集料強度對環氧瀝青混合料疲勞性能的影響

李黎明， 黃紅明， 曾國東， 徐偉

(1.佛山市建盈發展有限公司， 廣東 佛山 528041；2.佛山市交通科技有限公司， 廣東 佛山 528041；3.佛山市公路橋梁工程監測站有限公司， 廣東 佛山 528041；4.華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510641)

疲勞開裂是環氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝常見病害，分析環氧瀝青混合料疲勞性能影響因素，研究如何提高其抗疲勞性能對環氧瀝青鋼橋面鋪裝設計、施工和養護均具有重要指導意義。文獻[6-7]的研究表明環氧瀝青混合料的疲勞性能與沖擊韌性存在線性關系，采用沖擊韌性指標可有效評價環氧瀝青混合料的疲勞性能；集料性質、瀝青用量及空隙率均影響環氧瀝青混合料的疲勞性能，其中集料的影響尤為顯著。目前關于集料對環氧瀝青混合料疲勞性能影響的研究主要集中在集料級配及集料顆粒表觀物理性質差異兩方面，針對集料強度的研究較少。為此，本文基于小梁斷裂試件的微觀形態，分析輝綠巖、花崗巖和石灰巖的抗彎拉強度特性，研究集料強度對環氧瀝青混合料疲勞性能的影響，為鋼橋面環氧瀝青混合料鋪裝材料設計提供依據。

1 瀝青混合料小梁彎曲試驗

分別進行環氧瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和A-70#基質瀝青混合料小梁彎曲對比試驗，采用細級配，礦料組成見表1，最佳油石比為6.5%，試驗溫度15 ℃，加載速率50 mm/min，試驗結果見表2。采用體視顯微鏡(Leica DVM6)觀察小梁斷裂截面，觀察到的3種瀝青混合料表面形貌特征見圖1～4。

表1 瀝青混合料礦料組成

表2 不同類型瀝青混合料小梁彎曲試驗結果

圖1 環氧瀝青混合料小梁試件斷面

圖2 放大的環氧瀝青混合料斷面微觀形貌

圖3 SBS改性瀝青混合料小梁試件斷面

圖4 A-70#基質瀝青混合料小梁試件斷面

由圖1可知：在環氧瀝青混合料小梁斷面上可觀察到明顯的集料斷裂現象，且該現象所占比例較大。這主要是因為環氧瀝青膠漿黏結性能強，能與集料顆粒穩固結合，具有較強的抗彎拉性能，集料通常更易斷裂。

由圖2可知：在放大的環氧瀝青混合料斷面微觀形貌中可清晰地觀察到細集料顆粒部分裸露，表現為集料顆粒與環氧瀝青膠漿黏附破壞，但該現象所占比例不大，在顆粒表面仍裹附較多環氧瀝青。這部分環氧瀝青為結構環氧瀝青，結構環氧瀝青能提供填料顆粒間良好的黏附力，過少的結構環氧瀝青或過多自由瀝青均會阻礙顆粒間的黏附作用。由于環氧瀝青的黏附性高于普通瀝青，集料顆粒與環氧瀝青膠漿黏附破壞更多表現為集料顆粒表面結構瀝青以外的自由瀝青脫落。

由圖3、圖4可知：在SBS改性瀝青和A-70#基質瀝青混合料小梁斷面中均未發現集料斷裂現象，試件斷裂主要為瀝青膠漿斷裂。這主要是因為在相同條件下，在彎拉應力作用下SBS改性瀝青及普通瀝青混合料內部瀝青膠漿作為薄弱處率先斷裂。綜上，環氧瀝青混合料中集料強度顯著影響其力學性能。

2 石料小梁彎曲試驗研究

為研究不同類型集料的抗彎拉強度特性，選取輝綠巖、花崗巖、石灰巖，將其切割為250 mm×30 mm×35 mm棱柱體小梁試件(見圖5)進行三點彎曲試驗，試驗溫度15 ℃，加載速率50 mm/min。試驗結果見圖6、圖7。

圖5 不同石料小梁試件

圖6 不同石料小梁抗彎拉強度

圖7 不同石料小梁抗彎拉應變

輝綠巖、花崗巖、石灰巖為常見的堅硬巖石，其飽和單軸抗壓強度>60 MPa，但其抗彎拉強度差異很大。由圖6、圖7可知：輝綠巖的抗彎拉強度最高，花崗巖次之，石灰巖最低，僅為13.5 MPa；抗彎拉應變表現出同樣的規律。就抗彎拉性能而言，輝綠巖的力學性能最優。

3 不同集料對環氧瀝青混合料疲勞性能的影響

為進一步探究不同類型集料對環氧瀝青混合料力學性能的影響，進行輝綠巖、花崗巖、石灰巖環氧瀝青混合料馬歇爾試驗、15 ℃和-10 ℃小梁彎曲試驗。試驗采用相同的細級配，最佳油石比為6.5%，填料為石灰巖礦粉。試驗結果見表3和圖8～10。

表3 3種集料環氧瀝青混合料馬歇爾試驗結果

圖8 不同集料環氧瀝青混合料小梁抗彎拉強度

圖9 不同集料環氧瀝青混合料小梁抗彎拉應變

圖10 不同集料環氧瀝青混合料小梁沖擊韌性

由表3可知：不同集料環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度與流值基本一致，考慮試驗誤差，可認為集料類型對馬歇爾穩定度與流值無明顯影響。

由圖8～10可知：在15 ℃環境下，3種集料環氧瀝青混合料的抗彎拉強度基本一致，抗彎拉應變與沖擊韌性大小為輝綠巖混合料>花崗巖混合料>石灰巖混合料，輝綠巖的抗彎拉應變與沖擊韌性約為石灰巖混合料的2倍。在-10 ℃低溫環境下，3種集料混合料的抗彎拉強度、抗彎拉應變與沖擊韌性大小為輝綠巖混合料>花崗巖混合料>石灰巖混合料，輝綠巖混合料的沖擊韌性約為石灰巖混合料的2.7倍。

結合3種石料小梁抗彎拉強度大小關系(輝綠巖>花崗巖>石灰巖)，環氧瀝青混合料強度與集料類型有關，集料強度越大，環氧瀝青混合料的抗彎拉性能越好，該特征在低溫環境下尤為顯著。

圖11、圖12為環氧瀝青混合料15 ℃與-10 ℃小梁彎曲斷面微觀結構。對比圖11、圖12可知：15 ℃、-10 ℃環境下，各集料混合料的小梁斷面均存在集料顆粒斷裂現象，且在-10 ℃低溫環境下集料顆粒斷裂更顯著。在15 ℃環境下，輝綠巖混合料小梁斷面僅存在少量集料顆粒斷裂，斷面破壞主要表現為瀝青膠漿破壞；花崗巖與石灰巖中存在較多集料顆粒斷裂。這主要是因為輝綠巖集料抗彎拉強度高，在荷載作用下混合料內部瀝青膠漿更易斷裂。在-10 ℃環境下，3種集料混合料小梁斷面均存在明顯的集料顆粒斷裂現象，其中強度較高的輝綠巖集料斷裂最少，石灰巖最多。結合圖8～10，-10 ℃環境下3種混合料的抗彎拉強度均很高，但彎拉應變與沖擊韌性低于15 ℃時的測試值，這主要是由材料的低溫脆性引起的。

圖11 不同集料環氧瀝青混合料小梁斷面(15 ℃)

圖12 不同集料環氧瀝青混合料小梁斷面(-10 ℃)

大部分材料都會表現出低溫脆性特性，不同于普通瀝青混合料，環氧瀝青膠漿由于膠結力強度較高，常溫環境下受力彎曲時膠漿與集料不容易發生黏附破壞，因而環氧瀝青混合料強度高、抗疲勞性能優異。在低溫環境下，由于低溫脆性特性，環氧瀝青混合料同樣易發生脆斷，但集料強度較高時，環氧瀝青混合料的整體抗彎拉性能較強。微觀斷裂結構照片表明，提高集料強度，可減少環氧瀝青混合料受力時集料斷裂，改善環氧瀝青混合料的抗彎拉性能，進而增強混合料的疲勞耐久性，延長其疲勞壽命。

目前環氧瀝青混合料路用碎石集料的選用大都基于普通瀝青混合料集料指標，如壓碎值、抗壓強度及針片狀含量等。但環氧瀝青相對于普通瀝青具有更好的力學性能，鋼橋面用環氧瀝青鋪裝層的受力環境及情況相對于普通高等級瀝青路面更復雜，在進行環氧瀝青混合料材料設計時，應考慮采用更優質的碎石集料，尤其應考慮集料自身的斷裂強度，以提高混合料的力學性能，延長混合料的使用壽命。

4 結論

本文通過不同瀝青混合料、不同巖性集料及不同集料類型環氧瀝青混合料小梁彎曲試驗，研究集料強度對環氧瀝青混合料疲勞性能的影響。主要結論如下：

(1) 環氧瀝青混合料、SBS改性瀝青與70#基質瀝青混合料小梁彎曲對比試驗顯示，僅環氧瀝青混合料受力時存在集料斷裂現象。

(2) 根據不同巖性集料小梁彎曲試驗結果，3種石料的抗彎拉強度大小為輝綠巖>花崗巖>石灰巖，輝綠巖小梁抗彎拉強度高達28.9 MPa，約為石灰巖的2.1倍。

(3) 集料強度顯著影響環氧瀝青混合料的抗彎拉性能及變形特性。在-10 ℃低溫環境下，輝綠巖混合料的沖擊韌性約為石灰巖混合料的2.7倍，具有優良的力學性能。提高集料強度，可減少環氧瀝青混合料受力時集料斷裂，顯著提高環氧瀝青混合料的抗彎拉強度，進而增強其疲勞耐久性，延長其使用壽命。

(4) 鋼橋面用環氧瀝青鋪裝層材料設計時，對集料的選用除應考慮壓碎值、抗壓強度及針片狀含量等外，還應重點考慮集料自身的斷裂強度。