桥面铺装用轻型环氧沥青混凝土开发与试验研究

李淋玉

(重庆水利电力职业技术学院， 重庆 402160)



桥面铺装用轻型环氧沥青混凝土开发与试验研究

李淋玉

(重庆水利电力职业技术学院， 重庆 402160)

通过采用轻型集料部分取代环氧沥青混合料中的玄武岩集料开发出了轻型环氧沥青混合料(LEBM)，所开发的混合料可替代玄武岩环氧沥青混合料铺筑于钢桥面。对采用不同形状和比例的轻型集料的9种不同类别的LEBM进行了设计和试验。结果表明，不同集料构成的环氧沥青混合料性能间具有较大的差别，同时有限元分析表明使用轻型集料可以显著减少应力。根据研究的结果推荐采用70%的圆形轻型集料制备的LEBM以减少桥面铺装的自重及提高混合料的抗车辙及抗开裂性能。

轻型集料； 环氧沥青； 桥面铺装； 道路工程

1 概述

长期的研究表明环氧沥青混合料是铺筑于钢桥面的优良材料[1，2]，其在世界范围内被广泛使用。我国常采用玄武岩集料制备环氧沥青混合料，以提高其抗压强度和抗磨耗性能。一些钢桥结构，如活动桁架、吊桥和大跨度桥梁所需的铺装材料不仅需要相关的性能，而且尽可能具有较轻的重量。为解决采用玄武岩所增加的桥面重量，本研究采用轻型集料制备环氧沥青混合料。轻型集料(LWA)为采用废弃物制备的合成材料，用其取代玄武岩集料不仅可以节约成本，而且变废为宝，同时减少了自然石料的开采，具有显著的经济效益和环境效益。

LWA广泛应用于水泥混凝土中[3]。Wycoff[4]首先研究将LWA应用于沥青混合料中，且随后的研究表明将其用于公路路面中具有优良的性能[5]。尽管国内外对轻型集料进行了广泛的研究，然而关于轻型集料用于环氧沥青混合料作为桥面铺装的材料鲜有报道。本文给出了采用轻型集料所开发的轻型环氧沥青混合料(LEBM)应用于国内某开启式桥梁(见图1)的试验结果。通过采用LWA取代环氧混合料中的玄武岩集料开发出性能优良的LEBM。比选出合适的轻型集料，根据形状将LWA分为碎石型(GLWA)和圆形(RLWA)。使用马歇尔试验设计了采用不同形状和比例LWA的9种不同类别LEBM。采用间接拉伸强度试验、车辙试验和冻融劈裂试验对LEBM进行试验，同时使用ABAQUS建立铺装后开启式桥梁3D有限元模型研究混合料承受的应力状况，说明采用LEBM铺装材料对减少桥面应力的效果。

图1 国内某开启式桥梁Figure 1 The TianJin Bascule Bridge

2 材料

环氧沥青由沥青结合料与环氧树脂混合而成，然后将其与一定级配的集料混合。本研究采用的环氧沥青为国内常用的一种环氧沥青。其包含2种组分: 组分A为采用固化剂的沥青材料，组分B为环氧树脂。将组分A与组分B以2.9∶1的比例拌合来制备环氧沥青。环氧沥青的特性如表1所示。设计和试验了采用玄武岩和轻型集料制备的环氧沥青混合料。用于钢桥铺装的玄武岩的密度为2920 kg/m3。轻型集料为陶粒，其具有圆形和颗粒(不规则状)2种形状，如图2所示。相比之下玄武岩集料具有较好的棱角性。这些集料满足规范中桥面铺装对集料的要求。表2给出了轻型集料相关的材料特性。RLWA和GLWA分别代表圆形轻型集料和碎石形轻型集料。轻型集料的毛体积密度约是玄武岩密度的30%。LEBM所采用的级配如表3所示。

表1 环氧沥青的特性Tabel1 Propertiesoftheepoxyasphaltbinder特性试验结果技术要求测试方法拉伸强度3.27≥1.25ASTMD638 断裂伸长率/%242≥190ASTMD638 吸水率/%0≤0.3ASTMD4469从0到1Pa.s粘度(120℃,min)110≥50ASTMD4402

(1) RLWA(2) GLWA(3) 玄武岩

表2 集料的特性Tabel.2 PropertiesoftheGLWA,RLWAandbasaltaggregate指标GLWARLWA玄武岩技术要求测试方法密度/(kg·m-3)8208902.920600～900ASTMC127 抗压强度/MPa7.67.313.8 ≥6.5ASTMD7012吸水率/%3.83.61.0 ≤8 ASTMC127 洛杉矶磨耗/%21.218.612.7≤22 ASTMC535 针片状含量/%2.40.33.2≤10 ASTMD4791

表3 LEBMs的级配Tabel3 GradinglimitsandgradationofLEBMs粒径/mm通过率/%范围选定级配粒径/mm通过率/%范围选定级配13.2100100 0.628～4034 9.595～100 97.50.321～3226.54.7565～85 75 0.1514～2318.52.3650～70 60 0.075 7～1410.51.1839～55 47

3 试验

3.1 配比设计

采用马歇尔设计方法设计和制备试样，不同比例的轻型集料(0%,15%,25%,40%和70%)与玄武岩集料混合制备试样。为确保体积相等及满足表3的级配范围，使用的LWA不同百分比是成比例的，考虑到LWA和玄武岩集料的密度，且在0.6～13.2 mm之间的筛孔调整LWA和玄武岩集料的质量。轻型集料本身的级配是相当均匀的，集料的粒径主要在2.36～13.2 mm之间。本文对圆形和碎石形的轻型集料均进行了评估。

所采用的环氧沥青在压实前需在120 ℃下固化50 min。压实后再在120 ℃下固化5 h，然后进行试验。对混合料的固化以确保环氧树脂与结合料之间反应完全，本研究所采用的固化方法是参考前人的研究[9]。试样的马歇尔试验结果如表4所示。GLEBM和RLEBM分别代表采用碎石形和圆形轻型集料制备的环氧沥青混合料。

表4 九组LEBM的马歇尔试验结果Tabel4 TheMarshalltestresultsofthenineLEBMsLEBMOAC/%密度/(kg·m-3)稳定度/kN孔隙率/%流值/(0.1mm)沥青吸收率/%G/RLEBM-06.62.56960.82.547.70.28GLEBM-156.72.33758.72.733.30.60GLEBM-258.12.23662.41.737.30.76GLEBM-408.92.04260.52.535.60.95GLEBM-7011.91.63955.81.724.11.07RLEBM-156.72.47260.82.742.20.46RLEBM-257.72.31660.11.939.10.75RLEBM-408.32.15060.12.440.10.94RLEBM-709.41.80760.52.532.41.03技术要求≥40≤3.020～50

应该指出这些混合料的设计孔隙率比常规的偏低，以确保铺装材料的致密性，从而防止底层钢桥架的生锈。从表4可以看出，随着轻型集料比例的增加，LEBM混合料所需的最佳沥青含量(OAC)也提高。具有较高的OAC是由于LWA的比例越高，混合料越轻且填料的含量较少及混合料具有较高的孔隙率。混合料的马歇尔稳定度和流值并没有显著的差异，且所有这些混合料满足桥面铺装的技术要求。

3.2 拉伸强度试验

钢桥面主要病害之一为混合料的开裂[10]。根据ASTM D6931[11]进行间接拉伸强度(IDT)试验来评估9中LEBM的抗开裂能力。IDT试验结果如图3所示。可以看出: 在不同比例下，碎石形集料与圆形集料相比具有较高的间接抗拉强度，此外所有LEBM均表现出较高的间接抗拉强度。采用常规沥青普通热拌混合料的抗拉强度一般在1 MPa左右。

图3 间接拉伸强度试验结果Figure 3 Indirect tensile test results

3.3 永久变形特性

在60 ℃下采用车辙试验评估LEBM的抗车辙性能。试验结果如图4所示。采用动稳定度(DS)来评价沥青混合料的抗车辙性能。当DS大于3000次/mm时表明沥青混合料具有较佳的抗车辙性能[1]。可以看出: 每个LEBM的DS值高于15000次/mm，且随着轻型集料比例的增加，圆形(RLEBM)和碎石形(GLEBM)轻型环氧沥青混合料的DS都表现出略微增加的趋势。总的来说，LEBM具有良好的抗车辙性能。

图4 车辙试验结果Figure 4 Wheel tracking test results

3.4 水敏感性

根据ASTM D4867[14]采用冻融劈裂试验评价LEBM的水敏感性。采用抗拉强度比(TSR)来表征沥青混合料的水敏感性。通常TSR需要大于80%以确保足够的水稳定性。TSR试验结果如图5所示，由图可以看出: 所有的LEBM的TSR值均大于80%，表明LEBM具有较佳的水稳定性。

图5 冻融劈裂试验结果Figure 5 Freeze-thaw splitting test results

4 数值分析

为研究开启式桥梁的力学响应，采用ABAQUS有限元程序分析了铺装后桥面的三维模型。所分析的桥梁结构如图6所示。钢桥面板，增强板和横隔膜的厚度分别为20，6和16 mm。

有限元模型中，采用壳单元来模拟钢桥，采用固体单元来模拟桥面铺装。采用刚性链接以使壳单元和固体单元同时发生变形。根据文献[13]，铺装材料的杨氏模量和泊松比分别为2000 MPa和0.25。

从图7可以看出: 当开启角为30°时桥面铺装的剪切应力峰值发生在轴部位。图8显示了铺装材料密度对轴上剪应力发展的影响。可以看出，当使用较轻的铺装材料时可使应力显著降低。

图6 桥面结构(单位: mm)Figure 6 The structure of the bascule bridge(Unit: mm)

图7 桥面铺装的剪切应力峰值Figure 7 The peak shear stress of the deck paving

图8 桥面铺装铺面材料密度与剪应力曲线Figure 8 Paving material density-shear stress curves of the deck paving

5 结论

本文研究了轻型集料的配比及掺量对环氧沥青混合料强度、车辙和水敏感性的影响，得出以下结论。

① 当增加混合料中轻型集料的比例，所需的沥青含量也提高。因此有效环氧的体积增加，从而会对这些混合料的强度和稳定性造成显著的影响。

② 增加所采用的轻型集料的比例使混合料的抗开裂和抗车辙性能均得到了提高。无论采用何种类型的轻型集料(圆形或碎石形)，提高轻型集料的比例并不会对环氧沥青混合料的水稳定性造成不良的影响。

③ 采用圆形轻型集料与采用碎石形轻型集料的环氧沥青混合料相比，具有更高的抗拉强度，而混合料的抗车辙性能并没有显著的差异。

④ 采用较高比例的轻型集料可使混合料的密度显著得到降低，总的来说圆形轻型混合料表现出更好的性能。建议混合料中添加70%的圆形轻型集料以使桥面铺装达到最佳的性能。

⑤ 采用本文开发的轻型环氧沥青混合料可有效降低开启式桥梁的自重，同时性能满足技术规范的要求。

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Bridge Deck Pavement with Lightweight Development and Experimental Study on the Epoxy Asphalt Mixture

LI Linyu

(Chongqing Vocational and Technical College of Hydraulic and Electric Engineering, Chongqing 402160, China)

In this paper, by using lightweight aggregate part instead of epoxy asphalt mixture basalt aggregate developed in the light of epoxy asphalt mixture (LEBM), developed by the mixture of alternative basalt epoxy asphalt mixture paving steel bridge deck.To adopt different shape and the proportion of lightweight aggregate of nine different categories of LEBM has carried on the design and test.Results show that different aggregate composition of epoxy asphalt mixture has great difference between performance, at the same time, the finite element analysis shows that the use of lightweight aggregate can significantly reduce stress.According to the research results of 70% is recommended for the preparation of circular light aggregate LEBM to reduce the dead weight of bridge deck pavement and improve the mix of rutting resistance and cracking resistance.

lightweight aggregate; epoxy asphalt; bridge deck pavement; road engineering

2015 — 03 — 19

重庆市科技进步计划项目(201302014)；国家自然科学基金面上项目(201401065);重庆水利电力职业技术学院重点项目(K201617)

李淋玉(1984 — )，女，重庆人，讲师、研究方向：路桥施工技术，建筑材料，工程建设监理。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0036 — 04