環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能研究

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

一、介紹

環(huán)氧瀝青混凝土被認為是一種具有優(yōu)異的強度性能、高溫穩(wěn)定性和良好的抗疲勞性的鋼橋面鋪裝材料。南京長江二橋是環(huán)氧瀝青混凝土引進中國的第一次重要應(yīng)用。之后用于幾座大跨度鋼橋，包括斜拉橋和懸索橋。此外，環(huán)氧瀝青也已應(yīng)用于武漢天興洲長江大橋等公路與鐵路橋梁中。

長期以來，國內(nèi)外對環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能進行了大量的室內(nèi)試驗研究。就強度性能而言，東南大學(xué)發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混凝土養(yǎng)護后馬歇爾穩(wěn)定度可達50 kN以上，相比普通瀝青混凝土要高10～15kN。在對武漢陽羅長江大橋路面研究時發(fā)現(xiàn)，在漢堡車轍軌試驗中環(huán)氧瀝青混凝土的動穩(wěn)定度在80°C下達到20000次以上。相比之下，常規(guī)瀝青混凝土的動穩(wěn)定度一般小于6000個循環(huán)。環(huán)氧瀝青混凝土的臨界低溫為-28.4°C，滿足大跨度鋼橋混凝土的最低設(shè)計溫度(-15°C)。在東南大學(xué)橋面鋪裝研究小組開發(fā)的復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞試驗?zāi)Ｐ椭校h(huán)氧瀝青混凝土在5kN荷載下(相當于鋼橋面上140 kN軸載)1200萬次循環(huán)后，仍不出現(xiàn)疲勞裂縫。此外，東南大學(xué)還得出結(jié)論環(huán)氧樹脂瀝青混凝土的疲勞性能與傳統(tǒng)的瀝青混凝土相比要好得多。

環(huán)氧瀝青混合料或瀝青混合料的力學(xué)性能雖然已被廣泛研究，但對駕駛體驗影響較大的表面特性還不清楚。因此，本研究的目的是評價環(huán)氧瀝青混凝土的表面特性，包括抗?jié)B性、抗滑性和表面微觀紋理。

二、材料準備

(一)環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑

以環(huán)氧樹脂、基質(zhì)瀝青和固化劑為原料，在一定的條件下，以適量的摻量配制成環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑。

(二)骨料級配

采用優(yōu)質(zhì)耐磨玄武巖(6種不同粒徑的骨料)和石灰石填料配制環(huán)氧瀝青混凝土。

(三)瀝青含量

采用馬歇爾設(shè)計方法，在121°C溫度下進行4h養(yǎng)護后，對標準馬歇爾試樣進行測試確定了最佳瀝青用量。結(jié)果表明，最佳摻量比為6.5∶100。最佳空隙率為2.0%。

三、實驗裝置

(一)滲透性

作為鋼橋面鋪裝材料，滲透性應(yīng)盡可能低，以防止水侵入使得鋼橋面受到侵蝕。本試驗用旋轉(zhuǎn)壓路機制作100mm和80mm高度的圓柱試件。為了保證試樣的飽和，試樣在70 kPa的真空壓力下浸泡20 min以上。然后樣本被放進滲透儀測試滲透率。樣品初始水壓力為70cm，記錄初始時間，再測量實驗中水通過試樣自由流動到達一定位置的時間。計算滲透系數(shù)。

(二)表面紋理

表面紋理與汽車的防滑性密切相關(guān)，對行車安全至關(guān)重要。表面紋理也影響交通噪聲。近幾年來，激光掃描儀在路面結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究采用激光紋理掃描器對電致發(fā)光材料的表面特性進行了研究。

(三)抗滑性

1.擺式摩擦系數(shù)測試

抗滑性能對大跨度鋼橋的行車安全也有重要的影響。采用英國擺摩擦試驗機對環(huán)氧瀝青混凝土的摩擦系數(shù)進行了測試。板狀試件的尺寸為502×167×76毫米。

2.動摩擦系數(shù)

采用動態(tài)摩擦試驗機對不同車速下環(huán)氧瀝青混凝土動態(tài)摩擦系數(shù)進行測試。采用鋼輪壓路機成形，尺寸同上。

(四)水穩(wěn)性

松散和剝落是常見的路面病害，會導(dǎo)致路面表面出現(xiàn)孔洞或散落，可能帶來行車安全問題。其主要原因是瀝青-集料粘結(jié)強度低，水分敏感性高。本文通過肯塔堡飛散試驗和漢堡車轍試驗評價抗水損害性能。

1.肯塔堡飛散試驗

飛散試驗評價瀝青與集料之間的粘結(jié)強度。測試過程如下：首先制作標準馬歇爾試樣，將試件在20°C下浸泡20h。擦干后，測得重量為M0。然后將它以每分鐘30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)10分鐘。樣品重量再次測量為M1。質(zhì)量磨損率由下列方程決定，磨損率越高，耐磨性越低。

Ar=(M0-M1)/ M0

其中Ar=磨損率；

M0=原重量；

M1=磨損后的重量；

2.漢堡車轍試驗

采用漢堡試驗對瀝青混凝土在高溫條件下的穩(wěn)定性進行了評價。得到了車轍深度和動穩(wěn)定度數(shù)據(jù)表明環(huán)氧瀝青混凝土在試驗和工程實踐中具有良好的溫度穩(wěn)定性。

四、結(jié)果和討論

(一)滲透性

結(jié)果表明，環(huán)氧瀝青混凝土的滲透系數(shù)為7.7×10-5毫米/秒，這意味著環(huán)氧瀝青混凝土的滲透性很低。這主要是由于環(huán)氧瀝青混凝土采用了密實級配，空隙率極低。所以環(huán)氧瀝青混凝土被廣泛用作鋼橋面鋪裝材料。低滲層對防止水病害是非常有幫助的，可以起到固定和保護鋼板的作用。

(二)表面紋理

經(jīng)觀察研究環(huán)氧瀝青平均剖面深度為0.305mm，紋理深度為0.432mm。其剖面深度比傳統(tǒng)的瀝青路面低得多，普通瀝青路面很容易超過1mm，開級配摩擦路面的剖面深度可能大于3mm。這可以歸因于與傳統(tǒng)瀝青混合料相比，集料粒徑小，空隙率低且是密集級配的。

(三)抗滑性

1.擺摩擦試驗

六個重復(fù)的英國鐘擺摩擦試驗結(jié)果總體上顯示了良好的重復(fù)性，擺數(shù)在78到85之間，平均數(shù)值83.6。此值與常規(guī)瀝青混凝土相近。在鋼橋面鋪裝設(shè)計中，擺摩擦數(shù)一般應(yīng)大于45，以滿足駕駛的要求。因此，環(huán)氧瀝青混凝土的擺錘摩擦系數(shù)符合路面設(shè)計的抗滑性要求。

2.動態(tài)摩擦系數(shù)

圖1示出了在不同車輛速度下測試的三個樣本的動態(tài)摩擦系數(shù)。橫坐標為車速(km/h)縱坐標為摩擦系數(shù)。結(jié)果表明，三次結(jié)果非常接近，特別是在測試速度較高時。而且隨著車速的提高，摩擦系數(shù)減小。當車速小于80km/h時，摩擦系數(shù)先較快減小后緩慢下降。當速度大于80km/h時存在一個拐點。這意味著當車速高于某一數(shù)值時，摩擦系數(shù)迅速降低。因此，建議在環(huán)氧瀝青路面上行駛時，車速應(yīng)控制在一定水平(80km/h左右)。由于環(huán)氧瀝青混凝土在大跨度鋼橋上的高速抗滑損失可能比普通公路更嚴重，所以限速是非常必要的。

圖1 三次動態(tài)摩擦試驗結(jié)果

(四)松散試驗

1.肯塔堡飛散試驗

3次肯塔堡重復(fù)試驗表明環(huán)氧瀝青混凝土的測試具有良好的可重復(fù)性。三次的平均磨損率為12.5%，標準差僅為0.61%。而常規(guī)密實級配瀝青混合料的平均磨損率為18.2%。這說明環(huán)氧瀝青混合料比普通瀝青混合料具有更好的抗剝離性能。環(huán)氧瀝青混凝土的拉伸強度和疲勞性能遠高于普通瀝青混凝土，其表面結(jié)構(gòu)也可能有助于提高抗剝落性能。

2.漢堡車轍試驗

根據(jù)在60°C下測試的環(huán)氧瀝青混凝土樣品的漢堡試驗結(jié)果，在輪跡加載下有輕微的車轍深度，但在軌道的兩邊上無凸起。在典型的瀝青混合料的漢堡試驗中，車轍深度通常與軌道兩側(cè)的凸起相關(guān)，原因是瀝青粒子是在車輪加載下被推到兩側(cè)。這表明，環(huán)氧瀝青顆粒變形是輕微的，并沒有發(fā)生典型的車轍。實驗表明了兩次加載20000次后的平均車轍深度為9.8mm。值得注意的是試驗溫度為60°C，比常規(guī)瀝青混合料的車轍深度高得多，甚至高于聚合物改性瀝青混凝土。此外，實驗中沒有發(fā)現(xiàn)明顯屈服點。

以上實驗均表明環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的抗剝落性能。環(huán)氧瀝青混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用維修費用通常比普通路面昂貴。高抗剝落性能可以延長環(huán)氧瀝青路面的使用壽命，特別是在降雨量大的地區(qū)。

五、結(jié)論

此次通過研究環(huán)氧瀝青混凝土的表面特性，并對其滲透性、抗滑性、抗剝落性和表面織構(gòu)進行評價。根據(jù)測試結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

(1)抗?jié)B性試驗表明，環(huán)氧瀝青混凝土的滲透系數(shù)很低，這是防止水侵入的要求，使鋼橋面受到保護。

(2)激光掃描試驗表明，環(huán)氧瀝青混凝土的剖面深度遠低于普通瀝青混凝土，其主要原因是集料粒徑小、摻量低。

(3)從試驗中觀察到了環(huán)氧瀝青混凝土良好的抗滑性能。同時，動態(tài)摩擦系數(shù)試驗表明，當車速超過一定水平時，環(huán)氧瀝青混凝土的摩擦系數(shù)迅速下降。說明在一定的水平下控制車輛行駛速度是必要的。

(4)試驗表明，與常規(guī)瀝青混凝土相比，環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)異的抗剝離性能。