聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系性能研究

劉 攀，羅婷倚，李 璐，郝增恒，3，盛興躍，劉譽貴

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司， 重慶 401336；2.廣西交通科學研究院， 南寧 530007；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067)

環氧瀝青由于其優異的物理力學性能[1-6]，被廣泛應用于國內多座大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝。然而，普通的環氧瀝青固化后脆性高，導致延展性能較差，難以滿足鋼橋面鋪裝層對混合料性能的要求。聚氨酯-環氧瀝青既有環氧樹脂的高強度，又有聚氨酯的優良柔韌性和耐老化性能，具有從根本上改善環氧瀝青脆性大、韌性差和耐久性差的優點[7-9]，將其應用于鋼橋面鋪裝工程，不僅能為橋梁提供行駛性能良好的橋面，還能保證橋梁結構的耐久性。

經過多年發展，“雙層環氧瀝青混凝土”和“澆注式瀝青混凝土+高彈改性瀝青SMA”已成為國內比較成熟的鋼橋面鋪裝結構[10-12]。但從實體工程來看，環氧瀝青混凝土的防水效果和澆注式瀝青混凝土的高溫穩定性還有待提高。已有研究和實踐證明[13]，環氧瀝青混凝土與澆注式瀝青混凝土進行優化組合，在大跨徑鋼橋及高溫重載環境下具有明顯的技術優勢。

筆者所在項目組開發出一種新型的聚氨酯-環氧瀝青混凝土，并結合鋼橋面鋪裝體系結構特性，形成獨立的或與澆注式瀝青混凝土相匹配的鋪裝方案，可供完善鋼橋面鋪裝體系參考。

1 試驗材料

1.1 聚氨酯-環氧瀝青混凝土制備

將聚氨酯改性環氧樹脂與基質瀝青分別在60 ℃和135 ℃的溫度下加熱，通過機械攪拌的方式將其混合，其中瀝青和樹脂的重量比為6∶4，攪拌均勻后，按比例加入復配高溫固化劑，制得聚氨酯-環氧瀝青。集料選用干凈、堅硬、耐磨的玄武巖，其性能指標均滿足相關規范的要求。采用環氧專用級配EA-10，最佳油石比6.6%，拌和溫度180 ℃，制得聚氨酯-環氧瀝青混凝土，60 ℃養護4 d后即可進行相應的性能試驗。

1.2 鋪裝結構防水體系選擇

根據對國內鋼橋面鋪裝病害調查分析和實體工程的實踐經驗，結合鋼橋面鋪裝的使用要求，總結防水粘結層應具有如下性能[10]：1) 良好的層間結合力和變形能力；2) 良好的高溫穩定性和低溫抗裂性；3) 良好的耐久性；4) 良好的水穩性、抗化學腐蝕能力和防水能力；5) 施工操作簡便、易于控制。本文擬采用MMA甲基丙烯酸樹脂防水體系(TOPEVER)、ChemCo環氧粘結劑及自制二階反應環氧粘結劑，進行相應的性能試驗。

1.3 鋪裝結構試件成型

2 聚氨酯-環氧瀝青混凝土路用性能試驗

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》評價聚氨酯-環氧瀝青混凝土的路用性能，并與進口材料作對比，試驗結果如表1所示。

由表1可知，聚氨酯-環氧瀝青混凝土具有比ChemCo環氧混凝土和TAF環氧瀝青混凝土更加優異的低溫抗裂性、水穩定性及抗疲勞性能，其綜合路用性能完全能滿足鋼橋面鋪裝對環氧瀝青類材料的要求。

表1 環氧瀝青混凝土路用性能試驗結果Table 1 Test results of pavement performance of epoxy asphalt concrete

3 聚氨酯-環氧瀝青混凝土的鋪裝體系研究

鋼橋面鋪裝整體結構所表現出的性能往往與單一材料的性能不一致，不同類型的組合結構所表現出的整體性能也存在較大差別，鋪裝整體結構性能與其實際使用性能具有良好的相關性[11]。擬定3種鋪裝結構，進行界面粘結性能試驗、車轍試驗和疲勞性能試驗。

鋪裝結構一：TOPEVER+澆注式瀝青混凝土GA-10+聚氨酯-環氧瀝青混凝土REA-10；鋪裝結構二：自制二階反應環氧防水粘結劑+澆注式瀝青混凝土GA-10+聚氨酯-環氧瀝青混凝土REA-10；鋪裝結構三：自制二階反應環氧防水粘結劑+雙層聚氨酯-環氧瀝青混凝土REA-10。

3.1 防水粘結材料與鋪裝體系的適應性研究

鋼橋面鋪裝層結構的界面結合強度試驗直接反映鋪裝體系整體的抗剪強度和鋪裝層抗推移(滑移)能力[14-15]，考察防水粘結材料與鋼橋面鋪裝層結構間的結合強度。

3.1.1 與聚氨酯-環氧瀝青混凝土的結合強度試驗

分別測試3種防水粘結材料在25 ℃和60 ℃下與聚氨酯-環氧瀝青混凝土間的拉拔強度和剪切強度，試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，在25 ℃和60 ℃下，3種防水粘結材料與聚氨酯-環氧瀝青混凝土的拉拔強度由大到小的順序均為：自制二階反應環氧粘結劑>ChemCo環氧粘結劑>TOPEVER，剪切強度也呈同樣的規律。環氧樹脂防水體系與聚氨酯-環氧瀝青混凝土間的結合強度高于甲基丙烯酸樹脂防水體系，且自制二階反應環氧粘結劑的粘結效果最優。

3.1.2 與澆注式瀝青混凝土的結合強度試驗

分別測試3種防水粘結層材料在25 ℃和60 ℃下與澆注式瀝青混凝土間的拉拔強度和剪切強度，試驗結果如表3所示。

表2 防水粘結材料與聚氨酯-環氧瀝青混凝土結合強度試驗結果Table 2 Test results of bonding strength of waterproof-binder materials and polyurethane epoxy asphalt concrete

表3 防水粘結材料與澆注式瀝青混凝土結合強度試驗結果Table 3 Test results of bonding strength and waterproof-binder materials and gussasphalt asphalt concrete

從表3可以看出，3種防水粘結材料與澆注式瀝青混凝土的拉拔強度和剪切強度也是以自制二階反應環氧粘結劑最優，而TOPEVER粘結效果最差。

表3中3種防水粘結劑均屬于反應型材料，其中自制二階反應環氧粘結劑屬于環氧樹脂類材料，具有十分優異的粘結性能，因此與聚氨酯-環氧瀝青混凝土和澆注式瀝青混凝土都具有良好的結合強度。ChemCo環氧粘結劑屬于環氧瀝青類材料，由于瀝青的緣故導致其粘結性能要差于自制二階反應環氧粘結劑。TOPEVER更多用于澆注式鋪裝體系，它不適宜于環氧瀝青鋪裝體系。據上，建議采用自制二階反應環氧粘結劑作為聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系的防水粘結材料。

3.1.3 鋪裝結構層間結合強度試驗

分別測試25 ℃和60 ℃下鋪裝組合結構的界面拉拔強度和剪切強度，試驗結果如表4所示。

表4 鋪裝結構層間結合強度試驗結果Table 4 Test results of interlayer bonding strength of pavement structures

鋪裝結構一和鋪裝結構二的鋪裝材料相同，而防水粘結材料不同，從表4可以看出鋪裝結構二具有更優的層間粘結性能和抗剪性能，這也再次說明，自制二階反應環氧防水粘結劑更宜作為聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系的防水粘結材料；鋪裝結構二和鋪裝結構三防水粘結材料相同，下面層鋪裝材料不同，從表4可以看出鋪裝結構三具有更優的層間粘結性能和抗剪性能，這是由于自制二階反應環氧防水粘結劑與聚氨酯-環氧瀝青混凝土具有更高的結合強度。這也驗證了前面該粘結劑研究結果的一致性。

3.2 鋪裝結構高溫穩定性試驗

為模擬鋼橋面鋪裝重載的情況，成型組合結構車轍試件，每層混合料厚度為35 mm，試驗溫度70 ℃，1.0 MPa重載進行車轍試驗，試驗結果如表5和圖1所示。

表5 鋪裝結構車轍試驗結果Table 5 Rutting test results of pavement structures

圖1 鋪裝結構車轍深度試驗結果Fig.1 Test results of rutting depth of pavement structures

從表5可以看出，3種鋪裝結構在70 ℃下的車轍動穩定度均大于10 000次/mm，具有十分優異的組合結構高溫穩定性。其中雙層聚氨酯-環氧瀝青混凝土的70 ℃動穩定度達到30 000次/mm，相對鋪裝結構一澆注式瀝青混凝土+聚氨酯-環氧瀝青混凝土組合結構高溫穩定性更優。聚氨酯-環氧瀝青混凝土是一種熱固性材料，高溫性能十分突出。盡管澆注式瀝青混凝土高溫性能較差，但上面層的聚氨酯-環氧瀝青混凝土限制了其變形，使該組合結構表現出優良的高溫性能。

3.3 鋪裝結構疲勞耐久性試驗

進行鋪裝結構的五點彎曲疲勞試驗[16]，采用正弦函數加載，加載頻率10 Hz，試驗溫度20 ℃，試驗過程中每隔30 min檢查結構層出現的裂縫、鋪裝層與試驗板的分離情況或其他損壞。當裂縫長度達到試件總周長的一半時，認為試件徹底破壞。同步評價鋪裝結構二(TAF環氧瀝青混凝土JEA-10)的疲勞耐久性，試驗結果如圖2和表6所示。

圖2 鋪裝結構二疲勞試驗的循環次數-位移曲線Fig.2 Cyclic frequency-displacement curve of fatigue test of type-two pavement structure

從表6可以看出，聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋪裝結構的疲勞耐久性非常突出，疲勞壽命均超過150萬次，其中鋪裝結構二稍優于鋪裝結構一和鋪裝結構三。從表6還可以看出，聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋪裝結構具有比TAF環氧瀝青混凝土鋪裝結構(102.5萬次)優異得多的疲勞耐久性。這是由于聚氨酯-環氧瀝青具有聚氨酯的優良柔韌性，從根本上改善了環氧瀝青脆性大、韌性差和耐久性差的缺點，顯著提高混凝土的疲勞耐久性，因此其鋪裝結構表現出更為優良的疲勞性能。

表6 鋪裝結構疲勞耐久性試驗結果 萬次

4 結論

本文對聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系進行了系統性研究，主要取得如下結論：

1) 對比了聚氨酯-環氧瀝青混凝土、ChemCo環氧瀝青混凝土和TAF環氧瀝青混凝土的路用性能，發現聚氨酯-環氧瀝青混凝土具有更加優異的低溫抗裂性和疲勞耐久性。

2) 考察了3種防水粘結材料與聚氨酯-環氧瀝青混凝土及澆注式瀝青混凝土的結合強度，其中自制二階反應環氧粘結劑的粘結效果最佳，ChemCo環氧粘結劑次之，TOPEVER最差，表明自制二階反應環氧粘結劑宜作為聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋪裝體系的防水粘結材料。

3) 進行了聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋪裝組合結構的路用性能試驗，3種鋪裝結構均具有優異的層間粘結性能、抗剪切性能、高溫穩定性和疲勞性能，且聚氨酯-環氧瀝青混凝土具有比TAF環氧瀝青混凝土優異得多的組合結構疲勞性能。聚氨酯-環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系在大跨徑鋼橋及高溫重載下具有技術優勢，值得推廣應用。