系统论视角下环氧抗滑磨耗层设计研究

王占锋 李晶晶

摘 要：为了设计环氧抗滑磨耗层，引入系统方法论，分析环氧抗滑磨耗层系统构建目的和构建原理，并系统研究环氧抗滑磨耗层系统组成、结构层次和工作环境，基于此，通过分析工作环境、路用性能控制指标、环氧黏结材料配比、性能试验验证和工程应用等五方面，提出基于系统论的环氧抗滑磨耗层设计。

关键词：道路工程;环氧抗滑磨耗层;系统论;设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.080

环氧抗滑磨耗层是由环氧树脂黏结材料和耐磨骨料组成的聚合物薄层铺装系统 [1，2]。环氧磨耗层直接暴露在大气环境中，受到多种荷载和环境综合作用，出现黏结材料颜色变白或变黄、骨料剥落等现象，究其原因是黏结材料与结构层间粘结性能下降，影响整个结构使用性能和耐久性能，其解决之道是设计粘结性能优异的磨耗层结构[2，3]。系统论思想是如何处理好整体、结构和个体之间的关系，从而达到理想的抗滑性能和粘结性能。国内外学者对于系统论及其应用展开了大量的研究，主要集中在食品安全、計算机技术等方面，在混凝土尤其是环氧抗滑磨耗层的研究比较少见。因此，有必要对环氧抗滑磨耗层进行系统研究，提出基于系统论的环氧抗滑磨耗层结构设计，为道路工程的养护工作提供参考依据。

1 环氧抗滑磨耗层设计的系统论方法

1.1 系统论

20世纪20年代初，生物学家贝塔郎菲提出系统论的基本思想，随后系统论以一种全新的科学方法论广泛应用于国际学术界[3]。我国钱学森科学家于1979年开始研究系统论，提出系统科学这一新科学技术体系，在对事物整体宏观把控的基础上，量化研究系统结构与各组成部分之间的关系、功能和工作环境，在自然科学中有着广泛应用。

系统处于特定环境中，由整体、个体、结构和环境四部分构成，研究系统就是研究系统与环境间的关系、系统个体和系统整体的结构关系、系统个体间的关系。应用系统论处理环氧抗滑磨耗层结构的实际问题，使之达到粘结性能和抗滑性能优异的状态，其过程是还原论研究方法和整体论方法的综合。

1.2 环氧抗滑磨耗层系统构建目的

环氧抗滑磨耗层是一个暴露于外界环境的开放式系统，其内容涉及面广、具有多样性能目标，因此，环氧抗滑磨耗层需进行系统设计方可满足性能需求，其设计需确定系统组成、结构层次与外界环境条件，协调好各因素间的相互关系，从而使系统目标最优化。构建的环氧磨耗层系统具有良好的粘结性、抗剥落性、抗滑性和耐久性等功能，每种功能的实现需依赖一定的结构层次，而各结构间通过叠加优化派生出耐久性能，促进系统最大效益的实现。将系统论的指导思想引入环氧抗滑磨耗层系统构建中，可以为其提供一定的方法指导，使其设计具有更强的科学性。

1.3 环氧抗滑磨耗层系统构建原理

系统论的基本原理主要有整体性、开放性、目的性、层次性和最优化等原理，对于环氧抗滑磨耗层这一开放式系统，仅分析其整体性、层次性和最优化原理[2，3]。

1.3.1 整体性

系统论的整体性是指系统是由多个要素组成的有机整体，是系统最根本的特征之一。环氧抗滑磨耗层系统是由环氧树脂黏结材料和抗滑骨料组成，每一组成要素均具有自身的特征，但新形成的磨耗层系统是一个具有一定抗滑性能和耐久性能的功能层。

1.3.2 层次性

系统论的层次性是指组成系统的各个要素之间存在地位和作用上的不同，导致结构和功能上表现出等级秩序性。环氧抗滑磨耗层系统具有垂直结构层次和水平结构层次。

1.3.3 最优化

系统论的最优化原理是指改变系统各个要素的组成方式，从而实现系统整体功能的发挥和效益最大化。环氧抗滑磨耗层系统是调整环氧树脂黏结材料间配比、骨料用量等来实现系统的良好抗滑性能和抗剥落性能。

2 环氧抗滑磨耗层系统构成

进行环氧抗滑磨耗层系统设计需先弄清楚其系统构成、系统结构垂直层次和水平层次、系统的外界工作环境，明确相互关系，设计各组份配比，从而达到系统结构优化，实现耐久性目标。

2.1 环氧抗滑磨耗层系统组成

根据环氧抗滑磨耗层系统构建目的和构建原理，将其系统分为主系统、子系统和从系统三大层次，主系统由环氧抗滑磨耗层组成，子系统由环氧黏结材料和抗滑骨料组成，从系统由环氧树脂、增韧剂、固化剂、稀释剂和水组成[3]。

2.2 环氧抗滑磨耗层系统的结构层次

环氧抗滑磨耗层系统结构由垂直结构和水平结构组成。从水平结构层次来看，抗滑骨料和黏结材料间属于水平关系，环氧树脂与外加剂间也属于水平关系;从垂直结构层次来看，环氧抗滑磨耗层系统结构由主系统、子系统和从系统组成，主系统受环氧黏结材料和抗滑骨料的性能制约，子系统受环氧树脂和外加剂的性能制约。按照环氧抗滑磨耗层的粘结性能来看，环氧树脂这一要素占主导地位。因此，研究环氧抗滑磨耗层系统的综合使用性能，需从主系统向子系统和从系统倒推，逐层次对各子系统和从系统进行性能分析，层层优化。

2.3 环氧抗滑磨耗层系统的工作环境

环氧抗滑磨耗层系统直接暴露在大气环境中，承受着车辆荷载、温度交替变化和湿度变化等因素的综合作用，与自然环境和使用环境发生持续的能量交换，是一个开放式的系统。因此，研究其系统性能需综合考虑自然环境和使用环境的影响。在车辆荷载和大气环境变化的综合作用下，环氧抗滑磨耗层系统表面会出现骨料剥落、抗滑性能减弱，进而出现裂缝、结构性性能衰减乃至破坏。环氧抗滑磨耗层系统的工作环境见图1。

3 基于系统论的环氧抗滑磨耗层设计

系统论方法进行活动设计一般包括辨识环境、确定目标、系统构成与分析、解决办法与确定最终方案等步骤，根据环氧抗滑磨耗层的养护特点及抗滑抗剥落性能要求，提出系统论视角下环氧抗滑磨耗层设计流程，包括辨识环境、确定路用性能指标、黏结材料配比优化、性能试验验证和工程应用等5个方面[3]。

3.1 辨识工作环境

调查需进行预防性养护工程的气象资料、交通量大小、旧路病害状况和旧路承载力、抗滑骨料供应情况和价格，结合路况的适应性分析，确定采用何种养护措施进行旧路处治，方可进行环氧抗滑磨耗层的养护。

3.2 确定路用性能控制指标

根据待养护的道路交通等级，分析工作环境对环氧抗滑磨耗层路用性能的要求，主要包括不同条件下层间粘结性能、磨耗层表面抗滑性能和骨料抗剥落性能，基于性能指标要求，确定环氧黏结材料和抗滑骨料技术指标。

3.3 优化环氧树脂黏结材料配比

依据前述提出的粘结性能、抗滑性能、抗剥落性能等路用性能指标要求，合理选择环氧树脂、固化剂、增韧剂、稀释剂类型，进行复配优化试验研究，确定出合适的复配方案。

3.4 性能试验验证

将初配好的环氧树脂黏结材料均匀涂抹在事先成型的路面板上，再其上铺筑一定用量的抗滑骨料，固化一定时间，通过拉拔和剪切试验测定层间粘结强度，构造深度和DFT附着系数检测测定其抗滑性能，骨料质量损失率测定其抗剥落性能，检查这些性能指标是否满足规范规定的路用性能指标要求。

3.5 工程应用

將各项性能试验均满足要求的复配设计方案应用于实际道路养护工程，长期观察和检测试验效果，同时可进行全寿命周期内的经济效益分析，评价养护方案。

4 结论

环氧抗滑磨耗层系统是一个开放式的复杂系统，结合系统方法论，明确环氧抗滑磨耗层系统是由主系统、子系统和从系统组成，分析其垂直结构层次和水平结构层次，以及系统与自然环境和使用环境间的能量交换。提出从辨识工作环境入手，充分考虑工程所在地现有交通状况和自然环境条件，以粘结性能、抗滑性能和抗剥落性能作为路用性能控制指标，确定环氧黏结材料配比，并进行性能验证和工程应用的系统设计。

参考文献：

[1]方星，王兴昌，磨炼同.薄层环氧抗滑铺装材料加速加载试验研究[J].公路，2010，10（10）：214-219.

[2]赵锋军，李宇峙.钢桥面薄层环氧树脂混凝土铺装材料路用性能试验研究[J].公路，2010，2（02）：74-78.

[3]李晶晶.水泥路面环氧抗滑磨耗层材料与结构特性研究[D].西安：长安大学，2018.