SMA 層下二階熱固性環氧瀝青黏結層的試驗研究

徐愛民

（湖南機場股份有限公司，湖南 長沙 410000）

1 研究背景

橋面鋪裝是橋梁建設的重要組成部分，作為橋梁行車系統的重要組成部分，橋面鋪裝的好壞直接影響到行車的安全性、舒適性和橋梁正常使用壽命。橋面鋪裝一般由防腐層（鋼橋）、防水粘結層、鋪裝面層等構成。鋪裝層在行車荷載及外界的風載、溫度變化等綜合因素影響下，其受力和變形的十分復雜。常規的橋面鋪裝層黏結材料的強度和抗剪性能較弱，尤其是在夏季高溫天氣下，橋面溫度達60℃以上，橋面鋪裝層穩定性進一步減弱。如常規瀝青類黏結劑的黏附能力一般隨溫度升高大幅下降，使得瀝青鋪裝層之間、鋪裝層與橋面板間的黏結及抗剪強度嚴重不足。在重載車剎車制動力的作用下，鋪裝層之間容易發生剪切推移病害，鋪裝層間的黏結失效是造成橋面鋪裝層損壞的主要原因之一。典型剪切推移病害見圖1。

圖1 典型剪切推移病害圖

防水黏結層作為鋪裝層的重要組成部分和性能薄弱環節，已成為提升橋面鋪裝質量的重點研究內容。

當前，熱噴改性瀝青、改性乳化瀝青、以及瀝青基防水涂料等是橋面鋪裝結構中最常見的界面黏結材料，這些瀝青類黏結材料有一個共性，即黏結材料自身會隨著環境溫度的升高變軟甚至液化，使得橋面鋪裝層的黏附能力快速下降。在夏季，橋面鋪裝的表面溫度可達到60℃甚至更高，在此溫度下，改性瀝青類黏結層對界面的附著力（抗拉拔能力）降低至0.1 MPa，遠低于國家規范要求的1.75 MPa。在此條件下，在車輪荷載的作用下，該界面上的鋪裝層容易出現推擠蠕動，形成剪切推移破壞。

解決這個問題需要一種界面黏結材料，在高溫下仍保持對界面良好的黏結性能。

二階環氧瀝青黏結劑是一種熱固性黏結材料。它通過在瀝青中摻入一定比例的環氧樹脂及固化劑和其它改性劑后，在加熱條件下發生固化反應成為熱固性的交聯結構。由于瀝青被束縛在環氧樹脂交聯網絡中，從而從根本上改變瀝青的熱塑性行為，提高瀝青的力學性能和耐溫能力。

二階熱固性環氧瀝青材料在常溫條件下可以完成部分交聯固化反應，使得防水黏結層表面干燥，可以滿足施工車輛行駛，不黏車輪。當上層施工熱拌瀝青混合料施工時，固化劑與環氧樹脂在熱量作用下快速完成最終固化反應，稱為不可逆轉的固化材料，與熱拌瀝青混合料有機地融為一體，顯著提升層間結合力與防水能力。

二階環氧瀝青作為一種熱固環氧瀝青材料具有在高溫下較好黏結性和防水性。二階環氧瀝青由環氧樹脂和石油瀝青組合而成，分樹脂和固化劑兩個組分，當A、B 兩個組分混合后即發生化學的交聯固化反應，生成較強的環氧瀝青固化物。該固化物具有強度高和對溫度不敏感的特點，因此采用二階環氧瀝青作為防水黏結界面可以解決鋪裝層間的剪切推移病害問題。其性能優異，可應用于所有鋼橋及混凝土橋橋面SMA 鋪裝底部防水黏結層。

2 二階環氧瀝青的強度、變形和階段性試驗

二階環氧瀝青是二階段反應性材料，在常溫條件下灑布后在可以較快地發生第一階段固化反應使得其表干固化。在其表面固化后，車輛和人員在其上作業時不會發生黏連。當上面層SMA 熱拌瀝青混合料鋪筑時，該黏結層在SMA 混合料165℃左右的溫度作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料中的瀝青熔融相連，并在此溫度條件下迅速地發生第二階段固化反應，生成固化的環氧瀝青黏結層。

在橋面鋪裝的實際施工過程中，二階環氧瀝青黏結層在常溫下灑布直到表干，然后SMA 等熱拌瀝青混合料的攤鋪碾壓施工使黏結層界面經歷了一個溫度由高至低逐步遞減的過程，直至界面恢復到常溫狀態。在實驗室條件下，以150℃平均1 h 來模擬實際工程中SMA 混合料高溫對界面固化的作用應該與實際情況比較接近的。以此為試驗條件，對二階環氧瀝青材料進行不同養生溫度和不同加熱時間的拉拔和膠膜拉伸試驗可以驗證二階環氧瀝青黏結層在類似實際工程的條件下對橋面鋪裝的黏附能力。二階環氧瀝青技術指標見表1。

表1 二階環氧瀝青技術指標

試驗采用的二階環氧瀝青雙組分比例為A∶B=1∶2.5。在試驗室常溫條件下，二階環氧瀝青完成第一階段反應達到指干時間約為24 h。此時的膠結料并沒有完全固化，經過上面層SMA 混合料初始攤鋪溫度165℃左右的溫度，二階環氧瀝青呈現熔融狀態，并在此溫度下開始了第二階段的固化反應。結果見圖2 和圖3。

圖2 試驗室常溫1 d 后試件表干圖

圖3 被S MA 再次加熱后呈熔融狀態圖

在試驗室對比以150℃分別加熱0.5 h 和1 h 然后再加不同時間的自然養生后進行二階環氧瀝青膠結料啞鈴形試件的斷裂強度試驗得到表2。試驗見圖4。

表2 拉伸強度對比試驗結果

圖4 試驗圖

以150℃2 h 為邊界條件替代緩慢的后期增長可了解該膠結料的終極強度特性。在交結料固化后測試從5℃～70℃溫度下的界面拉拔強度，試驗結果見表3。

表3 150℃2 h 后環氧瀝青對鋼板拉拔強度試驗結果

上述試驗可以代表黏結層在150℃保溫0.5～2 h的條件下的性能。但實際工地上有時并不能確保一定具備150℃0.5～2 h 的固化條件。在夏季，瀝青橋面的溫度超過60℃應是常見的工況，模擬此工況對黏結層進行60℃養生條件下環氧瀝青膠結料進行斷裂強度和斷裂延伸率的試驗，其結果見表4。

表4 60℃養生24 h 環氧瀝青的斷裂強度和斷裂延伸率

在60℃24 h 養生條件下，SMA 混合料成型溫度170℃～180℃，采用二階環氧瀝青和高黏改性瀝青兩種材料進行了RA+SMA 組合試件的層間拉拔、斜剪對比試驗，結果見表5、表6。

表5 模擬自然高溫養生RA+S MA 組合試件層間拉拔強度試驗結果

表6 模擬自然高溫養生RA+S MA 組合試件層間斜剪強度試驗結果

3 結果分析

從指干試驗可以看出：在常溫下二階環氧瀝青可以在1 d 左右的時間固化到指干，然后經SMA 混合料攤鋪后界面溫度可達165℃左右，在此溫度下二階環氧瀝青呈熔融狀態與SMA 混合料融合在一起并發生第二階段反應。

以150℃0.5 h 和1 h 小時來模擬實際工程中SMA 混合料高溫對界面固化的作用，環氧瀝青的斷裂強度在0.5 h 已經達到了1 h 相應強度的90%，說明環氧瀝青第二階段反應在前半小時內速度較快，之后的反應即使在高溫下強度增長也非常緩慢。這與實際工程施工中，SMA 初始攤鋪溫度在165℃左右半小時后逐漸下降的過程類似。

150℃半小時后環氧瀝青強度的增長速度已經放緩，所以用150℃2 h 為邊界條件替代緩慢的后期增長可以模擬出環氧瀝青完全反應后的強度特性。從實驗結果可以看出，環氧瀝青完全固化后的對鋼板的黏結強度在常溫下可達到11 MPa，是鋼結構橋梁規范要求1.75 MPa 的6 倍以上。

在SMA 攤鋪后環氧瀝青黏結層從較高溫度到與環境溫度一致需要一段時間，其后在環境溫度下其強度仍會緩慢增長。我們采用60℃24 h 溫度條件來模擬這種情況的進行試驗，首先，從膠結料試驗結果可以看出與實際情況類似的條件下，環氧瀝青固化后有較高的強度和變形能力。其次，采用國內較常見的ERS 鋼橋面鋪裝結構中RA 與SMA 制成組合試件進行組合試件拉拔試驗，其結果表明在常溫下組合鋪裝體系拉拔破壞處是在SMA 混合料中而不是在環氧瀝青界面層，組合體系的單純抗拉拔強度大于3 MPa。

4 結 論

采用二階環氧瀝青作為SMA 層下黏結層，黏層油灑布完成后一天左右可以表干，黏結層在施工上面層時不會與上面層施工車輛產生黏輪現象。攤鋪SMA 后半小時內環氧瀝青強度增長快，夏季一天后固化基本可以完成。

二階熱固性環氧瀝青作為界面黏結層可以大幅度提高鋪裝層與界面的黏結能力，增強橋面鋪裝組合結構整體的高溫穩定性和可靠性，可以較好地解決傳統改性瀝青黏結層的高溫穩定性問題。