環(huán)氧薄層鋪裝材料斷裂性能試驗(yàn)研究

崔樹華，盧 鋼，方 星，磨煉同

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，錫林浩特 026000；2.通遼市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，通遼 028000；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430070）

橋梁是交通運(yùn)輸?shù)难屎硪溃淅锍淘诠房偫锍讨兴急壤苄。湟蚓S修養(yǎng)護(hù)給整個(gè)路網(wǎng)通行能力的影響是巨大的。橋面鋪裝材料由于其所在的特殊結(jié)構(gòu)位置，其使用壽命遠(yuǎn)小于普通瀝青路面。由于在橋梁處更易形成渠化交通，同時(shí)鋪裝層受力更為復(fù)雜，橋面鋪裝層比普通瀝青路面更容易產(chǎn)生早期損壞，嚴(yán)重制約著其使用品質(zhì)和壽命。頻繁的養(yǎng)護(hù)、維修，甚至翻修不僅僅浪費(fèi)了大量的財(cái)力、物力和人力，還造成了嚴(yán)重的交通擁堵。武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋十年24次大修就是典型例子。

橋梁在道路交通運(yùn)輸中的特殊角色要求其橋面鋪裝材料必須滿足耐久性的要求。此外，維修養(yǎng)護(hù)成本及其方便性，因維修導(dǎo)致的交通擁堵所帶來的社會(huì)成本也應(yīng)引起重視。橋面鋪裝材料的選擇依據(jù)更應(yīng)建立在使用年限內(nèi)的綜合成本而非初期投資成本之上。因此在水泥混凝土橋面上大多采用改性瀝青混凝土鋪裝。在鋼橋面上，由于橋面板變形大，因此多采用澆注式SMA瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土。此外，薄層環(huán)氧樹脂混凝土也開展了一些室內(nèi)試驗(yàn)研究。

國(guó)內(nèi)外眾多實(shí)體工程應(yīng)用結(jié)果表明鋼橋面鋪裝仍是世界難題。鋼橋面鋪裝層的層間黏結(jié)破壞以及鋪裝層表面彎拉應(yīng)變導(dǎo)致的疲勞開裂是重點(diǎn)考慮的問題。這要求鋼橋面鋪裝材料必須與鋼橋面板具有良好的黏結(jié)性能（特別是高溫條件下），同時(shí)還須具有良好的柔性（特別是在低溫條件下），以便能追隨橋面板的大變形而不發(fā)生低溫開裂和疲勞開裂。

薄層環(huán)氧抗滑鋪裝材料是一種新型的道路材料，其厚度僅為5～10mm，由環(huán)氧樹脂和單一粒徑耐磨集料組合而成，其中環(huán)氧樹脂與集料、混凝土、鋼板等粘結(jié)性好，可對(duì)橋面起到很好的保護(hù)作用；單一粒徑耐磨集料的使用使得鋪裝層表面粗糙，可起到很好的抗滑作用。采用改性環(huán)氧樹脂制備的鋪裝材料低溫柔性和疲勞性能可大大改善。鋪裝厚度很小，成本相對(duì)較低，同時(shí)減少橋梁負(fù)載。此外，薄層環(huán)氧抗滑鋪裝的表面修復(fù)工作簡(jiǎn)單易行，無需長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)，短期即可開放交通。

通過與環(huán)氧瀝青混凝土、SMA瀝青混凝土對(duì)比分析，研究不同溫度（－10～60℃）下環(huán)氧鋪裝材料的斷裂力學(xué)性能。采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析溫度對(duì)上述3種材料彎曲強(qiáng)度、最大彎曲應(yīng)變、彎曲勁度模量和斷裂應(yīng)變能密度的影響，為新材料的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用環(huán)氧粘結(jié)劑為DH－IV環(huán)氧膠黏劑，由武漢興正源路橋復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，是一種無溶劑、100%固含、低模量雙組分復(fù)合材料粘結(jié)劑，所用抗磨集料為玄武巖細(xì)集料，粒徑在2.36～4.75mm之間。一般地，環(huán)氧薄層抗滑材料采用兩層鋪筑：第一層環(huán)氧膠黏劑的涂膠用量為1.0L/m2，玄武巖細(xì)集料播灑用量為5.4kg/m2；第二層環(huán)氧膠黏劑的用量為2.0L/m2，玄武巖細(xì)集料用量為7.6kg/m2。為了滿足小梁三點(diǎn)彎曲試件的厚度要求，試驗(yàn)采用多層鋪筑方式，即重復(fù)前述第二層的制備工藝，先制成面板后再切割成所需要的小梁試件。

SMA改性瀝青混合料試驗(yàn)采用湖北國(guó)通道誠(chéng)PG76－22改性瀝青，其性能應(yīng)能符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的技術(shù)要求，按美國(guó)SUPERPAVE瀝青分級(jí)可達(dá)到PG76－22技術(shù)要求。老化前瀝青針入度為53，軟化點(diǎn)80℃，5℃延度為38cm。瀝青老化后針入度為36，彈性恢復(fù)為95%。試驗(yàn)所用粗集料為1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）和3＃料（2.36～4.75mm）三檔碎石，其來源是江蘇鎮(zhèn)江茅迪機(jī)砸玄武巖碎石，石屑采用武穴鑫鑫偉業(yè)石料廠生產(chǎn)的0～2.36mm碎石，礦粉采用鄂州四達(dá)物資有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。試驗(yàn)采用的SMA－13瀝青混合料，其級(jí)配設(shè)計(jì)依據(jù)JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中SMA－13級(jí)配中值進(jìn)行。最佳油石比為5.8%，纖維摻量為0.2%，馬歇爾擊實(shí)試件的空隙率為3.8%。按最佳油石比設(shè)計(jì)的SMA－13瀝青混合料的各項(xiàng)體積指標(biāo)及路用性能指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

所用環(huán)氧瀝青由美國(guó)Chem Cosystem公司生產(chǎn)，集料選用江蘇鎮(zhèn)江茅迪實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的玄武巖集料。合成級(jí)配在關(guān)鍵篩孔13.2mm，9.5mm，4.75mm，2.36mm，0.6mm和0.075mm的通過率分別為100%，97.3%，74.2%，61.3%，35.8%和10.9%。環(huán)氧瀝青混合料按馬歇爾擊實(shí)成型試件，油石比變化范圍為6%～7%，雙面各擊實(shí)75次，成型后的試件在120℃烘箱內(nèi)固化4h后測(cè)定其體積參數(shù)。以2.2%為目標(biāo)空隙率，綜合其它性能確定最佳油石比為6.9%，聚酯纖維摻量為0.2%。

1.2 方法

該次試驗(yàn)采用JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0715—1993瀝青混合料彎曲試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)上述3種材料彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來進(jìn)行，小梁尺寸為長(zhǎng)250mm×寬30mm×高35mm，跨徑為200mm。SMA瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料均按輪碾法成型成一個(gè)長(zhǎng)300mm×寬300mm×高50mm的面板試樣，再切制成試驗(yàn)所需的棱柱體小梁試件。環(huán)氧薄層鋪裝材料則按前述的多層鋪筑方式制備面板試樣后再切割。

該試驗(yàn)采用UTM－25伺服液壓系統(tǒng)進(jìn)行小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，按位移控制模式加載，加載速率為50mm/min。試件所受載荷由荷重傳感器測(cè)量，試驗(yàn)垂直變形由壓頭位移進(jìn)行計(jì)算。為了較全面了解不同材料彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)，考慮了材料在實(shí)際服役時(shí)所受到的溫度范圍，試驗(yàn)溫度共設(shè)計(jì)5個(gè)點(diǎn)，分別為－10℃，0℃，10℃，25℃和60℃。采用平行試驗(yàn)，溫度由UTM－25伺服液壓系統(tǒng)保溫箱進(jìn)行控溫，試驗(yàn)前小梁在設(shè)定溫度條件下在保溫箱保溫達(dá)到4h以上。由于荷載－跨中位移曲線在試驗(yàn)初始階段出現(xiàn)明顯的弧形位移變化，表明試驗(yàn)還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此位移的實(shí)際原點(diǎn)將按試驗(yàn)規(guī)程要求進(jìn)行修正。

通過小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載過程中所能承受的荷載最大值以及軸向位移，試件的彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量以及斷裂應(yīng)變能可按下式計(jì)算。

式中，σB為試件破壞時(shí)的彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為試件破壞時(shí)的彎拉應(yīng)變；SB為試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量，MPa；W為應(yīng)變能密度，由應(yīng)力－應(yīng)變所圍成的面積確定，106J/m3；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；dB為試件破壞時(shí)的跨中實(shí)際撓度，mm；L為小梁試件的跨度，取200mm；b為小梁試件的寬度，mm；h為小梁試件的高度，mm。

2 結(jié)果與討論

圖1為環(huán)氧薄層鋪裝材料在不同溫度下的彎拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線。如圖1所示，環(huán)氧薄層鋪裝材料在常溫或高溫時(shí)表現(xiàn)為延性破壞形式，即以大的應(yīng)變的流值形式破壞。當(dāng)隨著溫度下降到10℃附近時(shí)，環(huán)氧鋪裝材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線仍呈一定曲線性，表明材料發(fā)生了脆性－延性破壞。當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線基本以線性方式發(fā)展直至破壞性，表明脆性破壞趨勢(shì)較明顯。

由于SMA瀝青混凝土在高溫時(shí)軟化，60℃時(shí)的小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)因試驗(yàn)前的高溫蠕變破壞而未能順利進(jìn)行。圖2中SMA瀝青混凝土在常溫時(shí)是以大的應(yīng)變的流值形式破壞，10℃時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈拋物線，而溫度低于0℃應(yīng)力－應(yīng)變曲線的線性增強(qiáng)，脆性破壞趨勢(shì)增大。

如圖3所示，環(huán)氧瀝青混凝土在不同溫度下的破壞模式與SMA瀝青混凝土相似。在常溫或高溫時(shí)表現(xiàn)為延性破壞，而在10℃附近時(shí)其應(yīng)力－應(yīng)變曲線仍呈曲線性，表明脆性－延性破壞起主導(dǎo)作用，低于10℃后應(yīng)力－應(yīng)變曲線明顯呈線性變化，脆性破壞趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。

圖2為上述彎曲強(qiáng)度模型對(duì)3種材料試驗(yàn)結(jié)果的擬合效果，表1列出了彎曲強(qiáng)度模型參數(shù)擬合結(jié)果。必須說明的是，圖中圖標(biāo)如方框，棱形和三角形為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而虛線為模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。由圖2所示，模型擬合虛線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很好的重合在一起。表1所列的回歸相關(guān)系數(shù)表明所給的彎曲強(qiáng)度模型很好的擬合所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)均大于0.90，模擬值與試驗(yàn)值的絕對(duì)誤差最大的為7.0%，最小僅為0.7%。

表1為不同材料在不同溫度下的小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果平均值匯總。3種材料的彎曲強(qiáng)度大小順序?yàn)椋涵h(huán)氧瀝青混凝土、環(huán)氧鋪裝材料和SMA瀝青混凝土。SMA瀝青混凝土的彎曲強(qiáng)度對(duì)溫度最為敏感，溫度從0℃上升到25℃時(shí)彎曲強(qiáng)度下降最顯著，環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料的強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律基本相同。在高溫60℃時(shí)，與SMA瀝青混凝土相比，環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料仍具與足夠高的強(qiáng)度，可表現(xiàn)出比SMA瀝青混合料更好的高溫穩(wěn)定性。

表1 不同材料在不同溫度下的小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果平均值匯總

不同溫度下環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土彎曲勁度模量對(duì)比分析表明環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲勁度模量最大，環(huán)氧鋪裝材料的彎曲勁度模量次之，而SMA瀝青混凝土的彎曲勁度模量最小。與強(qiáng)度相似，在這3種材料中，SMA瀝青混凝土的彎曲勁度模量對(duì)溫度最為敏感，溫度從0℃上升到25℃時(shí)彎曲勁度模量下降趨勢(shì)大于環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料的彎曲勁度模量隨溫度的變化趨勢(shì)。上述分析結(jié)果表明環(huán)氧鋪裝材料的勁度模量介于環(huán)氧瀝青混凝土與SMA瀝青混凝土之間，可適用于道路鋪裝層。

不同溫度下3種材料的最大彎曲應(yīng)變對(duì)比分析表明環(huán)氧鋪裝材料的最大彎曲應(yīng)變最大，而SMA瀝青混凝土的最大彎曲應(yīng)變最小，環(huán)氧瀝青混凝土的最大彎曲應(yīng)變介于上述兩者之間。至于－10℃低溫彎曲應(yīng)變大小為：環(huán)氧鋪裝材料4 219μm/m，環(huán)氧瀝青混凝土2 543μm/m和SMA瀝青混凝土3 202μm/m。由于－10℃低溫彎曲應(yīng)變大小反映了材料抗溫縮開裂和應(yīng)變控制模式下的疲勞性能，因此可知環(huán)氧鋪裝材料抗溫縮開裂和疲勞性能優(yōu)于環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土。

3種材料的斷裂應(yīng)變能密度隨溫度的變化規(guī)律略為復(fù)雜，其并非單調(diào)增加或減小。溫度－斷裂應(yīng)變能密度變化規(guī)律中呈現(xiàn)出一個(gè)峰值，每種材料峰值對(duì)應(yīng)的溫度并不相同，如SMA瀝青混凝土的峰值在10℃，而環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料的峰值在較高的溫度，如20℃。由于斷裂應(yīng)變能密度的大小與材料抗裂紋擴(kuò)展的性能相關(guān)，表明環(huán)氧鋪裝材料和環(huán)氧瀝青混凝土在常溫至高溫區(qū)的抗裂紋擴(kuò)展能力優(yōu)于SMA瀝青混凝土。SMA瀝青混凝土在10℃附近的抗裂紋擴(kuò)展能力最佳。與環(huán)氧瀝青混凝土相比，環(huán)氧鋪裝材料在各溫度范圍內(nèi)均優(yōu)于環(huán)氧鋪裝材料。在－10℃時(shí)，環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土斷裂應(yīng)變能密度分別為5.01×104J/m3，4.12×104J/m3和4.00×104J/m3，表明環(huán)氧鋪裝材料低溫抗裂性優(yōu)于其它兩種材料。

3 結(jié) 論

a.試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)氧鋪裝材料的各項(xiàng)力學(xué)性能呈溫度依賴性。與環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土相比，環(huán)氧鋪裝材料的溫度敏感性與環(huán)氧瀝青較為相似，但小于SMA瀝青混凝土的溫度敏感性。

b.環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土在不同溫度下的破壞模式相類似。在常溫和高溫段呈延性破壞，在10℃附近則呈延性－脆性破壞，而低于0℃后脆性破壞趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。

c.不同溫度下，環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土3種材料的彎曲強(qiáng)度從大到小順序?yàn)椋涵h(huán)氧瀝青混凝土、環(huán)氧鋪裝材料和SMA瀝青混凝土。在高溫60℃時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料仍具與足夠高的強(qiáng)度，表現(xiàn)出比SMA瀝青混合料更好的高溫性能。

d.在不同的溫度下，環(huán)氧鋪裝材料的勁度模量介于環(huán)氧瀝青混凝土與SMA瀝青混凝土之間，表明其適用于道路鋪裝材料。

e.在不同的溫度下，環(huán)氧鋪裝材料的最大彎曲應(yīng)變均大于SMA瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土。－10℃低溫彎曲應(yīng)變大于4 000μm/m，表明環(huán)氧鋪裝材料抗溫縮開裂性能良好。

f.環(huán)氧鋪裝材料和環(huán)氧瀝青混凝土均在常溫區(qū)出現(xiàn)斷裂應(yīng)變能密度的峰值，SMA瀝青混凝土出現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)的溫度為10℃。在低溫－10℃時(shí)，環(huán)氧鋪裝材料的斷裂應(yīng)變能密度均大于環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土，表現(xiàn)出較好的抗裂紋擴(kuò)展性能。

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