复掺纤维环氧沥青混凝土的路用性能研究

2020-10-27肖青战

合成材料老化与应用 2020年5期

肖青战 , 张超

（陕西工业职业技术学院土木工程学院，陕西咸阳 712000）

环氧沥青混合料最早应用在美国的San Mateo－Hayward大桥中，在该大桥中用作桥面铺装材料，自此之后，环氧沥青混凝土由于其强度高、应用耐久等优点备受关注，并且在加拿大、澳大利亚等国家得到了大量的应用[1-3]。我国的南京长江二桥修建时应用规模也较大，应用效果达到了预期，但是随着应用的普及发现环氧沥青混凝土在应用中存在固化后较脆、易开裂等问题[4-5]。目前大多数研究侧重于环氧沥青混合料的抗裂性，钱振东等[6]研究表明将橡胶粉掺加在环氧沥青混合料中可以提高环氧沥青混合料的低温变形能力和抗裂性能。汪林等研究结果表明[7]，在环氧沥青混合料中掺入纤维可以提高混合料的抗疲劳性能和抗裂性能。

本文对不同复掺纤维掺量（1%、2%、3%、4%）的改性环氧沥青进行了黏度试验和BBR试验，并对其混合料进行了低温弯曲试验和三分点加载疲劳试验，推荐了改性环氧沥青混合料的最佳复掺纤维掺量，以期为复掺纤维改性环氧沥青混合料应用于路面工程提供技术支撑。

1 试验材料及方法选择

1.1 环氧沥青及矿料

采用某公司生产的国产环氧沥青，环氧沥青包含组分A环氧树脂、组分B石油沥青及固化剂生成的均匀的匀质合成物，矿料要求干燥、不含风化颗粒，本研究中的矿料选择玄武岩，并且根据相关的技术要求进行检验，各项指标全部符合要求。混合料的矿料级配件见表1，采用马歇尔试验确定油石比6.5%。

表1 矿料级配Table 1 Mineral aggregate gradation

1.2 纤维

纤维具有桥接和加筋的作用，并且还可以适应环氧沥青混凝土在应用中的变形特性。聚酯纤维一般应用在混凝土面层路石的修补中，可以改善环氧沥青混凝土的柔韧性能，本研究中选择的纤维为聚酯纤维和聚丙烯纤维，两种纤维的技术参数见表2。

表2 两种纤维的技术参数Table 2 Technical parameters of two kinds of fibers

1.3 配合比及试件制作

纤维复掺环氧沥青混凝土中，聚酯纤维和聚丙烯纤维两种纤维的体积总掺率为1%、2%、3%、4%，两种纤维体积掺率比为1∶1，具体配合比见表3。

表3 试验用配合比%Table 3 Test mix proportion%

在预热好的搅拌锅中倒入称重好的粗集料和细集料，聚酯纤维和聚丙烯纤维根据掺入比例加入，加入之后干拌60s，使其混合均匀；再加入一定质量的环氧沥青进行拌合，拌合时间为90s使其充分混合均匀；最后根据掺入比例加入称重好的矿粉，拌合90s之后获得纤维环氧沥青混凝土，整个拌合过程为恒温控制，控制温度为140℃，出料温度为145℃。利用该混合料制成马歇尔试件或车辙板，试件成型之后在140℃的烘箱中进行固化，固化时间为5h，之后冷却至室温放置24h之后开展相关的路用性能研究。

1.4 试验方法

为了比较不同复掺聚酯纤维的环氧沥青混凝土的路用性能差异，选择低温抗裂性试验、疲劳试验、车辙试验、马歇尔试验进行分析。

1.4.1 低温抗裂性试验方法

低温抗裂性能不足对环氧沥青混凝土使用寿命具有一定的影响，因此，通过低温小梁弯曲试验对试件的低温抗裂性能进行分析。从车辙板上切割尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件，参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的弯曲试验相关流程，试验前试件在-10℃的恒温箱中放置最少4h，采用单点加载方式以50mm·min-1的速率进行加载，记录破坏载荷和破坏应变，利用破坏应变指标对复掺纤维环氧沥青混凝土的低温抗裂性能进行评价。

1.4.2 疲劳试验方法

从车辙板上进行小梁试件切割，切割尺寸为250mm×40mm×40mm，疲劳试验进行中采用LDMT-25的控制应力模式、半正弦波、三分点加载方式进行加载控制，试验温度为15℃，应力比为0.3，加载频率为10Hz，加载速率为50mm/min，试件两个支点之间的有效跨径为250mm，根据弯曲极限荷载与应力比确定荷载水平，得到疲劳作用次数用以表征复掺纤维环氧沥青混凝土的抗疲劳性能。

1.4.3 车辙试验

采用轮碾法制作车辙试件，车辙试件的尺寸为300mm×300mm×50mm，车辙试验进行中温度为60℃，轮压为0.7MPa，利用动稳定度对高温稳定性进行表征。根据JTG E20-2011进行试验。

1.4.4 马歇尔试验

试件采用标准击实法制作，马歇尔试验沥青混合料的制作方法根据JTGE20-2011中的流程，试件分成2组，一组高温固化之后在60℃水浴中浸泡0.5h对试件的稳定度进行测试；一组高温固化之后在60℃水浴中浸泡48h对试件的稳定度进行测试。

2 复掺纤维环氧沥青混凝土路用性能试验结果

2.1 低温抗裂性

复掺纤维环氧沥青混凝土低温抗裂性能试验结果见表4，当聚酯纤维和聚丙烯纤维两种纤维的复掺量为1%时，纤维复掺环氧沥青混凝土B抗弯拉强度比未掺纤维环氧沥青混凝土A增大了8.5%、最大弯拉应变增大了7.0%；纤维复掺量为3%时，纤维复掺环氧沥青混凝土D的抗弯拉强度最大、弯拉应变最大，由此可知，聚酯纤维和聚丙烯纤维对环氧沥青混合料的低温抗裂性具有改善作用，改善最佳的纤维复掺比为3%，这主要是因为当纤维的掺量不大时，聚酯纤维在环氧沥青混合料中呈现出均匀分散的状态，通过纤维的纵横交错作用提高了环氧沥青混合料的整体强度，而随着纤维掺量的不断提高，混凝土的低温抗裂性能进一步提高，弯曲劲度模量也不断下降，当含量为3%时对于环氧沥青混凝土的改性作用最佳，当纤维含量超过3%时，部分纤维在环氧沥青混凝土中存在结团现象，不能均匀分散，纤维结团导致薄弱界面，界面易出现应力集中现象从而降低环氧沥青混凝土的强度。

表4 纤维改性环氧沥青混合料低温弯曲试验结果Table 4 Low temperature bending test results of fiber modified epoxy asphalt mixture

2.2 疲劳试验结果

随着聚酯纤维和聚丙烯纤维掺量的不断提高，纤维掺量由0%增加到4%时，环氧沥青混合料的疲劳对数拟合结果如图1所示，当复掺纤维量为3%时，拟合曲线的K值最大，K值越大说明疲劳曲线的线位越高，代表着环氧沥青混合料的疲劳寿命越大，四种复掺纤维的环氧沥青混合料的疲劳寿命B、C、D、E高于未掺纤维环氧沥青混凝土A。由此可知，掺入聚酯纤维和聚丙烯纤维之后可以明显改善环氧沥青混合料的抗疲劳性能，未掺纤维环氧沥青混凝土A疲劳寿命短并且对应力变化比较敏感，分析原因主要如下：一是，环氧沥青混合料中可能存在内部缺陷，在进行弯曲疲劳试验时可能会出现应力集中应变的现象，从而产生微裂缝。在载荷的重复作用下，裂缝会进一步扩大，最终破坏环氧沥青混合料的结构。二是，混合料中复掺纤维之后，由于纤维的分散作用在环氧沥青混合料内部的裂纹和孔隙中形成桥架纤维，对裂纹的进一步扩大起到约束的作用，从而提高环氧沥青混合料的裂纹自愈能力，提高混合料的疲劳寿命。三是，聚酯纤维和聚丙烯纤维的比表面积较大，直径较小只有几微米，与沥青充分接触，提高了沥青的混合性能，最终提高沥青混合料的抗疲劳寿命。

图1 纤维改性环氧沥青混合料疲劳曲线双对数拟合结果Fig.1 Double logarithmic fitting results of fatigue curve of fiber modified epoxy asphalt mixture

2.3 国产车辙试验结果

利用国产车辙仪对复掺纤维环氧沥青混凝土B、C、D、E与未掺纤维环氧沥青混凝土A进行车辙试验，试验结果见表5。

表5 国产车辙试验结果Table 5 Results of domestic rutting test

根据表5可知，与未掺纤维环氧沥青混凝土A相比，纤维复掺环氧沥青混凝土B、C、D、E变形幅度较小，纤维复掺环氧沥青混凝土D基本无变形；纤维复掺环氧沥青混凝土B、C、D、E的动稳定度远远高于A，复掺纤维为3%时，环氧沥青混凝土的高温稳定性最好，这主要是因为纤维的加筋桥接作用使整个环氧沥青混凝土体系更加稳定，提高了整个环氧沥青混凝土体系的抗变形能力。