聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系性能研究

刘 攀，罗婷倚，李 璐，郝增恒，3，盛兴跃，刘誉贵

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 401336；2.广西交通科学研究院， 南宁 530007；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

环氧沥青由于其优异的物理力学性能[1-6]，被广泛应用于国内多座大跨径钢箱梁桥面铺装。然而，普通的环氧沥青固化后脆性高，导致延展性能较差，难以满足钢桥面铺装层对混合料性能的要求。聚氨酯-环氧沥青既有环氧树脂的高强度，又有聚氨酯的优良柔韧性和耐老化性能，具有从根本上改善环氧沥青脆性大、韧性差和耐久性差的优点[7-9]，将其应用于钢桥面铺装工程，不仅能为桥梁提供行驶性能良好的桥面，还能保证桥梁结构的耐久性。

经过多年发展，“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土+高弹改性沥青SMA”已成为国内比较成熟的钢桥面铺装结构[10-12]。但从实体工程来看，环氧沥青混凝土的防水效果和浇注式沥青混凝土的高温稳定性还有待提高。已有研究和实践证明[13]，环氧沥青混凝土与浇注式沥青混凝土进行优化组合，在大跨径钢桥及高温重载环境下具有明显的技术优势。

笔者所在项目组开发出一种新型的聚氨酯-环氧沥青混凝土，并结合钢桥面铺装体系结构特性，形成独立的或与浇注式沥青混凝土相匹配的铺装方案，可供完善钢桥面铺装体系参考。

1 试验材料

1.1 聚氨酯-环氧沥青混凝土制备

将聚氨酯改性环氧树脂与基质沥青分别在60 ℃和135 ℃的温度下加热，通过机械搅拌的方式将其混合，其中沥青和树脂的重量比为6∶4，搅拌均匀后，按比例加入复配高温固化剂，制得聚氨酯-环氧沥青。集料选用干净、坚硬、耐磨的玄武岩，其性能指标均满足相关规范的要求。采用环氧专用级配EA-10，最佳油石比6.6%，拌和温度180 ℃，制得聚氨酯-环氧沥青混凝土，60 ℃养护4 d后即可进行相应的性能试验。

1.2 铺装结构防水体系选择

根据对国内钢桥面铺装病害调查分析和实体工程的实践经验，结合钢桥面铺装的使用要求，总结防水粘结层应具有如下性能[10]：1) 良好的层间结合力和变形能力；2) 良好的高温稳定性和低温抗裂性；3) 良好的耐久性；4) 良好的水稳性、抗化学腐蚀能力和防水能力；5) 施工操作简便、易于控制。本文拟采用MMA甲基丙烯酸树脂防水体系(TOPEVER)、ChemCo环氧粘结剂及自制二阶反应环氧粘结剂，进行相应的性能试验。

1.3 铺装结构试件成型

2 聚氨酯-环氧沥青混凝土路用性能试验

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》评价聚氨酯-环氧沥青混凝土的路用性能，并与进口材料作对比，试验结果如表1所示。

由表1可知，聚氨酯-环氧沥青混凝土具有比ChemCo环氧混凝土和TAF环氧沥青混凝土更加优异的低温抗裂性、水稳定性及抗疲劳性能，其综合路用性能完全能满足钢桥面铺装对环氧沥青类材料的要求。

表1 环氧沥青混凝土路用性能试验结果Table 1 Test results of pavement performance of epoxy asphalt concrete

3 聚氨酯-环氧沥青混凝土的铺装体系研究

钢桥面铺装整体结构所表现出的性能往往与单一材料的性能不一致，不同类型的组合结构所表现出的整体性能也存在较大差别，铺装整体结构性能与其实际使用性能具有良好的相关性[11]。拟定3种铺装结构，进行界面粘结性能试验、车辙试验和疲劳性能试验。

铺装结构一：TOPEVER+浇注式沥青混凝土GA-10+聚氨酯-环氧沥青混凝土REA-10；铺装结构二：自制二阶反应环氧防水粘结剂+浇注式沥青混凝土GA-10+聚氨酯-环氧沥青混凝土REA-10；铺装结构三：自制二阶反应环氧防水粘结剂+双层聚氨酯-环氧沥青混凝土REA-10。

3.1 防水粘结材料与铺装体系的适应性研究

钢桥面铺装层结构的界面结合强度试验直接反映铺装体系整体的抗剪强度和铺装层抗推移(滑移)能力[14-15]，考察防水粘结材料与钢桥面铺装层结构间的结合强度。

3.1.1 与聚氨酯-环氧沥青混凝土的结合强度试验

分别测试3种防水粘结材料在25 ℃和60 ℃下与聚氨酯-环氧沥青混凝土间的拉拔强度和剪切强度，试验结果如表2所示。

从表2可以看出，在25 ℃和60 ℃下，3种防水粘结材料与聚氨酯-环氧沥青混凝土的拉拔强度由大到小的顺序均为：自制二阶反应环氧粘结剂>ChemCo环氧粘结剂>TOPEVER，剪切强度也呈同样的规律。环氧树脂防水体系与聚氨酯-环氧沥青混凝土间的结合强度高于甲基丙烯酸树脂防水体系，且自制二阶反应环氧粘结剂的粘结效果最优。

3.1.2 与浇注式沥青混凝土的结合强度试验

分别测试3种防水粘结层材料在25 ℃和60 ℃下与浇注式沥青混凝土间的拉拔强度和剪切强度，试验结果如表3所示。

表2 防水粘结材料与聚氨酯-环氧沥青混凝土结合强度试验结果Table 2 Test results of bonding strength of waterproof-binder materials and polyurethane epoxy asphalt concrete

表3 防水粘结材料与浇注式沥青混凝土结合强度试验结果Table 3 Test results of bonding strength and waterproof-binder materials and gussasphalt asphalt concrete

从表3可以看出，3种防水粘结材料与浇注式沥青混凝土的拉拔强度和剪切强度也是以自制二阶反应环氧粘结剂最优，而TOPEVER粘结效果最差。

表3中3种防水粘结剂均属于反应型材料，其中自制二阶反应环氧粘结剂属于环氧树脂类材料，具有十分优异的粘结性能，因此与聚氨酯-环氧沥青混凝土和浇注式沥青混凝土都具有良好的结合强度。ChemCo环氧粘结剂属于环氧沥青类材料，由于沥青的缘故导致其粘结性能要差于自制二阶反应环氧粘结剂。TOPEVER更多用于浇注式铺装体系，它不适宜于环氧沥青铺装体系。据上，建议采用自制二阶反应环氧粘结剂作为聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系的防水粘结材料。

3.1.3 铺装结构层间结合强度试验

分别测试25 ℃和60 ℃下铺装组合结构的界面拉拔强度和剪切强度，试验结果如表4所示。

表4 铺装结构层间结合强度试验结果Table 4 Test results of interlayer bonding strength of pavement structures

铺装结构一和铺装结构二的铺装材料相同，而防水粘结材料不同，从表4可以看出铺装结构二具有更优的层间粘结性能和抗剪性能，这也再次说明，自制二阶反应环氧防水粘结剂更宜作为聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系的防水粘结材料；铺装结构二和铺装结构三防水粘结材料相同，下面层铺装材料不同，从表4可以看出铺装结构三具有更优的层间粘结性能和抗剪性能，这是由于自制二阶反应环氧防水粘结剂与聚氨酯-环氧沥青混凝土具有更高的结合强度。这也验证了前面该粘结剂研究结果的一致性。

3.2 铺装结构高温稳定性试验

为模拟钢桥面铺装重载的情况，成型组合结构车辙试件，每层混合料厚度为35 mm，试验温度70 ℃，1.0 MPa重载进行车辙试验，试验结果如表5和图1所示。

表5 铺装结构车辙试验结果Table 5 Rutting test results of pavement structures

图1 铺装结构车辙深度试验结果Fig.1 Test results of rutting depth of pavement structures

从表5可以看出，3种铺装结构在70 ℃下的车辙动稳定度均大于10 000次/mm，具有十分优异的组合结构高温稳定性。其中双层聚氨酯-环氧沥青混凝土的70 ℃动稳定度达到30 000次/mm，相对铺装结构一浇注式沥青混凝土+聚氨酯-环氧沥青混凝土组合结构高温稳定性更优。聚氨酯-环氧沥青混凝土是一种热固性材料，高温性能十分突出。尽管浇注式沥青混凝土高温性能较差，但上面层的聚氨酯-环氧沥青混凝土限制了其变形，使该组合结构表现出优良的高温性能。

3.3 铺装结构疲劳耐久性试验

进行铺装结构的五点弯曲疲劳试验[16]，采用正弦函数加载，加载频率10 Hz，试验温度20 ℃，试验过程中每隔30 min检查结构层出现的裂缝、铺装层与试验板的分离情况或其他损坏。当裂缝长度达到试件总周长的一半时，认为试件彻底破坏。同步评价铺装结构二(TAF环氧沥青混凝土JEA-10)的疲劳耐久性，试验结果如图2和表6所示。

图2 铺装结构二疲劳试验的循环次数-位移曲线Fig.2 Cyclic frequency-displacement curve of fatigue test of type-two pavement structure

从表6可以看出，聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装结构的疲劳耐久性非常突出，疲劳寿命均超过150万次，其中铺装结构二稍优于铺装结构一和铺装结构三。从表6还可以看出，聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装结构具有比TAF环氧沥青混凝土铺装结构(102.5万次)优异得多的疲劳耐久性。这是由于聚氨酯-环氧沥青具有聚氨酯的优良柔韧性，从根本上改善了环氧沥青脆性大、韧性差和耐久性差的缺点，显著提高混凝土的疲劳耐久性，因此其铺装结构表现出更为优良的疲劳性能。

表6 铺装结构疲劳耐久性试验结果 万次

4 结论

本文对聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系进行了系统性研究，主要取得如下结论：

1) 对比了聚氨酯-环氧沥青混凝土、ChemCo环氧沥青混凝土和TAF环氧沥青混凝土的路用性能，发现聚氨酯-环氧沥青混凝土具有更加优异的低温抗裂性和疲劳耐久性。

2) 考察了3种防水粘结材料与聚氨酯-环氧沥青混凝土及浇注式沥青混凝土的结合强度，其中自制二阶反应环氧粘结剂的粘结效果最佳，ChemCo环氧粘结剂次之，TOPEVER最差，表明自制二阶反应环氧粘结剂宜作为聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装体系的防水粘结材料。

3) 进行了聚氨酯-环氧沥青混凝土铺装组合结构的路用性能试验，3种铺装结构均具有优异的层间粘结性能、抗剪切性能、高温稳定性和疲劳性能，且聚氨酯-环氧沥青混凝土具有比TAF环氧沥青混凝土优异得多的组合结构疲劳性能。聚氨酯-环氧沥青混凝土钢桥面铺装体系在大跨径钢桥及高温重载下具有技术优势，值得推广应用。