斷級配熱拌環氧瀝青混合料及其性能試驗評估

陳 章，陳贇峰，李 娣

（1.江蘇省交通工程建設局，江蘇南京 210004；2.江蘇中路工程技術研究院有限公司，江蘇南京 211806）

0 引言

當前，全國已建成超1 500 座正交異性鋼橋面板類橋梁，我國在役、規劃及在建此類橋梁已有200 余座[1]，環氧瀝青混凝土以其優異的高低溫、抗疲勞等性能迅速應用；根據江蘇省典型大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝實橋構造深度統計數據，傳統環氧EA-10 構造深度整體偏小，在通車的初期，構造深度僅為0.3 mm 左右；擺式摩擦系數在通車前約70 BPN，隨著通車年限的增加，逐年衰減5%左右[2-3]，抗滑性能偏弱。

SMA 混合料為一種間斷級配混合料，粗集料含量多、礦粉用量多、瀝青用量大，由粗集料石-石接觸形成骨架結構，瀝青、礦粉、纖維組成的瑪蹄脂填充其空隙[4]。大量的研究與工程驗證了其具有良好的路用性能，國內也在高等級路面中廣泛使用。因此為提升橋面安全性能，本文提出了斷級配熱拌環氧瀝青混合料，增加粗集料用量以提高其高溫性能與抗滑性，沿用較多的礦粉摻量，填充空隙降低透水性。

1 原材料及試驗方法

在選擇鋪裝材料時，須對選用材料的全部指標進行試驗。斷級配熱拌環氧瀝青由瀝青、環氧樹脂、粗集料、細集料、礦粉、聚酯纖維組成。

1.1 環氧瀝青膠結料

本文采用瀝青為南通通沙瀝青科技有限公司生產的改性瀝青；環氧樹脂為中路交科自主研發的熱拌環氧樹脂。

環氧瀝青是將環氧樹脂、固化劑與瀝青在一定條件下經復雜的化學反應所得的聚合物，由組分A（環氧樹脂）、組分B（固化劑）及組分C（瀝青）構成。環氧樹脂∶固化劑∶瀝青的比例為3∶2∶5，技術要求見表1。

表1 環氧瀝青結合料技術要求

從施工和易性的經驗來看，建議將環氧瀝青黏度值1.00～2.00 Pa·s 作為控制混合料碾壓的范圍，否則混合料將無法壓實。溫度過高會加速瀝青老化，根據黏度試驗結果，最終建議施工溫度為170～180 ℃之間，可施工時間大于3 h（如圖1）。

圖1 熱拌環氧瀝青黏-時曲線

1.2 集料

粗集料、細集料為江蘇茅迪生產玄武巖，規格為9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.6～2.36 mm 和0～0.6 mm，依次為1 號、2 號、3 號、4 號和5號料；礦粉為南通鼠尾草經貿有限公司生產的干燥、潔凈、無污染的石灰巖，技術指標如表2 所示。

表2 集料密度試驗結果

1.3 聚酯纖維

聚酯纖維是聚合物中的一種有機纖維，自1997 年引進聚酯纖維加筋瀝青路面技術以來，已廣泛用于我國多數橋面鋪裝和路面工程中，實踐證明聚酯纖維能有效增強瀝青混合料的路用性能。本文采用江蘇海德生產的6 mm 短切聚酯纖維，纖維摻量為瀝青混合料質量的0.3%。

1.4 試驗方法

參照SMA 級配范圍，根據體積設計法，初定3 個級配成型馬氏試件，測試體積指標，確定初選級配；采用3 種油石比，成型馬氏試件，測試體積指標，確定最佳油石比，即可確定設計級配。

參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2019）進行最佳油石比下的馬歇爾穩定度試驗（固化）、浸水馬歇爾試驗（非條件為60 ℃水浴保溫0.5 h，條件為60 ℃水浴保溫48 h）、凍融劈裂試驗（條件為經過凍融循環后25 ℃水浴保溫2 h，非條件為25 ℃水浴保溫2 h）來檢驗環氧瀝青混合料的水穩定性能；車轍試驗（宜采用可控溫（70±1）℃、施加輪壓0.7 MPa±0.05 MPa 的試驗機，本文采用自動車轍試驗儀，型號JCLH010）來檢驗環氧瀝青混合料的高溫穩定性能；彎曲試驗（-10 ℃）來檢驗環氧瀝青混合料低溫抗裂性能；參考《道路與橋梁鋪裝用環氧瀝青材料通用技術條件》（GB/T 30598—2014）[5]，環氧瀝青混合料技術要求如表3 所示。并參考《公路路基路面現場測試規程》（JTG 3450—2019）測試構造深度、擺式摩擦系數及滲水系數，檢驗其抗滑性能及滲水性能。

表3 環氧瀝青混合料技術要求

2 結果與討論

2.1 級配設計

環氧瀝青混合料是指將環氧樹脂、固化劑、瀝青混合制成的環氧瀝青作為結合料與礦料加熱拌和，而得到的一種熱固性的環氧瀝青混合料。傳統環氧瀝青混凝土密級配存在表面致密、構造深度偏小、作表面層時抗滑性能不足的問題，本文采用SMA 間斷級配對環氧瀝青鋪裝進行功能性優化。斷級配環氧瀝青混合料工程設計級配參考SMA 級配范圍，如表4 所示。

表4 環氧ESMA-10瀝青混合料工程設計級配范圍

初定環氧ESMA-10 的3 種級配A、B、C，2.36 mm 篩孔通過率分別為23.1%、26.1%和29.5%，3 種級配設計曲線如圖2 所示。按油石比為6.2%制作馬歇爾試件，測定VCAmix指標，在滿足VCAmix小于VCADRC的基礎上確定級配，最終取級配C 為設計級配。

圖2 環氧ESMA-10瀝青混合料設計級配曲線圖

2.2 最佳油石比確定

按比例稱取礦料配制級配C，采用5 種油石比進行馬歇爾試驗，測定各組試件的穩定度、流值、空隙率等指標，并確定各組對應的理論最大相對密度。試驗結果見表5。

表5 環氧ESMA-10設計級配馬歇爾穩定度試驗結果

根據設計要求，空隙率應控制在3.0%以內。該次油石比為6.2%時空隙率為2.2%，其他指標（VCAmix、穩定度、流值）均滿足技術文件要求，根據實際工程應用經驗，選取6.2%為設計油石比。

2.3 力學性能

采用上述級配及油石比，進行馬歇爾穩定度試驗，試件放入60 ℃水中30 min 后測試。試驗結果如表6 所示，斷級配熱拌環氧瀝青ESMA 混合料的穩定度達到64.64 kN，遠大于環氧瀝青混合料的穩定度≥40 kN 的技術要求。

表6 環氧ESMA-10馬歇爾試驗結果

2.4 高溫性能

采用自動車轍試驗儀（型號JCLH010），檢驗環氧瀝青ESMA 的高溫穩定性，測定其高溫抗車轍能力。利用輪碾機成型滿足目標空隙率的車轍試件，在（70±1）℃，0.7 MPa±0.05 MPa 條件下，進行車轍試驗，結果如表7 所示。由試驗結果可知，環氧瀝青ESMA-10 的車轍動穩定度達到19 000 次/mm 以上，遠遠滿足規范對環氧瀝青混合料的動穩定度≥5 000 次/mm（70 ℃）的技術要求，說明斷級配熱拌環氧瀝青混合料ESMA-10 具有良好的高溫抗車轍能力。

表7 環氧ESMA-10車轍試驗結果 單位：次/mm

2.5 低溫性能

環氧瀝青在低溫條件下易發生病害。本節對其進行低溫小梁試驗，結果如表8所示。由試驗結果可知，斷級配熱拌環氧瀝青ESMA-10的破壞應變達到3 981 με，抗彎拉強度大于35 MPa，滿足規范要求，不僅有較高的強度，而且低溫下具有良好的抗裂性能。

表8 低溫彎曲測試結果

2.6 水穩性能

成型馬歇爾試件，進行條件及非條件養生后進行劈裂試驗，并計算劈裂強度比，結果如表9 所示。由試驗結果可知，凍融劈裂強度為85.2%，滿足規范要求，說明斷級配熱拌環氧瀝青混合料具有優良的水穩性能。

表9 凍融劈裂測試結果

表10 抗滑性能測試數據

2.7 抗滑性能

室內成型試件測試構造深度、擺值，并依托新通揚運河及跨G328 大橋新建工程，測試實橋斷級配熱拌環氧瀝青構造深度、擺值（圖3、圖4）。由結果可知，斷級配熱拌環氧瀝青的摩擦擺值達到74 BPN，構造深度達到0.70 mm，滿足《公路瀝青路面設計規范》[6]的技術要求；遠大于常規環氧瀝青混合料級配EA-10 的構造深度（0.45 mm），表明斷級配熱拌環氧瀝青具有優異的抗滑性能，行車安全性高。

圖3 擺值測試

圖4 構造深度測試

2.8 滲水系數

對室內成型試件測試滲水系數，并依托新通揚運河及跨G328 大橋新建工程，測試斷級配熱拌環氧瀝青ESMA-10 滲水系數（圖5、圖6）。實測其滲水系數為0 mL/min，不滲水，說明斷級配熱拌環氧瀝青具有良好的抗滲透性能。

圖5 室內滲水系數測試圖

圖6 實橋滲水系數檢測

3 結論

本文提出了斷級配熱拌環氧ESMA 瀝青混合料，相比常規級配EA 環氧瀝青混合料，提升了抗滑性能及行車舒適性；通過室內試驗及實橋檢測得出以下主要結論：

a）通過膠結料黏度試驗可得，環氧瀝青混合料可施工時間大于3 h，具有較好的施工和易性。

b）斷級配熱拌環氧瀝青混合料借鑒SMA級配，馬歇爾穩定度大于60 kN，70 ℃動穩定度大于19 000 次/mm，-10 ℃低溫彎曲應變大于3 900 με，凍融劈裂比達到85%，路用性能優異。

c）依托新通揚運河大橋實橋工程，測試擺式摩擦系數大于70 BPN，構造深度達到0.70 mm，抗滑性能優異，行車舒適性高；滲水系數為0 mL/min，即斷級配熱拌環氧瀝青混合料不滲水。