基于變i法級配設計的環氧瀝青混合料性能試驗研究

李帆

作者簡介：李 帆（1985—），工程師，主要從事交通工程監理工作。

摘要：為研究環氧瀝青混合料級配變化對路用性能的影響，文章采用變i法級配設計理論計算合成級配曲線，利用貝雷法參數對關鍵控制篩孔進行分析，并對不同級配環氧瀝青混合料的路用性能進行研究。結果顯示：變i法設計級配曲線具備良好的嵌擠結構，能夠滿足環氧瀝青混合料的特性要求，級配變化對抗彎拉強度和彎拉應變指標影響不一致，在-15 ℃條件下，不同級配類型環氧瀝青混合料的低溫抗裂性能辨析性更精確;變i法設計的環氧瀝青混合料具有良好的高溫抗變形能力，且隨試驗溫度的增加，其動穩定度指標下降幅度遠低于規范中值級配，同時采用車轍總變形量指標也能夠良好地評價辨析高溫抗車轍能力;環氧瀝青混合料對凍融環境條件更為敏感，級配變化對其影響更為顯著;馬歇爾穩定度值隨容留時間的增加呈先增加后減小變化，而空隙率指標一直呈增長狀態，且隨拌和溫度的增加，環氧瀝青混合料性能指標變化顯著。

關鍵詞：道路工程;環氧瀝青混合料;級配設計;變i法;容留時間

中國分類號：U416.03A170615

0 引言

環氧瀝青材料在我國鋼橋面鋪裝中得到了良好的推廣應用，在一定程度上克服了鋼箱梁在運營過程中溫度應力集中，縱、橫向變形大的苛刻環境影響。與普通瀝青混合料相比，環氧瀝青材料顯著延長了橋面的壽命周期，減少了橋面的養護次數，降低了使用成本。但由于環氧瀝青原材料本身的特性，以及部分施工工藝不成熟的問題，嚴重阻礙了我國鋼橋面鋪裝技術的發展。如部分項目在設計和施工中過多參考國外經驗，一味考慮橋面鋪裝層耐久性、抗疲勞特性等，造成橋面的抗滑性能偏低，在雨雪特殊天氣下的行車安全得不到充分保障。由此，開展上述幾方面的研究，對環氧瀝青混合料的級配設計優化具有重要的意義。劉攀等研究了5種不同級配增韌型環氧瀝青混合料，提出了級配變化對增韌型環氧瀝青混合料的抗滑性能影響較大，對其他性能影響較小[1]。高松等系統分析了環氧瀝青混合料馬歇爾級配設計方法的優缺點，并對石家莊新樂高架橋橋面鋪裝進行了工程實踐[2]。薛永超等分析了橡膠顆粒的粒徑、硬度等對環氧瀝青混合料各項路用性能的影響，提出了橡膠環氧瀝青混合料的最佳摻量，并制定了橡膠粉的技術指標[3-4]。王水研究了聚酯纖維對環氧瀝青混合料的性能影響，結合施工和易性，提出聚酯纖維的最佳摻量為2%～3%[5]。冉武平等利用Super pave方法對機場跑道用環氧瀝青混合料開展系列研究，在考慮大飛機荷載的條件下，提出了最佳瀝青用量下的旋轉壓實參數[6]。叢培良等利用體積設計法研究了環氧瀝青混合料的技術指標，分析養護周期對其性能變化的影響，為后期施工和開放交通提供了技術參考[7]。

綜上所述，本文研究利用變i法對環氧瀝青混合料級配進行設計，并開展相應的路用性能試驗，分析級配變化對其性能的影響規律，為實體工程中推廣應用提供良好的技術指導。

1 試驗材料

1.1 礦料

粗集料選擇輝綠巖，細集料選擇機制砂，礦粉為石灰巖磨制，均由廣西交科工程咨詢有限公司提供。試驗結果如表1、表2所示。

1.2 環氧瀝青

鋼橋面鋪裝用環氧瀝青由南通東南交通高新技術有限公司提供，其試驗結果如表3所示。

2 配合比設計

環氧瀝青混合料主要用于鋼橋面鋪裝，需要具備良好的抗疲勞性能和耐久性能。國內外工程中一般采用較細的級配來滿足上述性能要求，但細級配瀝青混合料的表面粗糙度隨運營時間的延長而逐漸下降，容易導致抗滑不足。本文研究從級配設計入手，采用變i法級配設計理論，利用貝雷法驗證分析。具體計算過程如下：

（1）借鑒國內大型鋼橋面工程實踐經驗，研究選擇集料最大公稱粒徑為13.2 mm，粗集料i值范圍為0.68～0.76，細集料i值范圍為0.66～0.76。變i法設計級配計算公式如式（1）、式（2）所示。

依據工程經驗，研究選擇級配Ⅰ的粗、細集料篩孔通過率的遞減系數i值分別為0.70和0.68，級配Ⅲ的粗、細集料篩孔通過率的遞減系數i值分別為0.76和0.72，級配Ⅱ為“公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南”中推薦級配中值，作為對比級配。級配Ⅰ和Ⅲ的各篩孔計算值如表4所示。

依據表5可知：CA表示粗細集料的比例，FAC表示細集料在級配中的嵌擠情況，FAF表示更細集料的填充情況。級配Ⅰ的參數值最小，級配Ⅱ（中值）的參數值最大。說明級配Ⅰ中粗集料含量多，粗集料含量提高了約42%，細集料降低了21%（與級配Ⅱ相比）;級配Ⅱ偏細，基本處于懸浮密實結構狀態，超出了貝雷法合理參數的范圍，尤其是粗集料含量;級配Ⅲ趨于貝雷法參數的上限值，處于上述兩種級配中間。貝雷法計算參數與合成級配曲線描述相一致，變i法級配理論設計更具備精確性，尤其在粗細集料用量確定方面。

3 低溫抗裂性能分析

研究采用小梁彎曲試驗進行低溫性能評價，試驗結果如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知：

（1）級配Ⅰ的彎拉應變值最大，但與級配Ⅱ、級配Ⅲ的差異性并不大，級配Ⅱ、級配Ⅲ的彎拉應變值分別降低了2.5%和1.3%（與級配Ⅰ相比，-10 ℃）。說明變i法設計級配Ⅰ的低溫抗裂性能優良，而推薦級配Ⅱ與設計級配Ⅲ的低溫抗裂性能也均能滿足規范要求。隨溫度下降，彎拉應變顯著下降，其低溫抗裂性能均有所下降。在-15 ℃時，3種級配下降幅度規律為：級配Ⅲ>級配Ⅰ>級配Ⅱ，分別下降了4.8%、2.8%和1.5%（與-10 ℃相比），說明指南推薦級配對低溫敏感性較低，而變i法設計級配Ⅲ對低溫溫度敏感性強。

（2）對抗彎拉強度值分析發現，級配Ⅰ受溫度變化影響較低，級配Ⅱ影響最大，且溫度越低抗彎拉強度值越高，在-15 ℃時，3種級配抗彎拉強度值的變化更為顯著。說明在-15 ℃條件下，不同級配類型的環氧瀝青混合料低溫抗裂性能更適合評價辨析，3種級配的低溫抗裂性能變化與粗、細集料含量及級配嵌擠情況有密切關聯，尤其是關鍵篩孔13.2 mm、4.75 mm及0.075 mm的含量。

4 高溫抗車轍性能分析

研究采用車轍試驗，選擇溫度60 ℃和70 ℃進行高溫性能驗證[7]，試驗結果如下頁圖3、圖4所示。

可以看出：

（1）不同級配的動穩定度差異性較大。級配Ⅰ的高溫抗車轍能力最佳，級配Ⅱ的抗車轍能力最差，說明變i法設計的級配具有良好的高溫抗變形能力，均優于推薦級配。隨環境溫度的增加，動穩定度呈下降趨勢，3種級配的動穩定度值下降約65%～70%，且三者之間差異性逐漸下降，說明環境溫度的增加，降低了級配變化對環氧瀝青混合料高溫性能的影響。如60 ℃時，級配Ⅱ、級配Ⅲ的穩定度值分別降低了30.4%和10.8%（與級配Ⅰ相比），而70 ℃時，級配Ⅱ、級配Ⅲ的穩定度分別下降了18.3%和8.3%。

（2）依據車轍總變形量指標分析，3種級配的變形量為級配Ⅱ>級配Ⅲ>級配Ⅰ，且隨著溫度的增加，三者之間的差異性更為清晰，說明采用總變形量指標能夠良好評價環氧瀝青混合料的高溫抗變形能力，尤其適用于鋼橋面運營的特殊環境。

（3）高溫抗車轍能力與級配存在密切關系。級配Ⅰ和級配Ⅲ為骨架嵌擠型，二者的粗、細集料含量不同，級配Ⅰ偏粗，二者粒徑4.75 mm通過率相差2.8%，粒徑2.36 mm、1.18 mm分別相差8.7%和10.3%，兩個級配差異主要體現在0.6～2.36 mm。而級配Ⅱ為懸浮密實結構，且最大公稱粒徑為13.2 mm，其抗車轍能力顯著下降，如粒徑2.36 mm的通過率為60%，4.75 mm的通過率為75%，顯然不能滿足橋面鋪裝結構層高溫抗車轍能力（依據工程經驗，降低粗集料用量有助于提高環氧瀝青混合料的抗疲勞性能，但對其他路用性能存在顯著缺陷）。

5 水穩定性能分析

選擇浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行抗水損害能力評價，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）[8]中相關要求，試驗結果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知：

（1）級配Ⅰ的殘留穩定度值最高，級配Ⅱ和級配Ⅲ的殘留穩定度相接近，說明級配Ⅰ的抗水損害剝離能力較高，而級配Ⅱ和級配Ⅲ的抗水損害能力相接近。另外，環氧瀝青混合料的浸水抗剝離性能均高于規范要求，這與混合料設計空隙率較低有密切關系，一般環氧瀝青混合料空隙率<3%，水分很難進入到混合料內部，且環氧瀝青的粘附性高于普通改性瀝青。

（2）級配Ⅰ的凍融劈裂強度比最大，級配Ⅱ和級配Ⅲ的值相接近，二者相差3.6%，這與殘留穩定度影響規律相一致，但對其劣化幅度不同。級配變化對凍融環境條件更為敏感，其影響更為顯著，如級配Ⅱ的凍融劈裂強度比下降了11%，殘留穩定度下降了3.2%（與級配Ⅰ相比）。

6 容留時間變化分析

研究不同拌和溫度下，環氧瀝青容留時間變化對穩定度、空隙率的影響具有重要意義。試驗溫度選擇110 ℃、120 ℃及130 ℃，容留時間選擇30 min、40 min、50 min、60 min及70 min，采用級配Ⅰ成型馬歇爾試件。試驗結果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知：

（1）容留時間延長對穩定度、空隙率指標均具有顯著影響，穩定度指標先增加后減小，空隙率指標呈上升趨勢變化，且不同拌和溫度下各參數變化幅度具有一定差異。如在110 ℃時，穩定度隨容留時間延長而持續增加，120 ℃和130 ℃的穩定度最大值分別在容留時間40 min和50 min，說明不同拌和溫度下，環氧瀝青混合料的容留時間具有相應的合理范圍。

（2）對于空隙率指標，在拌和溫度為120 ℃和130 ℃，容留時間超過50 min時，其值均出現較大幅度變化，而在拌和溫度110 ℃條件下，其值變化幅度較小。在容留時間70 min時，3種不同拌和溫度下的空隙率分別增加了11.7%、171.7%、177.3%。由此可見，環氧瀝青混合料在容留時間內容易碾壓成型，能夠達到最高強度和良好的密實度，超過最佳容留時間后，成型試件的空隙率無法達到最佳狀態。

7 結語

（1）利用變i法級配合成曲線理論設計的級配曲線，通過貝雷法參數對關鍵篩孔進行有效驗證，篩選出具備良好嵌擠結構的級配能夠滿足環氧瀝青混合料的特性要求。

（2）級配變化對抗彎拉強度和彎拉應變的影響不一致，在-15 ℃條件下，不同級配類型環氧瀝青混合料的低溫抗裂性能辨析性更精確。

（3）采用變i法設計的環氧瀝青混合料具有良好的高溫抗變形能力，優于推薦級配，且隨試驗溫度的增加，推薦級配的動穩定度指標下降幅度大于變i法級配。車轍總變形量指標也能夠良好評價辨析環氧瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

（4）級配變化對殘留穩定度、凍融劈裂強度比影響規律相一致，但對二者的影響幅度不同。環氧瀝青混合料對凍融環境條件更為敏感，級配變化對其影響更為顯著。隨容留時間的增加，穩定度值先增加后減小，空隙率呈上升趨勢變化，且不同拌和溫度下的容留時間均具有相適應的范圍。

參考文獻：

[1]劉 攀，李 璐，盛興躍，等.不同級配類型增韌型環氧瀝青混合料路用性能研究[J].公路，2019，64（3）：38-42.

[2]高 松，霍風龍.環氧瀝青混合料目標配合比設計[J].北方交通，2019（4）：48-51.

[3]薛永超，錢振東，夏榮輝.基于低溫性能的橡膠顆粒環氧瀝青混合料研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2016，43（9）：120-128.

[4]錢振東，王 睿，陳團結.橡膠粉摻量對環氧瀝青及其混合料性能的影響[J].建筑材料學報，2014，17（2）：331-335.

[5]王 水.聚酯纖維摻量對環氧瀝青橋面鋪裝混合料技術性能的影響[J].公路工程，2015，40（4）：95-99.

[6]冉武平，李 玲，谷志峰.基于Super pave的機場環氧瀝青混合料配合比設計[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（4）：30-37.

[7]叢培良，陳拴發，陳華鑫.環氧瀝青混合料設計及性能研究[J].公路，2012（10）：167-171.

[8]JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

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