系統(tǒng)論視角下環(huán)氧抗滑磨耗層設計研究

王占鋒 李晶晶

摘 要：為了設計環(huán)氧抗滑磨耗層，引入系統(tǒng)方法論，分析環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構建目的和構建原理，并系統(tǒng)研究環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)組成、結構層次和工作環(huán)境，基于此，通過分析工作環(huán)境、路用性能控制指標、環(huán)氧黏結材料配比、性能試驗驗證和工程應用等五方面，提出基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層設計。

關鍵詞：道路工程;環(huán)氧抗滑磨耗層;系統(tǒng)論;設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.080

環(huán)氧抗滑磨耗層是由環(huán)氧樹脂黏結材料和耐磨骨料組成的聚合物薄層鋪裝系統(tǒng) [1，2]。環(huán)氧磨耗層直接暴露在大氣環(huán)境中，受到多種荷載和環(huán)境綜合作用，出現(xiàn)黏結材料顏色變白或變黃、骨料剝落等現(xiàn)象，究其原因是黏結材料與結構層間粘結性能下降，影響整個結構使用性能和耐久性能，其解決之道是設計粘結性能優(yōu)異的磨耗層結構[2，3]。系統(tǒng)論思想是如何處理好整體、結構和個體之間的關系，從而達到理想的抗滑性能和粘結性能。國內外學者對于系統(tǒng)論及其應用展開了大量的研究，主要集中在食品安全、計算機技術等方面，在混凝土尤其是環(huán)氧抗滑磨耗層的研究比較少見。因此，有必要對環(huán)氧抗滑磨耗層進行系統(tǒng)研究，提出基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層結構設計，為道路工程的養(yǎng)護工作提供參考依據(jù)。

1 環(huán)氧抗滑磨耗層設計的系統(tǒng)論方法

1.1 系統(tǒng)論

20世紀20年代初，生物學家貝塔郎菲提出系統(tǒng)論的基本思想，隨后系統(tǒng)論以一種全新的科學方法論廣泛應用于國際學術界[3]。我國錢學森科學家于1979年開始研究系統(tǒng)論，提出系統(tǒng)科學這一新科學技術體系，在對事物整體宏觀把控的基礎上，量化研究系統(tǒng)結構與各組成部分之間的關系、功能和工作環(huán)境，在自然科學中有著廣泛應用。

系統(tǒng)處于特定環(huán)境中，由整體、個體、結構和環(huán)境四部分構成，研究系統(tǒng)就是研究系統(tǒng)與環(huán)境間的關系、系統(tǒng)個體和系統(tǒng)整體的結構關系、系統(tǒng)個體間的關系。應用系統(tǒng)論處理環(huán)氧抗滑磨耗層結構的實際問題，使之達到粘結性能和抗滑性能優(yōu)異的狀態(tài)，其過程是還原論研究方法和整體論方法的綜合。

1.2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構建目的

環(huán)氧抗滑磨耗層是一個暴露于外界環(huán)境的開放式系統(tǒng)，其內容涉及面廣、具有多樣性能目標，因此，環(huán)氧抗滑磨耗層需進行系統(tǒng)設計方可滿足性能需求，其設計需確定系統(tǒng)組成、結構層次與外界環(huán)境條件，協(xié)調好各因素間的相互關系，從而使系統(tǒng)目標最優(yōu)化。構建的環(huán)氧磨耗層系統(tǒng)具有良好的粘結性、抗剝落性、抗滑性和耐久性等功能，每種功能的實現(xiàn)需依賴一定的結構層次，而各結構間通過疊加優(yōu)化派生出耐久性能，促進系統(tǒng)最大效益的實現(xiàn)。將系統(tǒng)論的指導思想引入環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構建中，可以為其提供一定的方法指導，使其設計具有更強的科學性。

1.3 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構建原理

系統(tǒng)論的基本原理主要有整體性、開放性、目的性、層次性和最優(yōu)化等原理，對于環(huán)氧抗滑磨耗層這一開放式系統(tǒng)，僅分析其整體性、層次性和最優(yōu)化原理[2，3]。

1.3.1 整體性

系統(tǒng)論的整體性是指系統(tǒng)是由多個要素組成的有機整體，是系統(tǒng)最根本的特征之一。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是由環(huán)氧樹脂黏結材料和抗滑骨料組成，每一組成要素均具有自身的特征，但新形成的磨耗層系統(tǒng)是一個具有一定抗滑性能和耐久性能的功能層。

1.3.2 層次性

系統(tǒng)論的層次性是指組成系統(tǒng)的各個要素之間存在地位和作用上的不同，導致結構和功能上表現(xiàn)出等級秩序性。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)具有垂直結構層次和水平結構層次。

1.3.3 最優(yōu)化

系統(tǒng)論的最優(yōu)化原理是指改變系統(tǒng)各個要素的組成方式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮和效益最大化。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是調整環(huán)氧樹脂黏結材料間配比、骨料用量等來實現(xiàn)系統(tǒng)的良好抗滑性能和抗剝落性能。

2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構成

進行環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)設計需先弄清楚其系統(tǒng)構成、系統(tǒng)結構垂直層次和水平層次、系統(tǒng)的外界工作環(huán)境，明確相互關系，設計各組份配比，從而達到系統(tǒng)結構優(yōu)化，實現(xiàn)耐久性目標。

2.1 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)組成

根據(jù)環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)構建目的和構建原理，將其系統(tǒng)分為主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)三大層次，主系統(tǒng)由環(huán)氧抗滑磨耗層組成，子系統(tǒng)由環(huán)氧黏結材料和抗滑骨料組成，從系統(tǒng)由環(huán)氧樹脂、增韌劑、固化劑、稀釋劑和水組成[3]。

2.2 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的結構層次

環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)結構由垂直結構和水平結構組成。從水平結構層次來看，抗滑骨料和黏結材料間屬于水平關系，環(huán)氧樹脂與外加劑間也屬于水平關系;從垂直結構層次來看，環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)結構由主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)組成，主系統(tǒng)受環(huán)氧黏結材料和抗滑骨料的性能制約，子系統(tǒng)受環(huán)氧樹脂和外加劑的性能制約。按照環(huán)氧抗滑磨耗層的粘結性能來看，環(huán)氧樹脂這一要素占主導地位。因此，研究環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的綜合使用性能，需從主系統(tǒng)向子系統(tǒng)和從系統(tǒng)倒推，逐層次對各子系統(tǒng)和從系統(tǒng)進行性能分析，層層優(yōu)化。

2.3 環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的工作環(huán)境

環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)直接暴露在大氣環(huán)境中，承受著車輛荷載、溫度交替變化和濕度變化等因素的綜合作用，與自然環(huán)境和使用環(huán)境發(fā)生持續(xù)的能量交換，是一個開放式的系統(tǒng)。因此，研究其系統(tǒng)性能需綜合考慮自然環(huán)境和使用環(huán)境的影響。在車輛荷載和大氣環(huán)境變化的綜合作用下，環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)表面會出現(xiàn)骨料剝落、抗滑性能減弱，進而出現(xiàn)裂縫、結構性性能衰減乃至破壞。環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)的工作環(huán)境見圖1。

3 基于系統(tǒng)論的環(huán)氧抗滑磨耗層設計

系統(tǒng)論方法進行活動設計一般包括辨識環(huán)境、確定目標、系統(tǒng)構成與分析、解決辦法與確定最終方案等步驟，根據(jù)環(huán)氧抗滑磨耗層的養(yǎng)護特點及抗滑抗剝落性能要求，提出系統(tǒng)論視角下環(huán)氧抗滑磨耗層設計流程，包括辨識環(huán)境、確定路用性能指標、黏結材料配比優(yōu)化、性能試驗驗證和工程應用等5個方面[3]。

3.1 辨識工作環(huán)境

調查需進行預防性養(yǎng)護工程的氣象資料、交通量大小、舊路病害狀況和舊路承載力、抗滑骨料供應情況和價格，結合路況的適應性分析，確定采用何種養(yǎng)護措施進行舊路處治，方可進行環(huán)氧抗滑磨耗層的養(yǎng)護。

3.2 確定路用性能控制指標

根據(jù)待養(yǎng)護的道路交通等級，分析工作環(huán)境對環(huán)氧抗滑磨耗層路用性能的要求，主要包括不同條件下層間粘結性能、磨耗層表面抗滑性能和骨料抗剝落性能，基于性能指標要求，確定環(huán)氧黏結材料和抗滑骨料技術指標。

3.3 優(yōu)化環(huán)氧樹脂黏結材料配比

依據(jù)前述提出的粘結性能、抗滑性能、抗剝落性能等路用性能指標要求，合理選擇環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑、稀釋劑類型，進行復配優(yōu)化試驗研究，確定出合適的復配方案。

3.4 性能試驗驗證

將初配好的環(huán)氧樹脂黏結材料均勻涂抹在事先成型的路面板上，再其上鋪筑一定用量的抗滑骨料，固化一定時間，通過拉拔和剪切試驗測定層間粘結強度，構造深度和DFT附著系數(shù)檢測測定其抗滑性能，骨料質量損失率測定其抗剝落性能，檢查這些性能指標是否滿足規(guī)范規(guī)定的路用性能指標要求。

3.5 工程應用

將各項性能試驗均滿足要求的復配設計方案應用于實際道路養(yǎng)護工程，長期觀察和檢測試驗效果，同時可進行全壽命周期內的經濟效益分析，評價養(yǎng)護方案。

4 結論

環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是一個開放式的復雜系統(tǒng)，結合系統(tǒng)方法論，明確環(huán)氧抗滑磨耗層系統(tǒng)是由主系統(tǒng)、子系統(tǒng)和從系統(tǒng)組成，分析其垂直結構層次和水平結構層次，以及系統(tǒng)與自然環(huán)境和使用環(huán)境間的能量交換。提出從辨識工作環(huán)境入手，充分考慮工程所在地現(xiàn)有交通狀況和自然環(huán)境條件，以粘結性能、抗滑性能和抗剝落性能作為路用性能控制指標，確定環(huán)氧黏結材料配比，并進行性能驗證和工程應用的系統(tǒng)設計。

參考文獻：

[1]方星，王興昌，磨煉同.薄層環(huán)氧抗滑鋪裝材料加速加載試驗研究[J].公路，2010，10（10）：214-219.

[2]趙鋒軍，李宇峙.鋼橋面薄層環(huán)氧樹脂混凝土鋪裝材料路用性能試驗研究[J].公路，2010，2（02）：74-78.

[3]李晶晶.水泥路面環(huán)氧抗滑磨耗層材料與結構特性研究[D].西安：長安大學，2018.