基于变i法级配设计的环氧沥青混合料性能试验研究

李帆

作者简介：李 帆（1985—），工程师，主要从事交通工程监理工作。

摘要：为研究环氧沥青混合料级配变化对路用性能的影响，文章采用变i法级配设计理论计算合成级配曲线，利用贝雷法参数对关键控制筛孔进行分析，并对不同级配环氧沥青混合料的路用性能进行研究。结果显示：变i法设计级配曲线具备良好的嵌挤结构，能够满足环氧沥青混合料的特性要求，级配变化对抗弯拉强度和弯拉应变指标影响不一致，在-15 ℃条件下，不同级配类型环氧沥青混合料的低温抗裂性能辨析性更精确;变i法设计的环氧沥青混合料具有良好的高温抗变形能力，且随试验温度的增加，其动稳定度指标下降幅度远低于规范中值级配，同时采用车辙总变形量指标也能够良好地评价辨析高温抗车辙能力;环氧沥青混合料对冻融环境条件更为敏感，级配变化对其影响更为显著;马歇尔稳定度值随容留时间的增加呈先增加后减小变化，而空隙率指标一直呈增长状态，且随拌和温度的增加，环氧沥青混合料性能指标变化显著。

关键词：道路工程;环氧沥青混合料;级配设计;变i法;容留时间

中国分类号：U416.03A170615

0 引言

环氧沥青材料在我国钢桥面铺装中得到了良好的推广应用，在一定程度上克服了钢箱梁在运营过程中温度应力集中，纵、横向变形大的苛刻环境影响。与普通沥青混合料相比，环氧沥青材料显著延长了桥面的寿命周期，减少了桥面的养护次数，降低了使用成本。但由于环氧沥青原材料本身的特性，以及部分施工工艺不成熟的问题，严重阻碍了我国钢桥面铺装技术的发展。如部分项目在设计和施工中过多参考国外经验，一味考虑桥面铺装层耐久性、抗疲劳特性等，造成桥面的抗滑性能偏低，在雨雪特殊天气下的行车安全得不到充分保障。由此，开展上述几方面的研究，对环氧沥青混合料的级配设计优化具有重要的意义。刘攀等研究了5种不同级配增韧型环氧沥青混合料，提出了级配变化对增韧型环氧沥青混合料的抗滑性能影响较大，对其他性能影响较小[1]。高松等系统分析了环氧沥青混合料马歇尔级配设计方法的优缺点，并对石家庄新乐高架桥桥面铺装进行了工程实践[2]。薛永超等分析了橡胶颗粒的粒径、硬度等对环氧沥青混合料各项路用性能的影响，提出了橡胶环氧瀝青混合料的最佳掺量，并制定了橡胶粉的技术指标[3-4]。王水研究了聚酯纤维对环氧沥青混合料的性能影响，结合施工和易性，提出聚酯纤维的最佳掺量为2%～3%[5]。冉武平等利用Super pave方法对机场跑道用环氧沥青混合料开展系列研究，在考虑大飞机荷载的条件下，提出了最佳沥青用量下的旋转压实参数[6]。丛培良等利用体积设计法研究了环氧沥青混合料的技术指标，分析养护周期对其性能变化的影响，为后期施工和开放交通提供了技术参考[7]。

综上所述，本文研究利用变i法对环氧沥青混合料级配进行设计，并开展相应的路用性能试验，分析级配变化对其性能的影响规律，为实体工程中推广应用提供良好的技术指导。

1 试验材料

1.1 矿料

粗集料选择辉绿岩，细集料选择机制砂，矿粉为石灰岩磨制，均由广西交科工程咨询有限公司提供。试验结果如表1、表2所示。

1.2 环氧沥青

钢桥面铺装用环氧沥青由南通东南交通高新技术有限公司提供，其试验结果如表3所示。

2 配合比设计

环氧沥青混合料主要用于钢桥面铺装，需要具备良好的抗疲劳性能和耐久性能。国内外工程中一般采用较细的级配来满足上述性能要求，但细级配沥青混合料的表面粗糙度随运营时间的延长而逐渐下降，容易导致抗滑不足。本文研究从级配设计入手，采用变i法级配设计理论，利用贝雷法验证分析。具体计算过程如下：

（1）借鉴国内大型钢桥面工程实践经验，研究选择集料最大公称粒径为13.2 mm，粗集料i值范围为0.68～0.76，细集料i值范围为0.66～0.76。变i法设计级配计算公式如式（1）、式（2）所示。

依据工程经验，研究选择级配Ⅰ的粗、细集料筛孔通过率的递减系数i值分别为0.70和0.68，级配Ⅲ的粗、细集料筛孔通过率的递减系数i值分别为0.76和0.72，级配Ⅱ为“公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南”中推荐级配中值，作为对比级配。级配Ⅰ和Ⅲ的各筛孔计算值如表4所示。

依据表5可知：CA表示粗细集料的比例，FAC表示细集料在级配中的嵌挤情况，FAF表示更细集料的填充情况。级配Ⅰ的参数值最小，级配Ⅱ（中值）的参数值最大。说明级配Ⅰ中粗集料含量多，粗集料含量提高了约42%，细集料降低了21%（与级配Ⅱ相比）;级配Ⅱ偏细，基本处于悬浮密实结构状态，超出了贝雷法合理参数的范围，尤其是粗集料含量;级配Ⅲ趋于贝雷法参数的上限值，处于上述两种级配中间。贝雷法计算参数与合成级配曲线描述相一致，变i法级配理论设计更具备精确性，尤其在粗细集料用量确定方面。

3 低温抗裂性能分析

研究采用小梁弯曲试验进行低温性能评价，试验结果如图1、图2所示。

由图1、图2可知：

（1）级配Ⅰ的弯拉应变值最大，但与级配Ⅱ、级配Ⅲ的差异性并不大，级配Ⅱ、级配Ⅲ的弯拉应变值分别降低了2.5%和1.3%（与级配Ⅰ相比，-10 ℃）。说明变i法设计级配Ⅰ的低温抗裂性能优良，而推荐级配Ⅱ与设计级配Ⅲ的低温抗裂性能也均能满足规范要求。随温度下降，弯拉应变显著下降，其低温抗裂性能均有所下降。在-15 ℃时，3种级配下降幅度规律为：级配Ⅲ>级配Ⅰ>级配Ⅱ，分别下降了4.8%、2.8%和1.5%（与-10 ℃相比），说明指南推荐级配对低温敏感性较低，而变i法设计级配Ⅲ对低温温度敏感性强。

（2）对抗弯拉强度值分析发现，级配Ⅰ受温度变化影响较低，级配Ⅱ影响最大，且温度越低抗弯拉强度值越高，在-15 ℃时，3种级配抗弯拉强度值的变化更为显著。说明在-15 ℃条件下，不同级配类型的环氧沥青混合料低温抗裂性能更适合评价辨析，3种级配的低温抗裂性能变化与粗、细集料含量及级配嵌挤情况有密切关联，尤其是关键筛孔13.2 mm、4.75 mm及0.075 mm的含量。

4 高温抗车辙性能分析

研究采用车辙试验，选择温度60 ℃和70 ℃进行高温性能验证[7]，试验结果如下页图3、图4所示。

可以看出：

（1）不同级配的动稳定度差异性较大。级配Ⅰ的高温抗车辙能力最佳，级配Ⅱ的抗车辙能力最差，说明变i法设计的级配具有良好的高温抗变形能力，均优于推荐级配。随环境温度的增加，动稳定度呈下降趋势，3种级配的动稳定度值下降约65%～70%，且三者之间差异性逐渐下降，说明环境温度的增加，降低了级配变化对环氧沥青混合料高温性能的影响。如60 ℃时，级配Ⅱ、级配Ⅲ的稳定度值分别降低了30.4%和10.8%（与级配Ⅰ相比），而70 ℃时，级配Ⅱ、级配Ⅲ的稳定度分别下降了18.3%和8.3%。

（2）依据车辙总变形量指标分析，3种级配的变形量为级配Ⅱ>级配Ⅲ>级配Ⅰ，且随着温度的增加，三者之间的差异性更为清晰，说明采用总变形量指标能够良好评价环氧沥青混合料的高温抗变形能力，尤其适用于钢桥面运营的特殊环境。

（3）高温抗车辙能力与级配存在密切关系。级配Ⅰ和级配Ⅲ为骨架嵌挤型，二者的粗、细集料含量不同，级配Ⅰ偏粗，二者粒径4.75 mm通过率相差2.8%，粒径2.36 mm、1.18 mm分别相差8.7%和10.3%，两个级配差异主要体现在0.6～2.36 mm。而级配Ⅱ为悬浮密实结构，且最大公称粒径为13.2 mm，其抗车辙能力显著下降，如粒径2.36 mm的通过率为60%，4.75 mm的通过率为75%，显然不能满足桥面铺装结构层高温抗车辙能力（依据工程经验，降低粗集料用量有助于提高环氧沥青混合料的抗疲劳性能，但对其他路用性能存在显著缺陷）。

5 水稳定性能分析

选择浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行抗水损害能力评价，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[8]中相关要求，试验结果如图5、图6所示。

由图5、图6可知：

（1）级配Ⅰ的残留稳定度值最高，级配Ⅱ和级配Ⅲ的残留稳定度相接近，说明级配Ⅰ的抗水损害剥离能力较高，而级配Ⅱ和级配Ⅲ的抗水损害能力相接近。另外，环氧沥青混合料的浸水抗剥离性能均高于规范要求，这与混合料设计空隙率较低有密切關系，一般环氧沥青混合料空隙率<3%，水分很难进入到混合料内部，且环氧沥青的粘附性高于普通改性沥青。

（2）级配Ⅰ的冻融劈裂强度比最大，级配Ⅱ和级配Ⅲ的值相接近，二者相差3.6%，这与残留稳定度影响规律相一致，但对其劣化幅度不同。级配变化对冻融环境条件更为敏感，其影响更为显著，如级配Ⅱ的冻融劈裂强度比下降了11%，残留稳定度下降了3.2%（与级配Ⅰ相比）。

6 容留时间变化分析

研究不同拌和温度下，环氧沥青容留时间变化对稳定度、空隙率的影响具有重要意义。试验温度选择110 ℃、120 ℃及130 ℃，容留时间选择30 min、40 min、50 min、60 min及70 min，采用级配Ⅰ成型马歇尔试件。试验结果如图7、图8所示。

由图7、图8可知：

（1）容留时间延长对稳定度、空隙率指标均具有显著影响，稳定度指标先增加后减小，空隙率指标呈上升趋势变化，且不同拌和温度下各参数变化幅度具有一定差异。如在110 ℃时，稳定度随容留时间延长而持续增加，120 ℃和130 ℃的稳定度最大值分别在容留时间40 min和50 min，说明不同拌和温度下，环氧沥青混合料的容留时间具有相应的合理范围。

（2）对于空隙率指标，在拌和温度为120 ℃和130 ℃，容留时间超过50 min时，其值均出现较大幅度变化，而在拌和温度110 ℃条件下，其值变化幅度较小。在容留时间70 min时，3种不同拌和温度下的空隙率分别增加了11.7%、171.7%、177.3%。由此可见，环氧沥青混合料在容留时间内容易碾压成型，能够达到最高强度和良好的密实度，超过最佳容留时间后，成型试件的空隙率无法达到最佳状态。

7 结语

（1）利用变i法级配合成曲线理论设计的级配曲线，通过贝雷法参数对关键筛孔进行有效验证，筛选出具备良好嵌挤结构的级配能够满足环氧沥青混合料的特性要求。

（2）级配变化对抗弯拉强度和弯拉应变的影响不一致，在-15 ℃条件下，不同级配类型环氧沥青混合料的低温抗裂性能辨析性更精确。

（3）采用变i法设计的环氧沥青混合料具有良好的高温抗变形能力，优于推荐级配，且随试验温度的增加，推荐级配的动稳定度指标下降幅度大于变i法级配。车辙总变形量指标也能够良好评价辨析环氧沥青混合料的高温抗车辙能力。

（4）级配变化对残留稳定度、冻融劈裂强度比影响规律相一致，但对二者的影响幅度不同。环氧沥青混合料对冻融环境条件更为敏感，级配变化对其影响更为显著。随容留时间的增加，稳定度值先增加后减小，空隙率呈上升趋势变化，且不同拌和温度下的容留时间均具有相适应的范围。

参考文献：

[1]刘 攀，李 璐，盛兴跃，等.不同级配类型增韧型环氧沥青混合料路用性能研究[J].公路，2019，64（3）：38-42.

[2]高 松，霍风龙.环氧沥青混合料目标配合比设计[J].北方交通，2019（4）：48-51.

[3]薛永超，钱振东，夏荣辉.基于低温性能的橡胶颗粒环氧沥青混合料研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2016，43（9）：120-128.

[4]钱振东，王 睿，陈团结.橡胶粉掺量对环氧沥青及其混合料性能的影响[J].建筑材料学报，2014，17（2）：331-335.

[5]王 水.聚酯纤维掺量对环氧沥青桥面铺装混合料技术性能的影响[J].公路工程，2015，40（4）：95-99.

[6]冉武平，李 玲，谷志峰.基于Super pave的机场环氧沥青混合料配合比设计[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（4）：30-37.

[7]丛培良，陈拴发，陈华鑫.环氧沥青混合料设计及性能研究[J].公路，2012（10）：167-171.

[8]JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

3794501908259