后掺法温拌环氧沥青超薄罩面性能研究

2022-02-04布鹏陈飞王永俊陈钰解斌张林艳杨晓伟

应用化工 2022年12期

布鹏，陈飞，王永俊，陈钰，解斌，张林艳，杨晓伟

(1.云南大学建筑与规划学院，云南昆明 650091；2.昭通昭乐高速公路投资开发有限公司，云南昭通 657000； 3.昭通市交通建设工程质量安全监督局，云南昭通 657000；4.武倘寻高速公路建设指挥部，云南昆明 651500)

超薄罩面可在路面结构病害不突出、强度足够的情况下，改善原路面路表功能性衰退或早期病害等带来的行车安全问题；它能显著降低路面铺筑厚度、减少工程造价，还可提供良好的抗滑性能、封水效果及降低路面噪音[1-3]，具有广阔的应用前景[4-5]。然而受限于超薄罩面胶结料的性能不足，需频繁进行维修养护。为突出超薄罩面的优势，文章基于后掺法施工工艺[6-7]，采用高性能环氧沥青作为胶结料[8-10]，对后掺法温拌环氧沥青SMA-10超薄罩面开展研究，对其力学性能、水稳定性能、抗裂性能、长期抗滑性能及其层间粘结性能进行评价，旨在为环氧沥青超薄罩面的推广和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 集料与沥青超薄罩面用粗集料选择优质耐磨光、磨耗的玄武岩，细集料为石灰岩，矿粉为石灰岩磨制，粗集料主要技术性能指标见表1;环氧沥青由壳牌70#基质沥青、环氧树脂、固化剂及其他助剂调配，其中A组分(环氧树脂E51)：B组分(基质沥青、固化剂和助剂等)的质量比例为100∶730，其技术性质均满足《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》相关要求[11]，70#基质沥青材料的技术指标见表2。

表1 粗集料技术指标Table 1 Technical index of 70# matrix asphalt

表2 70#基质沥青技术指标Table 2 Technical index of 70# matrix asphalt

1.1.2 沥青混合料超薄罩面对耐久性能、功能性能和结构稳定性等技术要求较高，级配选择应同时满足稳定骨架结构及高密实性的要求；故本文选择沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)骨架密实型级配进行设计。其合成级配曲线见图1。环氧沥青混合料的制备过程参照后掺法施工工艺进行[6]，具体步骤如下：在120 ℃左右先制备环氧B组分沥青混合料，再按照计算的环氧树脂添加量加入到环氧B组分混合料中，最后拌合均匀后形成环氧沥青混合料。SBS改性沥青是以70#沥青制备的，并采用相同级配拌制SBS沥青混合料。

图1 沥青混合料合成级配Fig.1 Composite grading curve of asphalt mixture

1.2 实验方法

环氧沥青超薄罩面的铺装较薄，需针对SMA-10进行超薄罩面的性能研究，性能测试主要为力学性能、水稳定性能、抗裂性能、长期抗滑性能及模拟加铺层的层间粘结性能。力学性能、低温抗裂性能和水稳定性能测试参照JTG E20—2011中马歇尔稳定度实验、弯曲实验及冻融劈裂实验进行。其中，马歇尔稳定度实验及水稳定性实验结合超薄罩面的特点，制备环氧薄层马歇尔试件进行，同时验证室内环氧沥青超薄罩面制备的可行性；抗裂性能测试采用深圳万测万能材料实验机进行冲击韧性实验和沥青间接拉伸开裂(IDEAL-CT)实验[12-14]；抗滑持久性能实验用加速加载磨光实验仪进行动摩擦系数衰减测试[15]；层间粘结性能实验采用量程为 100 kN的上海华龙微机伺服万能材料实验机，参考ASTM C882进行45°斜剪实验[16-18]。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

超薄罩面的铺装厚度较薄，温度散失较快，导致沥青混合料压实度存在较大的变异，影响路面质量。马歇尔击实法是室内设计混合料中应用最为简易的方法，考虑降低马歇尔试件的厚度以尽量模拟超薄罩面的实际铺装情况，故成型直径为(101.6±0.2) mm，厚度从正常的(63.5±1.3) mm减薄至(30±0.6) mm的试件，以马歇尔稳定度为评价沥青混合料力学性能的指标，研究温度和压实功对其力学性能的影响；另外，空隙率是沥青混合料的重要控制指标，故同时记录其空隙率随温度和压实功改变的影响。根据温拌沥青混合料的特点，温度选择85，100，115，130，145 ℃；压实功选择双面25次，35次和50次，实验结果见图2。

由图2可知，随击实温度升高，环氧薄层沥青混合料空隙率减小，马歇尔稳定度增大。根据设计要求，骨架密实型环氧沥青混合料超薄罩面空隙率宜为3%～4%，正常高度固化试件马歇尔稳定度需>40 kN。由图2a可知，环氧薄层马歇尔动稳定度总体>30 kN，根据厚度修正为正常高度时，马歇尔稳定度值远>40 kN，均满足要求。在不同击实次数和温度下，空隙率变化波动更大。同一击实次数下，沥青混合料温度越高，黏度越低，流动性越好，越容易压实，故空隙率减小明显。击实次数为50次时，空隙率总体低于3.0%，不满足设计要求；击实次数为35次，击实温度<115 ℃时，空隙率满足设计要求；击实次数为25次时，击实温度在100～140 ℃范围内，可保证其空隙率在3%～4%，因此在减薄厚度后，双面击实25次是较适宜的。当击实温度低于100 ℃，沥青混合料黏度增大，流动性变差，导致试件在相同压实次数下不能达到更致密的状态。

图2 马歇尔稳定度(a)和空隙率(b)变化曲线Fig.2 Variation curves of (a) Marshall stability and (b) void fraction

总体而言，温度越低时，不同击实次数下混合料的空隙率和马歇尔稳定度差异越明显。因此，当超薄罩面施工时，温度太低会导致其体积指标和性能波动变化较大，施工风险增大，严格控制施工温度是保证沥青路面施工质量的关键；同时，由于温度散失较快，宜减少压实遍数，增大初压时的压实功。

2.2 水稳定性能

采取浸水马歇尔实验及冻融劈裂实验，以残留稳定度和劈裂强度比评价其抗水损害的能力，验证环氧沥青混合料的水稳定性，对比分析正常成型与薄层的水稳定性能验证薄层成型的可行性，实验结果见图3。

由图3可知，正常厚度成型的环氧沥青ESMA-10混合料残留稳定度为95.8%，劈裂强度比为90.5%，两者均符合《公路沥青路面施工技术规范》[19]中不小于80%的技术要求且均大于90%，具有较好的抗水损害能力。厚度减薄后成型的环氧沥青混合料残留稳定度为88.1%，劈裂强度比为85.6%；与正常厚度相比，环氧薄层混合料残留稳定度下降了8%，劈裂强度比下降了5.4%，薄层环氧的水稳定性满足规范要求。环氧薄层试件与正常高度试件相比，残留稳定度及劈裂强度比均有所降低，原因可能是因厚度减薄，但实验的时间仍为正常试件所需时长，实验条件相对更为苛刻，才导致抗水损害能力有所降低；但总体而言，环氧沥青ESMA-10混合料表现出良好的抗水损害能力，且实验证明室内马歇尔试件成型环氧薄层ESMA-10混合料是可行的。

图3 环氧正常厚度与薄层试件的残留稳定度及劈裂强度比Fig.3 Residual stability and splitting strength ratio of epoxy asphalt mixture

2.3 抗裂性能

环氧沥青混合料属热固性材料，与常规沥青混合料有较大差异，其高温抗车辙性能优异，但环氧超薄罩面对抗裂要求较高。为提高环氧沥青混合料抗裂性能，选择3种不同类的代表性纤维(木质纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维)[20]，3种环氧沥青混合料分别记为MESMA-10、JESMA-10和XESMA-10，各纤维掺量均为0.3%，利用弯曲实验(低温弯曲实验及冲击韧性实验)及沥青间接拉伸开裂(IDEAL-CT)实验，采用小梁弯曲试件和马歇尔试件综合评价纤维对环氧沥青混合料抗裂性能的影响。

2.3.1 低温弯曲实验在温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min下进行小梁弯曲实验，3种纤维环氧沥青混合料小梁试件抗弯拉强度和弯拉应变实验结果见图4。

由图4可知，与木质纤维环氧沥青混合料相比，添加聚酯纤维和玄武岩纤维均可提高小梁试件的抗弯拉强度和弯拉应变，抗弯拉应变分别提高了10.4%和16.7%。因此，在环氧沥青混合料中添加聚酯、玄武岩这两种增强纤维可有效提高环氧沥青混合料的低温性能，且玄武岩纤维表现较好。三种环氧沥青混合料的弯拉应变均大于2 500 με，满足常规路面的铺装设计要求，但因环氧沥青混合料热固性的特点，低温抗开裂性能除通过纤维进行改善增强外，后续还应从环氧沥青材料本身出发，对其进行增柔增韧研究以提高其低温抗裂性能。

图4 环氧沥青混合料的低温抗弯拉强度和弯拉应变Fig.4 Low temperature flexural tensile strength and flexural tensile strain of epoxy asphalt mixture

2.3.2 冲击韧性实验冲击韧性实验仍采用小梁弯曲实验，加载速率为500 mm/min，实验温度设置为15 ℃，以冲击韧性(荷载-位移曲线积分面积)为指标再次评价各纤维环氧沥青混合料的抗冲击荷载能力，最大荷载及冲击韧性值实验结果见图5。

图5 环氧沥青混合料最大冲击荷载及韧性Fig.5 Maximum impact load and toughness of epoxy asphalt mixture

由图5可知，冲击韧性实验结果显示，环氧沥青混合料中添加玄武岩纤维、聚酯纤维，其冲击最大荷载增大明显，XESMA-10和JESMA-10较MESMA-10分别增加了27.1%，14.4%。实验过程中发现，MESMA-10小梁试件在受荷载后，试件断裂为两部分并从支座上掉落，而其余两种环氧沥青混合料试件断裂后仍保持为整体，从宏观上可看出添加增强纤维后对混合料的抗裂性有较大影响。木质纤维加入到SMA混合料中，主要起吸油稳定的作用，但环氧沥青属热固性材料，油量增大不会出现路面因高温而泛油，因此木质纤维的添加作用不明显。添加聚酯纤维和玄武岩纤维可明显提高环氧沥青混合料的柔性，其冲击韧性值较木质纤维分别提高了40%和93.9%，因此增强纤维的使用可显著提高环氧沥青混合料的抗冲击性能，其中玄武岩纤维表现最优。

2.3.3 IDEAL-CT实验沥青间接拉伸开裂(IDEAL-CT)实验试件制作简单、数据变异性小、敏感性高及与现场相关性好[16]，因此再选择该实验对3种纤维环氧沥青混合料进行抗裂性能评价。IDEAL-CT实验以抗裂指数(CTindex)为评价混合料抗开裂能力的指标，其定义如下[21]：

其中，t为试件厚度，mm；Gf为断裂能，J/m2；|m75|为荷载-位移曲线75%峰值力处斜率,kN/mm；I75为75%峰值力处位移， mm；D为试件的直径， mm。

结合室内环氧沥青超薄罩面的力学性能以及水稳性能评价结果，为进一步验证环氧薄层试件的抗裂性能，该实验选择正常高度试件与环氧薄层试件进行对比，正常高度试件与环氧薄层试件直径均为(101.6±0.2) mm，其中正常试件厚度为(50±0.5) mm，薄层试件厚度为(30±0.6) mm，实验温度为25 ℃，实验结果见图6。

图6 不同厚度及不同纤维的环氧沥青混合料抗裂测试结果Fig.6 Results of crack resistance index of epoxy asphalt mixture with different thickness and fiber

由图6可知，环氧薄层和正常试件的抗裂指数变化规律一致，环氧薄层试件也可用以评价环氧沥青混合料抗裂性能，并结合2.1和2.2节环氧薄层力学性能及水稳定性能的验证结果可知，室内减薄厚度成型环氧沥青混合料是可行的。总体而言，环氧薄层中抗裂指数的数据浮动相对正常试件较大，这是由于环氧薄层未进行切割上下表面，未消除表面构造等对其抗裂的影响，加之厚度减薄，变异相对较大，但总体规律相同。

抗裂指数整体表现为玄武岩纤维最优、聚酯纤维次之、木质纤维最差，因此玄武岩纤维的加入可显著提高混合料的抗开裂及裂缝延展能力。

2.4 长期抗滑性能

长期抗滑性能是课题组基于沥青混合料摩擦特性测试仪进行室内加速磨光实验测得，测试仪采用橡胶块接触试件，加载一定的压力进行来回摩擦以模拟汽车轮胎对路面的加速磨光，实验时自动记录动态摩擦系数，并以摩擦系数变化规律评价混合料长期抗滑性能[15]。试件为车辙试件切割为300 mm×150 mm×50 mm，在浸水条件和室温下，对SBS改性沥青与环氧沥青试件施加荷重150 kg进行长期抗滑性能对比，实验结果见图7。

图7 沥青混合料抗滑性能变化规律Fig.7 Variation rule of anti-skid performance of asphalt mixture

由图7可知，SBS改性、环氧SMA沥青混合料的抗滑性能衰减均经历了快速下降阶段、稳定下降阶段、稳定阶段这三个阶段。其中，SBS 改性沥青的动态摩擦系数初始值小于环氧沥青，可能是由于环氧沥青是一种化学改性材料，混合料固化成型后较硬，石料在荷载作用下不易发生移位，因此混合料表面纹理不容易发生变化，动摩擦系数较高。在1 h内，两种混合料的动态摩擦系数均快速下降，此阶段试件表面沥青膜被快速磨掉，但SBS 改性沥青的动态摩擦系数衰减值小于环氧沥青，原因是SBS表面沥青膜在1 h内就几乎被磨完，此时的动态摩擦系数是部分沥青膜加集料表面与橡胶块接触共同产生的，而环氧沥青在1 h后沥青膜仍存在，故动摩擦系数值更小。SBS和环氧沥青混合料在1～11 h阶段是集料本身的动摩擦系数逐渐减小至磨光状态，后随磨光时间增长，动摩擦系数值分别保持在0.31和0.39，环氧沥青混合料的动摩擦系数远优于SBS沥青混合料。且后期实验中发现，SBS沥青混合料由于磨光时间长，接触面温度升高，导致在25 h左右开始出现集料间因黏结力不足导致的掉渣、掉粒现象，而环氧在经历60 h以上动摩擦系数仍保持稳定，表面无任何的掉粒等情况，其原因是环氧沥青具有较高的强度和黏结性能，且不随温度升高而降低。分析结果表明，环氧沥青混合料长期抗滑性表现优异，整体强度稳定。

2.5 层间粘结性能

超薄罩面铺装中层间的粘结性能会显著影响路面结构整体的使用寿命，层间粘层材料选择尤为重要。选择层间无粘结材料、基质沥青粘层、SBS沥青粘层和环氧沥青粘层，对比分析各粘层状况的抗剪性能。为模拟加铺环氧超薄罩面，在5 cm厚SBS改性沥青混合料车辙试件上加铺2 cm环氧沥青混合料制备得到复合试件，在环境温度为25，40，60 ℃条件下进行45°斜剪实验，实验结果见图8。

图8 不同粘层材料的抗剪强度Fig.8 Shear strength of different adhesive layer materials

由图8可知，同种粘层状况下，随温度升高，层间抗剪强度减小；25 ℃环境温度下的层间抗剪强度明显大于40 ℃与60 ℃环境温度下的剪切强度，且25 ℃与40 ℃间的抗剪强度变化差大于40 ℃与60 ℃ 的变化差，说明温度显著影响层间的粘结性能。环境温度25 ℃条件下，抗剪强度大小表现为：环氧粘层>SBS粘层>基质沥青粘层>无粘层；40 ℃ 及60 ℃环境条件下抗剪强度大小表现为：环氧粘层>SBS粘层>无粘层>基质沥青粘层，以上表明环氧粘层在3种温度条件下层间粘结性能表现均更为优异。中高温条件下出现无粘层抗剪强度大于基质沥青粘层的情况，究其原因是因复合试件制备时经历了120 ℃高温养生，即便不洒粘层材料，基层SBS改性沥青软化与加铺层也形成了二次粘结，随实验温度升高，原基质沥青粘层内部较接近软化点温度，层间粘结力降低；另外，温度升高后原基质沥青粘层在层间结合处反而起到“界面润滑”作用，故抗剪强度表现较无粘层小。总的来说，环氧沥青表现出更加优异的粘结性能，高温地区宜合理减少粘层材料的洒布量以充分利用材料的粘结性能。