断级配热拌环氧沥青混合料及其性能试验评估

陈 章，陈贇峰，李 娣

（1.江苏省交通工程建设局，江苏南京 210004；2.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏南京 211806）

0 引言

当前，全国已建成超1 500 座正交异性钢桥面板类桥梁，我国在役、规划及在建此类桥梁已有200 余座[1]，环氧沥青混凝土以其优异的高低温、抗疲劳等性能迅速应用；根据江苏省典型大跨径桥梁钢桥面铺装实桥构造深度统计数据，传统环氧EA-10 构造深度整体偏小，在通车的初期，构造深度仅为0.3 mm 左右；摆式摩擦系数在通车前约70 BPN，随着通车年限的增加，逐年衰减5%左右[2-3]，抗滑性能偏弱。

SMA 混合料为一种间断级配混合料，粗集料含量多、矿粉用量多、沥青用量大，由粗集料石-石接触形成骨架结构，沥青、矿粉、纤维组成的玛蹄脂填充其空隙[4]。大量的研究与工程验证了其具有良好的路用性能，国内也在高等级路面中广泛使用。因此为提升桥面安全性能，本文提出了断级配热拌环氧沥青混合料，增加粗集料用量以提高其高温性能与抗滑性，沿用较多的矿粉掺量，填充空隙降低透水性。

1 原材料及试验方法

在选择铺装材料时，须对选用材料的全部指标进行试验。断级配热拌环氧沥青由沥青、环氧树脂、粗集料、细集料、矿粉、聚酯纤维组成。

1.1 环氧沥青胶结料

本文采用沥青为南通通沙沥青科技有限公司生产的改性沥青；环氧树脂为中路交科自主研发的热拌环氧树脂。

环氧沥青是将环氧树脂、固化剂与沥青在一定条件下经复杂的化学反应所得的聚合物，由组分A（环氧树脂）、组分B（固化剂）及组分C（沥青）构成。环氧树脂∶固化剂∶沥青的比例为3∶2∶5，技术要求见表1。

表1 环氧沥青结合料技术要求

从施工和易性的经验来看，建议将环氧沥青黏度值1.00～2.00 Pa·s 作为控制混合料碾压的范围，否则混合料将无法压实。温度过高会加速沥青老化，根据黏度试验结果，最终建议施工温度为170～180 ℃之间，可施工时间大于3 h（如图1）。

图1 热拌环氧沥青黏-时曲线

1.2 集料

粗集料、细集料为江苏茅迪生产玄武岩，规格为9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.6～2.36 mm 和0～0.6 mm，依次为1 号、2 号、3 号、4 号和5号料；矿粉为南通鼠尾草经贸有限公司生产的干燥、洁净、无污染的石灰岩，技术指标如表2 所示。

表2 集料密度试验结果

1.3 聚酯纤维

聚酯纤维是聚合物中的一种有机纤维，自1997 年引进聚酯纤维加筋沥青路面技术以来，已广泛用于我国多数桥面铺装和路面工程中，实践证明聚酯纤维能有效增强沥青混合料的路用性能。本文采用江苏海德生产的6 mm 短切聚酯纤维，纤维掺量为沥青混合料质量的0.3%。

1.4 试验方法

参照SMA 级配范围，根据体积设计法，初定3 个级配成型马氏试件，测试体积指标，确定初选级配；采用3 种油石比，成型马氏试件，测试体积指标，确定最佳油石比，即可确定设计级配。

参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2019）进行最佳油石比下的马歇尔稳定度试验（固化）、浸水马歇尔试验（非条件为60 ℃水浴保温0.5 h，条件为60 ℃水浴保温48 h）、冻融劈裂试验（条件为经过冻融循环后25 ℃水浴保温2 h，非条件为25 ℃水浴保温2 h）来检验环氧沥青混合料的水稳定性能；车辙试验（宜采用可控温（70±1）℃、施加轮压0.7 MPa±0.05 MPa 的试验机，本文采用自动车辙试验仪，型号JCLH010）来检验环氧沥青混合料的高温稳定性能；弯曲试验（-10 ℃）来检验环氧沥青混合料低温抗裂性能；参考《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》（GB/T 30598—2014）[5]，环氧沥青混合料技术要求如表3 所示。并参考《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019）测试构造深度、摆式摩擦系数及渗水系数，检验其抗滑性能及渗水性能。

表3 环氧沥青混合料技术要求

2 结果与讨论

2.1 级配设计

环氧沥青混合料是指将环氧树脂、固化剂、沥青混合制成的环氧沥青作为结合料与矿料加热拌和，而得到的一种热固性的环氧沥青混合料。传统环氧沥青混凝土密级配存在表面致密、构造深度偏小、作表面层时抗滑性能不足的问题，本文采用SMA 间断级配对环氧沥青铺装进行功能性优化。断级配环氧沥青混合料工程设计级配参考SMA 级配范围，如表4 所示。

表4 环氧ESMA-10沥青混合料工程设计级配范围

初定环氧ESMA-10 的3 种级配A、B、C，2.36 mm 筛孔通过率分别为23.1%、26.1%和29.5%，3 种级配设计曲线如图2 所示。按油石比为6.2%制作马歇尔试件，测定VCAmix指标，在满足VCAmix小于VCADRC的基础上确定级配，最终取级配C 为设计级配。

图2 环氧ESMA-10沥青混合料设计级配曲线图

2.2 最佳油石比确定

按比例称取矿料配制级配C，采用5 种油石比进行马歇尔试验，测定各组试件的稳定度、流值、空隙率等指标，并确定各组对应的理论最大相对密度。试验结果见表5。

表5 环氧ESMA-10设计级配马歇尔稳定度试验结果

根据设计要求，空隙率应控制在3.0%以内。该次油石比为6.2%时空隙率为2.2%，其他指标（VCAmix、稳定度、流值）均满足技术文件要求，根据实际工程应用经验，选取6.2%为设计油石比。

2.3 力学性能

采用上述级配及油石比，进行马歇尔稳定度试验，试件放入60 ℃水中30 min 后测试。试验结果如表6 所示，断级配热拌环氧沥青ESMA 混合料的稳定度达到64.64 kN，远大于环氧沥青混合料的稳定度≥40 kN 的技术要求。

表6 环氧ESMA-10马歇尔试验结果

2.4 高温性能

采用自动车辙试验仪（型号JCLH010），检验环氧沥青ESMA 的高温稳定性，测定其高温抗车辙能力。利用轮碾机成型满足目标空隙率的车辙试件，在（70±1）℃，0.7 MPa±0.05 MPa 条件下，进行车辙试验，结果如表7 所示。由试验结果可知，环氧沥青ESMA-10 的车辙动稳定度达到19 000 次/mm 以上，远远满足规范对环氧沥青混合料的动稳定度≥5 000 次/mm（70 ℃）的技术要求，说明断级配热拌环氧沥青混合料ESMA-10 具有良好的高温抗车辙能力。

表7 环氧ESMA-10车辙试验结果 单位：次/mm

2.5 低温性能

环氧沥青在低温条件下易发生病害。本节对其进行低温小梁试验，结果如表8所示。由试验结果可知，断级配热拌环氧沥青ESMA-10的破坏应变达到3 981 με，抗弯拉强度大于35 MPa，满足规范要求，不仅有较高的强度，而且低温下具有良好的抗裂性能。

表8 低温弯曲测试结果

2.6 水稳性能

成型马歇尔试件，进行条件及非条件养生后进行劈裂试验，并计算劈裂强度比，结果如表9 所示。由试验结果可知，冻融劈裂强度为85.2%，满足规范要求，说明断级配热拌环氧沥青混合料具有优良的水稳性能。

表9 冻融劈裂测试结果

表10 抗滑性能测试数据

2.7 抗滑性能

室内成型试件测试构造深度、摆值，并依托新通扬运河及跨G328 大桥新建工程，测试实桥断级配热拌环氧沥青构造深度、摆值（图3、图4）。由结果可知，断级配热拌环氧沥青的摩擦摆值达到74 BPN，构造深度达到0.70 mm，满足《公路沥青路面设计规范》[6]的技术要求；远大于常规环氧沥青混合料级配EA-10 的构造深度（0.45 mm），表明断级配热拌环氧沥青具有优异的抗滑性能，行车安全性高。

图3 摆值测试

图4 构造深度测试

2.8 渗水系数

对室内成型试件测试渗水系数，并依托新通扬运河及跨G328 大桥新建工程，测试断级配热拌环氧沥青ESMA-10 渗水系数（图5、图6）。实测其渗水系数为0 mL/min，不渗水，说明断级配热拌环氧沥青具有良好的抗渗透性能。

图5 室内渗水系数测试图

图6 实桥渗水系数检测

3 结论

本文提出了断级配热拌环氧ESMA 沥青混合料，相比常规级配EA 环氧沥青混合料，提升了抗滑性能及行车舒适性；通过室内试验及实桥检测得出以下主要结论：

a）通过胶结料黏度试验可得，环氧沥青混合料可施工时间大于3 h，具有较好的施工和易性。

b）断级配热拌环氧沥青混合料借鉴SMA级配，马歇尔稳定度大于60 kN，70 ℃动稳定度大于19 000 次/mm，-10 ℃低温弯曲应变大于3 900 με，冻融劈裂比达到85%，路用性能优异。

c）依托新通扬运河大桥实桥工程，测试摆式摩擦系数大于70 BPN，构造深度达到0.70 mm，抗滑性能优异，行车舒适性高；渗水系数为0 mL/min，即断级配热拌环氧沥青混合料不渗水。