桥面铺装用环氧沥青混合料的制备及其性能研究*

廖津和，罗美雯，陈海明

（1.佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山 528300；2.广州十安工程技术有限公司，广东 广州 510000；3.华南理工大学 交通学院，广东 广州 510000）

路面结构设计的目标通常是提供一个结构良好的路面系统，该系统能够在设计寿命内承受大型车辆的重复载荷，而不会造成过大的损伤。从道路使用者的角度来看，路面更重要的功能是其表面性能，包括光滑、安全、低噪音，以及在夜间和下雨时标记的良好能见度[1]。这些表面性能需求通常不能全部由用作路面结构层的密级沥青混合料满足，因为它们的空隙含量较低[2]。相反，高孔隙率的沥青混合料，在美国称为开级配摩擦层（OGFC），通常作为一个磨耗层放置在路面表面，以提供所需的表面功能[3-5]。环氧沥青（即环氧树脂改性沥青）是一种热固性材料。在混合之前，它通常以两种单独的成分储存，即环氧树脂和固化剂/沥青[6-9]。一旦这两种成分混合，它们就会进行不可逆的化学反应，从而增加混合物的硬度和强度[10-12]。固化后的混合料不仅比传统沥青混合料更坚韧，而且比传统沥青混合料更有弹性，而且不像传统沥青结合料在高温下软化那么严重。虽然环氧树脂的成本较高，但将其在沥青混合料中的使用限制在一定水平时，铺设路面耐磨层的总成本不会明显增加。此外，从寿命周期成本的角度来看，材料成本的增加可以很好地解释为使用寿命的延长[13-15]。

与其他路用性能相比，关于环氧沥青混合料功能特性的相关研究成果较少。为研究小粒径大孔排水环氧沥青混合料的功能特性，本文选取环氧沥青和PG64-16 沥青组成混合料。通过一系列对比实验，主要研究开放级配环氧沥青混合料的功能特性，为钢桥面环氧沥青混合料的推广应用提供一定的技术支持。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

集料（0～3mm 陕西西安某玄武岩纤维股份有限公司）；环氧沥青（环氧树脂、道路石油沥青与固化剂均质合成物按照1∶6 质量比配制而成 广东环氧沥青生产厂家）；骨料（陕西西安某玄武岩纤维股份有限公司）。

3H-2000PB 型渗透率仪（贝士德仪器科技（北京）有限公司）；JB-W300B 型摆式摩擦试验机（济南一诺世纪试验仪器有限公司）；YN-DX01 型动摩擦试验机（东莞市南粤实验设备有限公司）。

1.2 实验方法

实验包括一种集料级配和一种环氧沥青黏结剂。为了进行比较，本文还测试了两种常见的OGFC混合物，其最大骨料粒径（NMAS） 为13.2 和4.75mm。这两种混合物使用较大的骨料尺寸和常见的聚合物改性黏结剂。这些骨料都产自中国江苏省的一个玄武岩采石场。具体骨料级配见表1。通过渗漏实验，确定了由两种沥青黏结剂、两种级配类型组成的4 种沥青混合料的最佳油石比见表2。

表1 测试中使用的沥青级配情况Tab.1 Asphalt gradation used in the test

表2 4 种沥青混合料的最佳油石比Tab.2 Optimum asphalt-stone ratio of the four asphalt mixtures

具体实验步骤如下：

（1）水渗透性能 在直径为152.4mm、高度为95.3mm 的马歇尔压实圆柱形试样上，用渗透率仪测量其渗透率。根据达西定律计算渗透系数，见式1。

式中 k：渗透系数，cm·s-1；a:液压立管内部截面积，cm2；l：试件厚度，cm；A：试件面积，cm2；Δt：时间差，t2-t1；h1、h2：水位相对高度，cm。

（2）摆摩擦系数实验 采用英国摆式摩擦试验机对环氧沥青混合料的摩擦系数进行了测试。

（3）动摩擦系数实验 为获得环氧沥青混凝土路面在不同车辆加载率下的摩擦性能，采用动摩擦试验机测定环氧沥青混合料试件的动摩擦系数。实验按照ASTM E 1911-98 的程序进行。试件为502mm× 167mm×76mm 钢轮磨削形成的平板试件，进行了3 次平行实验。

（4）吸声系数测试 本文根据ASTM E 1050 规定，对4 种大孔沥青混合料的吸声系数进行了测试。

2 结果与分析

2.1 水渗透性能

水渗透性能实验结果见图1。本文选取的OGFC4.75 和OGFC13 的透水系数均大于0.16cm·s-1，说明所有开级配沥青混合料均具有良好的透水性能。对于相同沥青黏结剂类型，OGFC13 级配的渗透性能略好于OGFC4.75 级配，其原因可能是较大的集料粒径会增加混合料中连通气孔的数量。对于相同级配，PG64-16 沥青混合料的渗透性能略好于环氧沥青混合料。

图1 试样透水性能测试结果Fig.1 Test results of the permeability of the sample

2.2 摆摩擦系数实验

摆摩擦系数实验的测试结果见图2。

图2 摆锤摩擦系数实验结果Fig.2 Test results of friction coefficient of pendulum

由图2 可见，大粒径OGFC13 级配时，环氧沥青黏结剂的抗摩擦性能优于PG64-16 级配，而小粒径OGFC4.75 级配时，则相反。小粒径的OGFC4.75 级配混合料整体抗摩擦性能优于大粒径的OGFC13 级配混合料，说明减小最大标称粒径会增加路面的抗滑性能，但增幅不大。

2.3 动摩擦系数实验

图3 为动摩擦系数实验结果。

图3 动摩擦系数实验结果Fig.3 Test results of dynamic friction coefficient

由图3 可见，随着仪器转盘转速的升高，沥青混合料试件表面摩擦系数变小。说明在实际路面中，行驶速度越快，轮胎与路面层的摩擦系数越小，抗滑能力越差。因此，雨天车辆在沥青混凝土路面上行驶时，应适当降低车速，以免发生打滑。对于同类型级配，环氧沥青混合料提供的动摩擦系数明显优于PG64 沥青混合料，证明环氧沥青在提供路面抗滑性能以保证车辆安全方面具有较强的优势。对于同类型黏结剂，小粒径的OGFC4.75 可以提供比OGFC13更高的动摩擦系数，这与摆摩擦系数实验的结论一致。环氧树脂的加入可以改善沥青混合料的疲劳性能。这可能是由于环氧树脂吸收和分散了疲劳载荷产生的集中应力，延缓了微裂纹的发展，从而延缓了沥青混合料的损伤。在低应力水平下，弹性应变在疲劳过程中起主导作用,卸载后弹性应变恢复。随着应力水平的增大，塑性应变起主导作用。

2.4 吸声系数测试

本文根据ASTM E 1050 规定，对4 种大孔沥青混合料的吸声系数进行了测试。实验结果见图4。

图4 不同沥青混合料的吸声系数Fig.4 Sound absorption coefficient of different asphalt mixtures

由图4 可见，添加PG64 沥青的OGFC4.75 混合料的吸声系数低于其他3 种混合料。PG64 沥青混合料除600Hz 和700Hz 频率外，其吸声系数均低于环氧沥青混合料。由此可见，环氧沥青可以提高混合料的降噪性能。同时，由于这一特性，更大的标称最大尺寸可以达到更好的降噪效果。

3 结论

为了更好地掌握开级配环氧沥青混合料的排水、降噪、防滑性能等功能特性，本文选取环氧沥青作为胶凝材料，制备了OGFC4.75 和OGFC13 沥青混合料。通过渗透性能实验、摆锤实验、动摩擦系数实验和吸声系数实验对环氧沥青混合料的功能性能进行了研究，实验结果表明，OGFC 级配混合料粒径越大，其渗透性能越好，PG64 的渗透性能略好于环氧沥青混合料。环氧沥青黏结剂的路面防滑性能优于PG64 沥青黏结剂。吸声系数测试结果表明，环氧树脂沥青具有较好的降噪性能。