集料强度对环氧沥青混合料疲劳性能的影响

2022-12-14李黎明黄红明曾国东徐伟

公路与汽运 2022年6期

李黎明，黄红明，曾国东，徐伟

(1.佛山市建盈发展有限公司，广东佛山 528041；2.佛山市交通科技有限公司，广东佛山 528041；3.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司，广东佛山 528041；4.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641)

疲劳开裂是环氧沥青混合料钢桥面铺装常见病害，分析环氧沥青混合料疲劳性能影响因素，研究如何提高其抗疲劳性能对环氧沥青钢桥面铺装设计、施工和养护均具有重要指导意义。文献[6-7]的研究表明环氧沥青混合料的疲劳性能与冲击韧性存在线性关系，采用冲击韧性指标可有效评价环氧沥青混合料的疲劳性能；集料性质、沥青用量及空隙率均影响环氧沥青混合料的疲劳性能，其中集料的影响尤为显著。目前关于集料对环氧沥青混合料疲劳性能影响的研究主要集中在集料级配及集料颗粒表观物理性质差异两方面，针对集料强度的研究较少。为此，本文基于小梁断裂试件的微观形态，分析辉绿岩、花岗岩和石灰岩的抗弯拉强度特性，研究集料强度对环氧沥青混合料疲劳性能的影响，为钢桥面环氧沥青混合料铺装材料设计提供依据。

1 沥青混合料小梁弯曲试验

分别进行环氧沥青混合料、SBS改性沥青混合料和A-70#基质沥青混合料小梁弯曲对比试验，采用细级配，矿料组成见表1，最佳油石比为6.5%，试验温度15 ℃，加载速率50 mm/min，试验结果见表2。采用体视显微镜(Leica DVM6)观察小梁断裂截面，观察到的3种沥青混合料表面形貌特征见图1～4。

表1 沥青混合料矿料组成

表2 不同类型沥青混合料小梁弯曲试验结果

图1 环氧沥青混合料小梁试件断面

图2 放大的环氧沥青混合料断面微观形貌

图3 SBS改性沥青混合料小梁试件断面

图4 A-70#基质沥青混合料小梁试件断面

由图1可知：在环氧沥青混合料小梁断面上可观察到明显的集料断裂现象，且该现象所占比例较大。这主要是因为环氧沥青胶浆黏结性能强，能与集料颗粒稳固结合，具有较强的抗弯拉性能，集料通常更易断裂。

由图2可知：在放大的环氧沥青混合料断面微观形貌中可清晰地观察到细集料颗粒部分裸露，表现为集料颗粒与环氧沥青胶浆黏附破坏，但该现象所占比例不大，在颗粒表面仍裹附较多环氧沥青。这部分环氧沥青为结构环氧沥青，结构环氧沥青能提供填料颗粒间良好的黏附力，过少的结构环氧沥青或过多自由沥青均会阻碍颗粒间的黏附作用。由于环氧沥青的黏附性高于普通沥青，集料颗粒与环氧沥青胶浆黏附破坏更多表现为集料颗粒表面结构沥青以外的自由沥青脱落。

由图3、图4可知：在SBS改性沥青和A-70#基质沥青混合料小梁断面中均未发现集料断裂现象，试件断裂主要为沥青胶浆断裂。这主要是因为在相同条件下，在弯拉应力作用下SBS改性沥青及普通沥青混合料内部沥青胶浆作为薄弱处率先断裂。综上，环氧沥青混合料中集料强度显著影响其力学性能。

2 石料小梁弯曲试验研究

为研究不同类型集料的抗弯拉强度特性，选取辉绿岩、花岗岩、石灰岩，将其切割为250 mm×30 mm×35 mm棱柱体小梁试件(见图5)进行三点弯曲试验，试验温度15 ℃，加载速率50 mm/min。试验结果见图6、图7。

图5 不同石料小梁试件

图6 不同石料小梁抗弯拉强度

图7 不同石料小梁抗弯拉应变

辉绿岩、花岗岩、石灰岩为常见的坚硬岩石，其饱和单轴抗压强度>60 MPa，但其抗弯拉强度差异很大。由图6、图7可知：辉绿岩的抗弯拉强度最高，花岗岩次之，石灰岩最低，仅为13.5 MPa；抗弯拉应变表现出同样的规律。就抗弯拉性能而言，辉绿岩的力学性能最优。

3 不同集料对环氧沥青混合料疲劳性能的影响

为进一步探究不同类型集料对环氧沥青混合料力学性能的影响，进行辉绿岩、花岗岩、石灰岩环氧沥青混合料马歇尔试验、15 ℃和-10 ℃小梁弯曲试验。试验采用相同的细级配，最佳油石比为6.5%，填料为石灰岩矿粉。试验结果见表3和图8～10。

表3 3种集料环氧沥青混合料马歇尔试验结果

图8 不同集料环氧沥青混合料小梁抗弯拉强度

图9 不同集料环氧沥青混合料小梁抗弯拉应变

图10 不同集料环氧沥青混合料小梁冲击韧性

由表3可知：不同集料环氧沥青混合料的马歇尔稳定度与流值基本一致，考虑试验误差，可认为集料类型对马歇尔稳定度与流值无明显影响。

由图8～10可知：在15 ℃环境下，3种集料环氧沥青混合料的抗弯拉强度基本一致，抗弯拉应变与冲击韧性大小为辉绿岩混合料>花岗岩混合料>石灰岩混合料，辉绿岩的抗弯拉应变与冲击韧性约为石灰岩混合料的2倍。在-10 ℃低温环境下，3种集料混合料的抗弯拉强度、抗弯拉应变与冲击韧性大小为辉绿岩混合料>花岗岩混合料>石灰岩混合料，辉绿岩混合料的冲击韧性约为石灰岩混合料的2.7倍。

结合3种石料小梁抗弯拉强度大小关系(辉绿岩>花岗岩>石灰岩)，环氧沥青混合料强度与集料类型有关，集料强度越大，环氧沥青混合料的抗弯拉性能越好，该特征在低温环境下尤为显著。

图11、图12为环氧沥青混合料15 ℃与-10 ℃小梁弯曲断面微观结构。对比图11、图12可知：15 ℃、-10 ℃环境下，各集料混合料的小梁断面均存在集料颗粒断裂现象，且在-10 ℃低温环境下集料颗粒断裂更显著。在15 ℃环境下，辉绿岩混合料小梁断面仅存在少量集料颗粒断裂，断面破坏主要表现为沥青胶浆破坏；花岗岩与石灰岩中存在较多集料颗粒断裂。这主要是因为辉绿岩集料抗弯拉强度高，在荷载作用下混合料内部沥青胶浆更易断裂。在-10 ℃环境下，3种集料混合料小梁断面均存在明显的集料颗粒断裂现象，其中强度较高的辉绿岩集料断裂最少，石灰岩最多。结合图8～10，-10 ℃环境下3种混合料的抗弯拉强度均很高，但弯拉应变与冲击韧性低于15 ℃时的测试值，这主要是由材料的低温脆性引起的。

图11 不同集料环氧沥青混合料小梁断面(15 ℃)

图12 不同集料环氧沥青混合料小梁断面(-10 ℃)

大部分材料都会表现出低温脆性特性，不同于普通沥青混合料，环氧沥青胶浆由于胶结力强度较高，常温环境下受力弯曲时胶浆与集料不容易发生黏附破坏，因而环氧沥青混合料强度高、抗疲劳性能优异。在低温环境下，由于低温脆性特性，环氧沥青混合料同样易发生脆断，但集料强度较高时，环氧沥青混合料的整体抗弯拉性能较强。微观断裂结构照片表明，提高集料强度，可减少环氧沥青混合料受力时集料断裂，改善环氧沥青混合料的抗弯拉性能，进而增强混合料的疲劳耐久性，延长其疲劳寿命。

目前环氧沥青混合料路用碎石集料的选用大都基于普通沥青混合料集料指标，如压碎值、抗压强度及针片状含量等。但环氧沥青相对于普通沥青具有更好的力学性能，钢桥面用环氧沥青铺装层的受力环境及情况相对于普通高等级沥青路面更复杂，在进行环氧沥青混合料材料设计时，应考虑采用更优质的碎石集料，尤其应考虑集料自身的断裂强度，以提高混合料的力学性能，延长混合料的使用寿命。