kN) 频率(Hz) 加载次数 备注

AC改性沥青 6 8 7344 试件表面出现纵向开裂

SMA 6 8 8079 试件表面出现纵向开裂

环氧沥青 6 8 >30000 试件未破坏

18 5 18133 试件表面出现纵向开裂

由表6可看出：常温下，在相同荷载（6kN）和频率（8Hz）下，改性沥青和SMA试件的平均劈裂疲劳寿命分别只有7344和8079多次，而环氧沥青混合料的劈裂疲劳寿命远远大于它们（加载30000次未破坏）。环氧沥青混合料试件在18kN、5Hz的条件下劈裂疲劳寿命达18133次，可见环氧沥青混合料在超大荷载作用下也具有很高的疲劳寿命。

4.4线收缩系数

桥面铺装层的温度变化幅度和速度远大于路面。如铺装层与底部桥面板混凝土的胀缩系数相差过大，在铺装层内部及铺装层和混凝土界面上分别产生拉应力和层间剪应力。可能导致铺装开裂或层间滑移，因此，研究环氧沥青混合料的线收缩性能是非常必要的。试验结果如表7所示。表中还分别列出了SMA和AC改性沥青混合料在各温度区间内的线收缩系数。

表7各类混合料在各降温区间的线收缩系数（℃-1）

温度范围

混合料类型 5℃~ 0℃ 0℃~ -5℃ -5℃~ -10℃ -10℃~ -15℃ 平均

环氧沥青 2.52×10-5 1.69×10-5 1.46×10-5 1.27×10-5 1.74×10-5

SMA 3.46×10-5 3.48×10-5 2.27×10-5 2.16×10-5 2.84×10-5

AC改性沥青 4.89×10-5 2.789×10-5 3.14×10-5 2.62×10-5 3.36×10-5

在各温度区间内，环氧沥青混合料的线收缩系数都最小。可以看到，在-15℃~ 5℃范围内值在1.3~2.5×10-5（℃-1）内变化。水泥混凝土的线性收缩系数大约为1.0~1.3×10-5（℃-1）。环氧沥青混合料的线收缩系数与水泥混凝土最接近。尤其在低温情况下，两者几乎相等。因此，由温度引起的铺装层和桥面混凝土板之间的剪应力，在采用环氧沥青混合料作为铺装材料时最小。

5 结语

与传统沥青混合料铺装材料相比，环氧沥青混合料的温度稳定性、水稳定性、耐疲劳能力和温变线收缩系数等方面，均具有较好的表现。可解决现有水泥混凝土桥面铺装因材料自身性能不足引起的推移、波浪、车辙、开裂、松散、坑槽等病害，一方面可延长桥面铺装的耐久性和使用寿命，另一方面可减少了维修养护的次数，进而减少了由于维修而带来的交通事故和环境污染，保持了良好的交通运输秩序与和谐的社会环境。

参考文献

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[9]山西华路祥交通科技有限公司.《TPM环氧沥青结合料企业标准》[S]，2007.

项目名称：大跨径连续刚构桥环氧沥青桥面铺装技术研究

申报单位：路桥建设重庆涪-丰-石高速公路总承包部、北京华路祥交通技术有限公司、东南大学