环氧沥青混凝土的路用性能研究

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400000)

一、介绍

环氧沥青混凝土被认为是一种具有优异的强度性能、高温稳定性和良好的抗疲劳性的钢桥面铺装材料。南京长江二桥是环氧沥青混凝土引进中国的第一次重要应用。之后用于几座大跨度钢桥，包括斜拉桥和悬索桥。此外，环氧沥青也已应用于武汉天兴洲长江大桥等公路与铁路桥梁中。

长期以来，国内外对环氧沥青混凝土的路用性能进行了大量的室内试验研究。就强度性能而言，东南大学发现环氧沥青混凝土养护后马歇尔稳定度可达50 kN以上，相比普通沥青混凝土要高10～15kN。在对武汉阳罗长江大桥路面研究时发现，在汉堡车辙轨试验中环氧沥青混凝土的动稳定度在80°C下达到20000次以上。相比之下，常规沥青混凝土的动稳定度一般小于6000个循环。环氧沥青混凝土的临界低温为-28.4°C，满足大跨度钢桥混凝土的最低设计温度(-15°C)。在东南大学桥面铺装研究小组开发的复合结构疲劳试验模型中，环氧沥青混凝土在5kN荷载下(相当于钢桥面上140 kN轴载)1200万次循环后，仍不出现疲劳裂缝。此外，东南大学还得出结论环氧树脂沥青混凝土的疲劳性能与传统的沥青混凝土相比要好得多。

环氧沥青混合料或沥青混合料的力学性能虽然已被广泛研究，但对驾驶体验影响较大的表面特性还不清楚。因此，本研究的目的是评价环氧沥青混凝土的表面特性，包括抗渗性、抗滑性和表面微观纹理。

二、材料准备

(一)环氧沥青粘结剂

以环氧树脂、基质沥青和固化剂为原料，在一定的条件下，以适量的掺量配制成环氧沥青粘结剂。

(二)骨料级配

采用优质耐磨玄武岩(6种不同粒径的骨料)和石灰石填料配制环氧沥青混凝土。

(三)沥青含量

采用马歇尔设计方法，在121°C温度下进行4h养护后，对标准马歇尔试样进行测试确定了最佳沥青用量。结果表明，最佳掺量比为6.5∶100。最佳空隙率为2.0%。

三、实验装置

(一)渗透性

作为钢桥面铺装材料，渗透性应尽可能低，以防止水侵入使得钢桥面受到侵蚀。本试验用旋转压路机制作100mm和80mm高度的圆柱试件。为了保证试样的饱和，试样在70 kPa的真空压力下浸泡20 min以上。然后样本被放进渗透仪测试渗透率。样品初始水压力为70cm，记录初始时间，再测量实验中水通过试样自由流动到达一定位置的时间。计算渗透系数。

(二)表面纹理

表面纹理与汽车的防滑性密切相关，对行车安全至关重要。表面纹理也影响交通噪声。近几年来，激光扫描仪在路面结构分析中得到了广泛的应用。本研究采用激光纹理扫描器对电致发光材料的表面特性进行了研究。

(三)抗滑性

1.摆式摩擦系数测试

抗滑性能对大跨度钢桥的行车安全也有重要的影响。采用英国摆摩擦试验机对环氧沥青混凝土的摩擦系数进行了测试。板状试件的尺寸为502×167×76毫米。

2.动摩擦系数

采用动态摩擦试验机对不同车速下环氧沥青混凝土动态摩擦系数进行测试。采用钢轮压路机成形，尺寸同上。

(四)水稳性

松散和剥落是常见的路面病害，会导致路面表面出现孔洞或散落，可能带来行车安全问题。其主要原因是沥青-集料粘结强度低，水分敏感性高。本文通过肯塔堡飞散试验和汉堡车辙试验评价抗水损害性能。

1.肯塔堡飞散试验

飞散试验评价沥青与集料之间的粘结强度。测试过程如下：首先制作标准马歇尔试样，将试件在20°C下浸泡20h。擦干后，测得重量为M0。然后将它以每分钟30转的速度旋转10分钟。样品重量再次测量为M1。质量磨损率由下列方程决定，磨损率越高，耐磨性越低。

Ar=(M0-M1)/ M0

其中Ar=磨损率；

M0=原重量；

M1=磨损后的重量；

2.汉堡车辙试验

采用汉堡试验对沥青混凝土在高温条件下的稳定性进行了评价。得到了车辙深度和动稳定度数据表明环氧沥青混凝土在试验和工程实践中具有良好的温度稳定性。

四、结果和讨论

(一)渗透性

结果表明，环氧沥青混凝土的渗透系数为7.7×10-5毫米/秒，这意味着环氧沥青混凝土的渗透性很低。这主要是由于环氧沥青混凝土采用了密实级配，空隙率极低。所以环氧沥青混凝土被广泛用作钢桥面铺装材料。低渗层对防止水病害是非常有帮助的，可以起到固定和保护钢板的作用。

(二)表面纹理

经观察研究环氧沥青平均剖面深度为0.305mm，纹理深度为0.432mm。其剖面深度比传统的沥青路面低得多，普通沥青路面很容易超过1mm，开级配摩擦路面的剖面深度可能大于3mm。这可以归因于与传统沥青混合料相比，集料粒径小，空隙率低且是密集级配的。

(三)抗滑性

1.摆摩擦试验

六个重复的英国钟摆摩擦试验结果总体上显示了良好的重复性，摆数在78到85之间，平均数值83.6。此值与常规沥青混凝土相近。在钢桥面铺装设计中，摆摩擦数一般应大于45，以满足驾驶的要求。因此，环氧沥青混凝土的摆锤摩擦系数符合路面设计的抗滑性要求。

2.动态摩擦系数

图1示出了在不同车辆速度下测试的三个样本的动态摩擦系数。横坐标为车速(km/h)纵坐标为摩擦系数。结果表明，三次结果非常接近，特别是在测试速度较高时。而且随着车速的提高，摩擦系数减小。当车速小于80km/h时，摩擦系数先较快减小后缓慢下降。当速度大于80km/h时存在一个拐点。这意味着当车速高于某一数值时，摩擦系数迅速降低。因此，建议在环氧沥青路面上行驶时，车速应控制在一定水平(80km/h左右)。由于环氧沥青混凝土在大跨度钢桥上的高速抗滑损失可能比普通公路更严重，所以限速是非常必要的。

图1 三次动态摩擦试验结果

(四)松散试验

1.肯塔堡飞散试验

3次肯塔堡重复试验表明环氧沥青混凝土的测试具有良好的可重复性。三次的平均磨损率为12.5%，标准差仅为0.61%。而常规密实级配沥青混合料的平均磨损率为18.2%。这说明环氧沥青混合料比普通沥青混合料具有更好的抗剥离性能。环氧沥青混凝土的拉伸强度和疲劳性能远高于普通沥青混凝土，其表面结构也可能有助于提高抗剥落性能。

2.汉堡车辙试验

根据在60°C下测试的环氧沥青混凝土样品的汉堡试验结果，在轮迹加载下有轻微的车辙深度，但在轨道的两边上无凸起。在典型的沥青混合料的汉堡试验中，车辙深度通常与轨道两侧的凸起相关，原因是沥青粒子是在车轮加载下被推到两侧。这表明，环氧沥青颗粒变形是轻微的，并没有发生典型的车辙。实验表明了两次加载20000次后的平均车辙深度为9.8mm。值得注意的是试验温度为60°C，比常规沥青混合料的车辙深度高得多，甚至高于聚合物改性沥青混凝土。此外，实验中没有发现明显屈服点。

以上实验均表明环氧沥青混凝土具有优良的抗剥落性能。环氧沥青混凝土在钢桥面铺装中的应用维修费用通常比普通路面昂贵。高抗剥落性能可以延长环氧沥青路面的使用寿命，特别是在降雨量大的地区。

五、结论

此次通过研究环氧沥青混凝土的表面特性，并对其渗透性、抗滑性、抗剥落性和表面织构进行评价。根据测试结果，我们可以得出以下结论：

(1)抗渗性试验表明，环氧沥青混凝土的渗透系数很低，这是防止水侵入的要求，使钢桥面受到保护。

(2)激光扫描试验表明，环氧沥青混凝土的剖面深度远低于普通沥青混凝土，其主要原因是集料粒径小、掺量低。

(3)从试验中观察到了环氧沥青混凝土良好的抗滑性能。同时，动态摩擦系数试验表明，当车速超过一定水平时，环氧沥青混凝土的摩擦系数迅速下降。说明在一定的水平下控制车辆行驶速度是必要的。

(4)试验表明，与常规沥青混凝土相比，环氧沥青混凝土具有优异的抗剥离性能。