桥面铺装环氧沥青混合料路用性能试验研究

2021-07-19徐佳欢

公路与汽运 2021年3期

徐佳欢

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116024)

桥面铺装材料特性对梁体结构、行车安全、服役寿命均有直接影响，要求其具备较好的抗变形能力，能适应高温车辙和雨水渗透问题，同时具备较好的抗开裂能力。这就要求铺装层材料具备较好的黏结特性，能抵抗外部荷载的冲击作用。目前应用于桥面铺装的沥青砼材料良莠不齐，根据实际桥梁交通状况和服役环境不同，铺装层的结构和材料也会存在较大差异。王伟认为铺装层材料的水损伤对其性能的劣化影响较大，并采用改性乳化沥青对其防水黏结层进行了性能研究；张纯采用浇筑式沥青砼对铺装层材料的抗老化性能和疲劳性能进行研究，并从粉胶比改良设计方面优化了桥面铺装施工工艺；王民等依托港珠澳大桥，设计浇筑式沥青混合料+改性沥青SMA-13桥面铺装结构，取得了较好的应用效果；张可强等结合国内桥面铺装实际需求，提出PGA+AC钢桥面铺装结构，并对其路用性能和造价进行了综合分析；刘攀等对5种钢桥面铺装材料进行对比研究，认为高韧性环氧沥青混合料性能较优异；刘海城等依托桥面养护工程项目，对高模量环氧沥青混合料进行研究，认为该材料能增强与钢板间的黏结强度，具有较好的抗疲劳性能。上述研究表明，黏聚特性是桥面铺装材料的关键影响因素，既影响摊铺砼材料间的密实性和嵌挤作用，又影响与钢桥梁上下结构层的黏结强度，高强、高韧、高黏是铺装材料需具备的基本特性。该文以环氧沥青混合料为基础进行桥面铺装材料性能试验，并与普通改性沥青混合料进行性能对比，分析其在不同服役环境下的性能变化。

1 原材料与试验方案

1.1 沥青

分别选用环氧沥青和SBS改性沥青制备沥青混合料并进行性能对比分析。环氧沥青是一种复合改性沥青，一般采用环氧树脂和固化稳定剂按比例与基质沥青拌和而成。SBS改性沥青是SBS与基质沥青均匀拌和的产物。采用江苏句容产HLJ型环氧沥青、河南南阳产普通SBS改性沥青，2种沥青的技术性能见表1。

表1 2种沥青的技术性能

1.2 集料

粗、细集料均采用玄武岩，其棱角性较好，技术指标见表2。

表2 粗、细集料的技术指标

1.3 矿粉

采用石灰岩矿粉作为填料，稳定砼的内部结构，其技术指标见表3。

表3 矿粉的技术指标

1.4 试验方案

采用AC-13级配分别制备环氧沥青混合料和SBS改性沥青混合料，级配曲线见图1。

图1 AC-13的目标级配曲线

通过对环氧沥青混合料和SBS改性沥青混合料劲度模量、高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性能的研究，探究2种沥青混合料的性能差异。相关试验项目及试验参数见表4。

表4 混合料性能试验方案

沥青混合料的油石比及马歇尔技术指标见表5。由表5可知：环氧沥青混合料的油石比高于普通SBS改性沥青混合料。环氧沥青的黏度较高，与集料间的机械握裹力较大；环氧沥青的流动性较差，混合料拌和过程中需更多的沥青来实现内部结构稳定，待温度下降到常温后，混合料的整体强度大幅提升。

表5 沥青混合料马歇尔技术指标

2 桥面铺装材料性能试验研究

2.1 劲度模量

劲度模量是标准混合料力学性能的关键指标。2种沥青混合料的劲度模量试验结果见图2。

图2 2种沥青混合料的劲度模量试验结果

由图2可知：环氧沥青混合料的劲度模量高于SBS改性沥青混合料，20 ℃常温环境下前者的劲度模量约为后者的1.9倍，30 ℃时前者的劲度模量约为后者的3倍，说明环氧沥青混合料的整体刚度优于SBS改性沥青。从劲度模量随温度的变化来看，环氧沥青混合料的温度敏感性小于SBS改性沥青。其主要原因是环氧沥青中的环氧树脂具有一定的弹塑性变形能力，在固化剂作用下，材料的强度和硬度均得到提高。

2.2 高温稳定性

分别采用2种沥青混合料成型标准车辙板试件进行60、70 ℃温度下车辙试验，试验结果见图3、图4。

由图3、图4可知：环氧沥青混合料在2种温度下的动稳定度显著高于SBS改性沥青混合料，60 ℃环境下，前者的动稳定度达到34524 次/mm，而后者的动稳定度仅为其1/10左右；70 ℃条件下，环氧沥青和SBS改性沥青混合料的动稳定度相较于60℃时动稳定度分别降低约17.01%、30.25%。同等条件下，两类沥青混合料60 ℃车辙深度分别增长75.00%和101.77%，表明温度变化对混合料车辙深度的影响更显著，且温度变化对SBS改性沥青混合料高温性能的影响更大。主要原因是环氧沥青中的固化剂增强了混合料的整体强度，在高温环境下，环氧沥青逐渐软化，但其树脂成分和固化剂的软化点较高，即使温度达到70 ℃，对其影响仍不明显。

图3 2种沥青混合料的动稳定度试验结果

图4 2种沥青混合料的60 min车辙深度试验结果

2.3 水稳定性

对2种沥青混合料进行水稳定性试验，试验结果见图5、图6。

图5 2种沥青混合料的残留稳定度试验结果

图6 2种沥青混合料的冻融劈裂强度比试验结果

桥面铺装材料靠近水源，空气中水分子含量较高，会对其产生长期劣化侵蚀。因此，需格外关注桥面铺装材料的水稳定性。由图5、图6可知：环氧沥青混合料、SBS改性沥青混合料的残留稳定度分别为96.5%、88.6%，冻融劈裂强度比分别为92.5%、86.6%，环氧沥青混合料的水稳定性明显优于SBS改性沥青混合料。环氧沥青中的树脂成分极大增强了沥青的黏聚性，固化剂也在一定程度上促进了材料结构的稳定性。加上环氧沥青混合料的空隙率较小，在浸水和冻融环境下，水分子沿结构空隙进入混合料内部的概率较小，对其内部结构的损伤风险大大降低。

2.4 低温抗裂性

对2种沥青混合料进行低温小梁开裂试验，试验结果见图7。

图7 2种沥青混合料的低温小梁开裂试验结果

对小梁开裂试验过程中对应的破坏应变进行统计分析，破坏应变越大，表明混合料在低温环境下开裂的风险越小。由图7可知：环氧沥青混合料的破坏应变整体大于SBS改性沥青，0和-10 ℃时前者的破坏应变约为后者的1.4倍，-15 ℃时约为后者的2倍，服役环境温度越低，2种沥青混合料在低温抗裂性能方面的差异越大。桥面铺装层在冬季环境下平均温度低于-10 ℃，桥面材料变得更脆硬，这就要求铺装层材料具备较好的延展性和韧性。环氧沥青混合料中含有树脂成分，本身具备一定的弹性变形能力，在低温环境下，环氧树脂充分发挥其韧性特点，能抵抗外部荷载对其的开裂影响。

2.5 抗疲劳性能

采用450、650、850 με应变σ控制水平进行疲劳加载，试验结果见表6、图7。

由表6、图8可知：环氧沥青混合料的疲劳寿命远高于SBS改性沥青，450、650、850 με应变控制水平下，前者的疲劳寿命分别是后者的30.4、27.3和22.3倍。从图8来看，2种沥青混合料的衰变规律较接近。表明环氧沥青的加入能显著提升混合料的抗疲劳性能，且在长期道路服役过程中，其劣化速率没有发生明显提升。环氧沥青混合料的劲度模量较大，具备较好的弹韧性和抗变形能力，能缓解路面的开裂损伤和疲劳损伤，延长路面服役寿命。