環(huán)氧薄層鋪裝材料斷裂性能試驗研究

崔樹華，盧 鋼，方 星，磨煉同

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，錫林浩特 026000；2.通遼市交通規(guī)劃設(shè)計院，通遼 028000；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點試驗室，武漢 430070）

橋梁是交通運(yùn)輸?shù)难屎硪?，其里程在公路總里程中所占比例很小，但其因維修養(yǎng)護(hù)給整個路網(wǎng)通行能力的影響是巨大的。橋面鋪裝材料由于其所在的特殊結(jié)構(gòu)位置，其使用壽命遠(yuǎn)小于普通瀝青路面。由于在橋梁處更易形成渠化交通，同時鋪裝層受力更為復(fù)雜，橋面鋪裝層比普通瀝青路面更容易產(chǎn)生早期損壞，嚴(yán)重制約著其使用品質(zhì)和壽命。頻繁的養(yǎng)護(hù)、維修，甚至翻修不僅僅浪費(fèi)了大量的財力、物力和人力，還造成了嚴(yán)重的交通擁堵。武漢白沙洲長江大橋十年24次大修就是典型例子。

橋梁在道路交通運(yùn)輸中的特殊角色要求其橋面鋪裝材料必須滿足耐久性的要求。此外，維修養(yǎng)護(hù)成本及其方便性，因維修導(dǎo)致的交通擁堵所帶來的社會成本也應(yīng)引起重視。橋面鋪裝材料的選擇依據(jù)更應(yīng)建立在使用年限內(nèi)的綜合成本而非初期投資成本之上。因此在水泥混凝土橋面上大多采用改性瀝青混凝土鋪裝。在鋼橋面上，由于橋面板變形大，因此多采用澆注式SMA瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土。此外，薄層環(huán)氧樹脂混凝土也開展了一些室內(nèi)試驗研究。

國內(nèi)外眾多實體工程應(yīng)用結(jié)果表明鋼橋面鋪裝仍是世界難題。鋼橋面鋪裝層的層間黏結(jié)破壞以及鋪裝層表面彎拉應(yīng)變導(dǎo)致的疲勞開裂是重點考慮的問題。這要求鋼橋面鋪裝材料必須與鋼橋面板具有良好的黏結(jié)性能（特別是高溫條件下），同時還須具有良好的柔性（特別是在低溫條件下），以便能追隨橋面板的大變形而不發(fā)生低溫開裂和疲勞開裂。

薄層環(huán)氧抗滑鋪裝材料是一種新型的道路材料，其厚度僅為5～10mm，由環(huán)氧樹脂和單一粒徑耐磨集料組合而成，其中環(huán)氧樹脂與集料、混凝土、鋼板等粘結(jié)性好，可對橋面起到很好的保護(hù)作用；單一粒徑耐磨集料的使用使得鋪裝層表面粗糙，可起到很好的抗滑作用。采用改性環(huán)氧樹脂制備的鋪裝材料低溫柔性和疲勞性能可大大改善。鋪裝厚度很小，成本相對較低，同時減少橋梁負(fù)載。此外，薄層環(huán)氧抗滑鋪裝的表面修復(fù)工作簡單易行，無需長時間養(yǎng)護(hù)，短期即可開放交通。

通過與環(huán)氧瀝青混凝土、SMA瀝青混凝土對比分析，研究不同溫度（－10～60℃）下環(huán)氧鋪裝材料的斷裂力學(xué)性能。采用小梁三點彎曲試驗分析溫度對上述3種材料彎曲強(qiáng)度、最大彎曲應(yīng)變、彎曲勁度模量和斷裂應(yīng)變能密度的影響，為新材料的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所用環(huán)氧粘結(jié)劑為DH－IV環(huán)氧膠黏劑，由武漢興正源路橋復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，是一種無溶劑、100%固含、低模量雙組分復(fù)合材料粘結(jié)劑，所用抗磨集料為玄武巖細(xì)集料，粒徑在2.36～4.75mm之間。一般地，環(huán)氧薄層抗滑材料采用兩層鋪筑：第一層環(huán)氧膠黏劑的涂膠用量為1.0L/m2，玄武巖細(xì)集料播灑用量為5.4kg/m2；第二層環(huán)氧膠黏劑的用量為2.0L/m2，玄武巖細(xì)集料用量為7.6kg/m2。為了滿足小梁三點彎曲試件的厚度要求，試驗采用多層鋪筑方式，即重復(fù)前述第二層的制備工藝，先制成面板后再切割成所需要的小梁試件。

SMA改性瀝青混合料試驗采用湖北國通道誠PG76－22改性瀝青，其性能應(yīng)能符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的技術(shù)要求，按美國SUPERPAVE瀝青分級可達(dá)到PG76－22技術(shù)要求。老化前瀝青針入度為53，軟化點80℃，5℃延度為38cm。瀝青老化后針入度為36，彈性恢復(fù)為95%。試驗所用粗集料為1＃料（9.5～16mm）、2＃料（4.75～9.5mm）和3＃料（2.36～4.75mm）三檔碎石，其來源是江蘇鎮(zhèn)江茅迪機(jī)砸玄武巖碎石，石屑采用武穴鑫鑫偉業(yè)石料廠生產(chǎn)的0～2.36mm碎石，礦粉采用鄂州四達(dá)物資有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。試驗采用的SMA－13瀝青混合料，其級配設(shè)計依據(jù)JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中SMA－13級配中值進(jìn)行。最佳油石比為5.8%，纖維摻量為0.2%，馬歇爾擊實試件的空隙率為3.8%。按最佳油石比設(shè)計的SMA－13瀝青混合料的各項體積指標(biāo)及路用性能指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

所用環(huán)氧瀝青由美國Chem Cosystem公司生產(chǎn)，集料選用江蘇鎮(zhèn)江茅迪實業(yè)有限公司生產(chǎn)的玄武巖集料。合成級配在關(guān)鍵篩孔13.2mm，9.5mm，4.75mm，2.36mm，0.6mm和0.075mm的通過率分別為100%，97.3%，74.2%，61.3%，35.8%和10.9%。環(huán)氧瀝青混合料按馬歇爾擊實成型試件，油石比變化范圍為6%～7%，雙面各擊實75次，成型后的試件在120℃烘箱內(nèi)固化4h后測定其體積參數(shù)。以2.2%為目標(biāo)空隙率，綜合其它性能確定最佳油石比為6.9%，聚酯纖維摻量為0.2%。

1.2 方法

該次試驗采用JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0715—1993瀝青混合料彎曲試驗方法來評價上述3種材料彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)。試驗采用標(biāo)準(zhǔn)小梁三點彎曲試驗來進(jìn)行，小梁尺寸為長250mm×寬30mm×高35mm，跨徑為200mm。SMA瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料均按輪碾法成型成一個長300mm×寬300mm×高50mm的面板試樣，再切制成試驗所需的棱柱體小梁試件。環(huán)氧薄層鋪裝材料則按前述的多層鋪筑方式制備面板試樣后再切割。

該試驗采用UTM－25伺服液壓系統(tǒng)進(jìn)行小梁三點彎曲試驗，按位移控制模式加載，加載速率為50mm/min。試件所受載荷由荷重傳感器測量，試驗垂直變形由壓頭位移進(jìn)行計算。為了較全面了解不同材料彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)，考慮了材料在實際服役時所受到的溫度范圍，試驗溫度共設(shè)計5個點，分別為－10℃，0℃，10℃，25℃和60℃。采用平行試驗，溫度由UTM－25伺服液壓系統(tǒng)保溫箱進(jìn)行控溫，試驗前小梁在設(shè)定溫度條件下在保溫箱保溫達(dá)到4h以上。由于荷載－跨中位移曲線在試驗初始階段出現(xiàn)明顯的弧形位移變化，表明試驗還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此位移的實際原點將按試驗規(guī)程要求進(jìn)行修正。

通過小梁三點彎曲試驗加載過程中所能承受的荷載最大值以及軸向位移，試件的彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量以及斷裂應(yīng)變能可按下式計算。

式中，σB為試件破壞時的彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為試件破壞時的彎拉應(yīng)變；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量，MPa；W為應(yīng)變能密度，由應(yīng)力－應(yīng)變所圍成的面積確定，106J/m3；PB為試件破壞時的最大荷載，N；dB為試件破壞時的跨中實際撓度，mm；L為小梁試件的跨度，取200mm；b為小梁試件的寬度，mm；h為小梁試件的高度，mm。

2 結(jié)果與討論

圖1為環(huán)氧薄層鋪裝材料在不同溫度下的彎拉應(yīng)力－應(yīng)變曲線。如圖1所示，環(huán)氧薄層鋪裝材料在常溫或高溫時表現(xiàn)為延性破壞形式，即以大的應(yīng)變的流值形式破壞。當(dāng)隨著溫度下降到10℃附近時，環(huán)氧鋪裝材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線仍呈一定曲線性，表明材料發(fā)生了脆性－延性破壞。當(dāng)溫度低于0℃時，應(yīng)力－應(yīng)變曲線基本以線性方式發(fā)展直至破壞性，表明脆性破壞趨勢較明顯。

由于SMA瀝青混凝土在高溫時軟化，60℃時的小梁三點彎曲試驗因試驗前的高溫蠕變破壞而未能順利進(jìn)行。圖2中SMA瀝青混凝土在常溫時是以大的應(yīng)變的流值形式破壞，10℃時應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈拋物線，而溫度低于0℃應(yīng)力－應(yīng)變曲線的線性增強(qiáng)，脆性破壞趨勢增大。

如圖3所示，環(huán)氧瀝青混凝土在不同溫度下的破壞模式與SMA瀝青混凝土相似。在常溫或高溫時表現(xiàn)為延性破壞，而在10℃附近時其應(yīng)力－應(yīng)變曲線仍呈曲線性，表明脆性－延性破壞起主導(dǎo)作用，低于10℃后應(yīng)力－應(yīng)變曲線明顯呈線性變化，脆性破壞趨勢逐漸增強(qiáng)。

圖2為上述彎曲強(qiáng)度模型對3種材料試驗結(jié)果的擬合效果，表1列出了彎曲強(qiáng)度模型參數(shù)擬合結(jié)果。必須說明的是，圖中圖標(biāo)如方框，棱形和三角形為試驗數(shù)據(jù)，而虛線為模型對試驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果。由圖2所示，模型擬合虛線與試驗數(shù)據(jù)很好的重合在一起。表1所列的回歸相關(guān)系數(shù)表明所給的彎曲強(qiáng)度模型很好的擬合所得試驗數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)均大于0.90，模擬值與試驗值的絕對誤差最大的為7.0%，最小僅為0.7%。

表1為不同材料在不同溫度下的小梁三點彎曲試驗結(jié)果平均值匯總。3種材料的彎曲強(qiáng)度大小順序為：環(huán)氧瀝青混凝土、環(huán)氧鋪裝材料和SMA瀝青混凝土。SMA瀝青混凝土的彎曲強(qiáng)度對溫度最為敏感，溫度從0℃上升到25℃時彎曲強(qiáng)度下降最顯著，環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料的強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律基本相同。在高溫60℃時，與SMA瀝青混凝土相比，環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料仍具與足夠高的強(qiáng)度，可表現(xiàn)出比SMA瀝青混合料更好的高溫穩(wěn)定性。

表1 不同材料在不同溫度下的小梁三點彎曲試驗結(jié)果平均值匯總

不同溫度下環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土彎曲勁度模量對比分析表明環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲勁度模量最大，環(huán)氧鋪裝材料的彎曲勁度模量次之，而SMA瀝青混凝土的彎曲勁度模量最小。與強(qiáng)度相似，在這3種材料中，SMA瀝青混凝土的彎曲勁度模量對溫度最為敏感，溫度從0℃上升到25℃時彎曲勁度模量下降趨勢大于環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料的彎曲勁度模量隨溫度的變化趨勢。上述分析結(jié)果表明環(huán)氧鋪裝材料的勁度模量介于環(huán)氧瀝青混凝土與SMA瀝青混凝土之間，可適用于道路鋪裝層。

不同溫度下3種材料的最大彎曲應(yīng)變對比分析表明環(huán)氧鋪裝材料的最大彎曲應(yīng)變最大，而SMA瀝青混凝土的最大彎曲應(yīng)變最小，環(huán)氧瀝青混凝土的最大彎曲應(yīng)變介于上述兩者之間。至于－10℃低溫彎曲應(yīng)變大小為：環(huán)氧鋪裝材料4 219μm/m，環(huán)氧瀝青混凝土2 543μm/m和SMA瀝青混凝土3 202μm/m。由于－10℃低溫彎曲應(yīng)變大小反映了材料抗溫縮開裂和應(yīng)變控制模式下的疲勞性能，因此可知環(huán)氧鋪裝材料抗溫縮開裂和疲勞性能優(yōu)于環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土。

3種材料的斷裂應(yīng)變能密度隨溫度的變化規(guī)律略為復(fù)雜，其并非單調(diào)增加或減小。溫度－斷裂應(yīng)變能密度變化規(guī)律中呈現(xiàn)出一個峰值，每種材料峰值對應(yīng)的溫度并不相同，如SMA瀝青混凝土的峰值在10℃，而環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料的峰值在較高的溫度，如20℃。由于斷裂應(yīng)變能密度的大小與材料抗裂紋擴(kuò)展的性能相關(guān)，表明環(huán)氧鋪裝材料和環(huán)氧瀝青混凝土在常溫至高溫區(qū)的抗裂紋擴(kuò)展能力優(yōu)于SMA瀝青混凝土。SMA瀝青混凝土在10℃附近的抗裂紋擴(kuò)展能力最佳。與環(huán)氧瀝青混凝土相比，環(huán)氧鋪裝材料在各溫度范圍內(nèi)均優(yōu)于環(huán)氧鋪裝材料。在－10℃時，環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土斷裂應(yīng)變能密度分別為5.01×104J/m3，4.12×104J/m3和4.00×104J/m3，表明環(huán)氧鋪裝材料低溫抗裂性優(yōu)于其它兩種材料。

3 結(jié) 論

a.試驗結(jié)果表明環(huán)氧鋪裝材料的各項力學(xué)性能呈溫度依賴性。與環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土相比，環(huán)氧鋪裝材料的溫度敏感性與環(huán)氧瀝青較為相似，但小于SMA瀝青混凝土的溫度敏感性。

b.環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土在不同溫度下的破壞模式相類似。在常溫和高溫段呈延性破壞，在10℃附近則呈延性－脆性破壞，而低于0℃后脆性破壞趨勢逐漸增強(qiáng)。

c.不同溫度下，環(huán)氧鋪裝材料、環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土3種材料的彎曲強(qiáng)度從大到小順序為：環(huán)氧瀝青混凝土、環(huán)氧鋪裝材料和SMA瀝青混凝土。在高溫60℃時，環(huán)氧瀝青混凝土和環(huán)氧鋪裝材料仍具與足夠高的強(qiáng)度，表現(xiàn)出比SMA瀝青混合料更好的高溫性能。

d.在不同的溫度下，環(huán)氧鋪裝材料的勁度模量介于環(huán)氧瀝青混凝土與SMA瀝青混凝土之間，表明其適用于道路鋪裝材料。

e.在不同的溫度下，環(huán)氧鋪裝材料的最大彎曲應(yīng)變均大于SMA瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土。－10℃低溫彎曲應(yīng)變大于4 000μm/m，表明環(huán)氧鋪裝材料抗溫縮開裂性能良好。

f.環(huán)氧鋪裝材料和環(huán)氧瀝青混凝土均在常溫區(qū)出現(xiàn)斷裂應(yīng)變能密度的峰值，SMA瀝青混凝土出現(xiàn)峰值對應(yīng)的溫度為10℃。在低溫－10℃時，環(huán)氧鋪裝材料的斷裂應(yīng)變能密度均大于環(huán)氧瀝青混凝土和SMA瀝青混凝土，表現(xiàn)出較好的抗裂紋擴(kuò)展性能。

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