系統(tǒng)論視角下環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計(jì)研究

王占鋒 李晶晶

摘 要：為了設(shè)計(jì)環(huán)氧抗滑磨耗層，引入系統(tǒng)方法論，分析環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建目的和構(gòu)建原理，并系統(tǒng)研究環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)層次和工作環(huán)境，基于此，通過(guò)分析工作環(huán)境、路用性能控制指標(biāo)、環(huán)氧黏結(jié)材料配比、性能試驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用等五方面，提出基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：道路工程;環(huán)氧抗滑磨耗層;系統(tǒng)論;設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.080

環(huán)氧抗滑磨耗層是由環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)材料和耐磨骨料組成的聚合物薄層鋪裝系統(tǒng) [1，2]。環(huán)氧磨耗層直接暴露在大氣環(huán)境中，受到多種荷載和環(huán)境綜合作用，出現(xiàn)黏結(jié)材料顏色變白或變黃、骨料剝落等現(xiàn)象，究其原因是黏結(jié)材料與結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能下降，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)使用性能和耐久性能，其解決之道是設(shè)計(jì)粘結(jié)性能優(yōu)異的磨耗層結(jié)構(gòu)[2，3]。系統(tǒng)論思想是如何處理好整體、結(jié)構(gòu)和個(gè)體之間的關(guān)系，從而達(dá)到理想的抗滑性能和粘結(jié)性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于系統(tǒng)論及其應(yīng)用展開(kāi)了大量的研究，主要集中在食品安全、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面，在混凝土尤其是環(huán)氧抗滑磨耗層的研究比較少見(jiàn)。因此，有必要對(duì)環(huán)氧抗滑磨耗層進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為道路工程的養(yǎng)護(hù)工作提供參考依據(jù)。

1 環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計(jì)的系統(tǒng)論方法

1.1 系統(tǒng)論

20世紀(jì)20年代初，生物學(xué)家貝塔郎菲提出系統(tǒng)論的基本思想，隨后系統(tǒng)論以一種全新的科學(xué)方法論廣泛應(yīng)用于國(guó)際學(xué)術(shù)界[3]。我國(guó)錢(qián)學(xué)森科學(xué)家于1979年開(kāi)始研究系統(tǒng)論，提出系統(tǒng)科學(xué)這一新科學(xué)技術(shù)體系，在對(duì)事物整體宏觀把控的基礎(chǔ)上，量化研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各組成部分之間的關(guān)系、功能和工作環(huán)境，在自然科學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。

系統(tǒng)處于特定環(huán)境中，由整體、個(gè)體、結(jié)構(gòu)和環(huán)境四部分構(gòu)成，研究系統(tǒng)就是研究系統(tǒng)與環(huán)境間的關(guān)系、系統(tǒng)個(gè)體和系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)關(guān)系、系統(tǒng)個(gè)體間的關(guān)系。應(yīng)用系統(tǒng)論處理環(huán)氧抗滑磨耗層結(jié)構(gòu)的實(shí)際問(wèn)題，使之達(dá)到粘結(jié)性能和抗滑性能優(yōu)異的狀態(tài)，其過(guò)程是還原論研究方法和整體論方法的綜合。

1.2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建目的

環(huán)氧抗滑磨耗層是一個(gè)暴露于外界環(huán)境的開(kāi)放式系統(tǒng)，其內(nèi)容涉及面廣、具有多樣性能目標(biāo)，因此，環(huán)氧抗滑磨耗層需進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方可滿足性能需求，其設(shè)計(jì)需確定系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)層次與外界環(huán)境條件，協(xié)調(diào)好各因素間的相互關(guān)系，從而使系統(tǒng)目標(biāo)最優(yōu)化。構(gòu)建的環(huán)氧磨耗層系統(tǒng)具有良好的粘結(jié)性、抗剝落性、抗滑性和耐久性等功能，每種功能的實(shí)現(xiàn)需依賴一定的結(jié)構(gòu)層次，而各結(jié)構(gòu)間通過(guò)疊加優(yōu)化派生出耐久性能，促進(jìn)系統(tǒng)最大效益的實(shí)現(xiàn)。將系統(tǒng)論的指導(dǎo)思想引入環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建中，可以為其提供一定的方法指導(dǎo)，使其設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)的科學(xué)性。

1.3 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建原理

系統(tǒng)論的基本原理主要有整體性、開(kāi)放性、目的性、層次性和最優(yōu)化等原理，對(duì)于環(huán)氧抗滑磨耗層這一開(kāi)放式系統(tǒng)，僅分析其整體性、層次性和最優(yōu)化原理[2，3]。

1.3.1 整體性

系統(tǒng)論的整體性是指系統(tǒng)是由多個(gè)要素組成的有機(jī)整體，是系統(tǒng)最根本的特征之一。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是由環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)材料和抗滑骨料組成，每一組成要素均具有自身的特征，但新形成的磨耗層系統(tǒng)是一個(gè)具有一定抗滑性能和耐久性能的功能層。

1.3.2 層次性

系統(tǒng)論的層次性是指組成系統(tǒng)的各個(gè)要素之間存在地位和作用上的不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和功能上表現(xiàn)出等級(jí)秩序性。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)具有垂直結(jié)構(gòu)層次和水平結(jié)構(gòu)層次。

1.3.3 最優(yōu)化

系統(tǒng)論的最優(yōu)化原理是指改變系統(tǒng)各個(gè)要素的組成方式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮和效益最大化。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是調(diào)整環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)材料間配比、骨料用量等來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好抗滑性能和抗剝落性能。

2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)成

進(jìn)行環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)設(shè)計(jì)需先弄清楚其系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)垂直層次和水平層次、系統(tǒng)的外界工作環(huán)境，明確相互關(guān)系，設(shè)計(jì)各組份配比，從而達(dá)到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)耐久性目標(biāo)。

2.1 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)組成

根據(jù)環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構(gòu)建目的和構(gòu)建原理，將其系統(tǒng)分為主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)三大層次，主系統(tǒng)由環(huán)氧抗滑磨耗層組成，子系統(tǒng)由環(huán)氧黏結(jié)材料和抗滑骨料組成，從系統(tǒng)由環(huán)氧樹(shù)脂、增韌劑、固化劑、稀釋劑和水組成[3]。

2.2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次

環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)組成。從水平結(jié)構(gòu)層次來(lái)看，抗滑骨料和黏結(jié)材料間屬于水平關(guān)系，環(huán)氧樹(shù)脂與外加劑間也屬于水平關(guān)系;從垂直結(jié)構(gòu)層次來(lái)看，環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)組成，主系統(tǒng)受環(huán)氧黏結(jié)材料和抗滑骨料的性能制約，子系統(tǒng)受環(huán)氧樹(shù)脂和外加劑的性能制約。按照環(huán)氧抗滑磨耗層的粘結(jié)性能來(lái)看，環(huán)氧樹(shù)脂這一要素占主導(dǎo)地位。因此，研究環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的綜合使用性能，需從主系統(tǒng)向子系統(tǒng)和從系統(tǒng)倒推，逐層次對(duì)各子系統(tǒng)和從系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，層層優(yōu)化。

2.3 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的工作環(huán)境

環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)直接暴露在大氣環(huán)境中，承受著車輛荷載、溫度交替變化和濕度變化等因素的綜合作用，與自然環(huán)境和使用環(huán)境發(fā)生持續(xù)的能量交換，是一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng)。因此，研究其系統(tǒng)性能需綜合考慮自然環(huán)境和使用環(huán)境的影響。在車輛荷載和大氣環(huán)境變化的綜合作用下，環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)表面會(huì)出現(xiàn)骨料剝落、抗滑性能減弱，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫、結(jié)構(gòu)性性能衰減乃至破壞。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的工作環(huán)境見(jiàn)圖1。

3 基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)論方法進(jìn)行活動(dòng)設(shè)計(jì)一般包括辨識(shí)環(huán)境、確定目標(biāo)、系統(tǒng)構(gòu)成與分析、解決辦法與確定最終方案等步驟，根據(jù)環(huán)氧抗滑磨耗層的養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)及抗滑抗剝落性能要求，提出系統(tǒng)論視角下環(huán)氧抗滑磨耗層設(shè)計(jì)流程，包括辨識(shí)環(huán)境、確定路用性能指標(biāo)、黏結(jié)材料配比優(yōu)化、性能試驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用等5個(gè)方面[3]。

3.1 辨識(shí)工作環(huán)境

調(diào)查需進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的氣象資料、交通量大小、舊路病害狀況和舊路承載力、抗滑骨料供應(yīng)情況和價(jià)格，結(jié)合路況的適應(yīng)性分析，確定采用何種養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行舊路處治，方可進(jìn)行環(huán)氧抗滑磨耗層的養(yǎng)護(hù)。

3.2 確定路用性能控制指標(biāo)

根據(jù)待養(yǎng)護(hù)的道路交通等級(jí)，分析工作環(huán)境對(duì)環(huán)氧抗滑磨耗層路用性能的要求，主要包括不同條件下層間粘結(jié)性能、磨耗層表面抗滑性能和骨料抗剝落性能，基于性能指標(biāo)要求，確定環(huán)氧黏結(jié)材料和抗滑骨料技術(shù)指標(biāo)。

3.3 優(yōu)化環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)材料配比

依據(jù)前述提出的粘結(jié)性能、抗滑性能、抗剝落性能等路用性能指標(biāo)要求，合理選擇環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑類型，進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化試驗(yàn)研究，確定出合適的復(fù)配方案。

3.4 性能試驗(yàn)驗(yàn)證

將初配好的環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)材料均勻涂抹在事先成型的路面板上，再其上鋪筑一定用量的抗滑骨料，固化一定時(shí)間，通過(guò)拉拔和剪切試驗(yàn)測(cè)定層間粘結(jié)強(qiáng)度，構(gòu)造深度和DFT附著系數(shù)檢測(cè)測(cè)定其抗滑性能，骨料質(zhì)量損失率測(cè)定其抗剝落性能，檢查這些性能指標(biāo)是否滿足規(guī)范規(guī)定的路用性能指標(biāo)要求。

3.5 工程應(yīng)用

將各項(xiàng)性能試驗(yàn)均滿足要求的復(fù)配設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于實(shí)際道路養(yǎng)護(hù)工程，長(zhǎng)期觀察和檢測(cè)試驗(yàn)效果，同時(shí)可進(jìn)行全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益分析，評(píng)價(jià)養(yǎng)護(hù)方案。

4 結(jié)論

環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式的復(fù)雜系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)方法論，明確環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是由主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)組成，分析其垂直結(jié)構(gòu)層次和水平結(jié)構(gòu)層次，以及系統(tǒng)與自然環(huán)境和使用環(huán)境間的能量交換。提出從辨識(shí)工作環(huán)境入手，充分考慮工程所在地現(xiàn)有交通狀況和自然環(huán)境條件，以粘結(jié)性能、抗滑性能和抗剝落性能作為路用性能控制指標(biāo)，確定環(huán)氧黏結(jié)材料配比，并進(jìn)行性能驗(yàn)證和工程應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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