熱拌環(huán)氧瀝青混合料壓實特性試驗評價與工程應用

徐 偉，耿 杰，許 龍

（1．華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2．廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510101）

0 引 言

環(huán)氧瀝青在鋼橋面鋪裝中應用較廣泛，環(huán)氧瀝青混合料膠結料黏度、級配與一般瀝青混合料有較大差異；環(huán)氧瀝青混合料屬于熱固型高分子復合材料［1－2］，壓實效果直接影響環(huán)氧瀝青鋪裝的強度、耐久性以及抗滑性能［3－7］。

本文基于旋轉壓實密實度曲線和壓實特征參數(shù)對熱拌環(huán)氧瀝青混合料壓實過程和規(guī)律進行研究，評價壓實次數(shù)、混合料級配及壓實溫度等因素對環(huán)氧瀝青混合料壓實度的影響規(guī)律，為施工壓實控制提供參考。

1 環(huán)氧瀝青混合料壓實特性參數(shù)

試驗所用熱拌環(huán)氧瀝青的環(huán)氧樹脂、固化劑、瀝青配比為14∶11∶15［8］，熱拌環(huán)氧瀝青混合料級配各檔篩孔通過率見表1，采用SGC旋轉壓實方法對熱拌環(huán)氧瀝青混合料壓實性能和影響規(guī)律進行評價。

表1 五種級配各檔篩孔通過率

以具代表性的Ⅰ型級配環(huán)氧瀝青混合料壓實為例，分析其壓實過程，半對數(shù)坐標下密實度壓實曲線見圖1。圖中曲線表明環(huán)氧瀝青混合料的密實度曲線存在拐點，可分為2個壓實階段。半對數(shù)坐標下把環(huán)氧瀝青混合料密實曲線轉換成空隙率－壓實次數(shù)的關系（圖2），根據(jù)文獻［9］可得

式中：Vm（N）為旋轉壓實N 次后的空隙率；V（1）為旋轉壓實1次后試件的空隙率；k為曲線的斜率；N為壓實次數(shù)。

圖1 兩階段密實曲線

圖2 空隙率－壓實次數(shù)密實曲線

利用式（1）對兩段曲線分別進行擬合，得到密實曲線平均斜率k1、k2，見圖2，k數(shù)值越大，表示空隙率減小速度越快。

一般熱拌環(huán)氧瀝青混凝土目標空隙率不大于3%，故定義熱拌環(huán)氧瀝青混合料密實能量指數(shù)CEI為：由混合料松散狀態(tài)壓實到密實度為97%，密實曲線下包絡面積見圖3。通過環(huán)氧瀝青混合料密實曲線平均斜率k1、k2和CEI評價壓實次數(shù)、級配和壓實溫度對環(huán)氧瀝青混合料壓實規(guī)律影響。

圖3 環(huán)氧瀝青混合料密實能量指數(shù)CEI

2 壓實次數(shù)對環(huán)氧瀝青混合料性能的影響

對受壓實次數(shù)影響顯著的骨架型級配Ⅰ進行評價，混合料在相應拌合溫度統(tǒng)一放置60min后開始成型（以下相同），壓實次數(shù)分別為100、125、160次［10－11］，試件直徑為150mm，密實曲線見圖4。圖4曲線表明，密實度在壓實初期增長較快，隨著壓實次數(shù)增加，密實度曲線趨于平緩。旋轉壓實40次后密實度基本達到97%，隨后密實度增長平緩；旋轉壓實100、125、160 次的密實度分別為 98．53%、98．60%、98．57%，表明密實度達到98%后再增加壓實次數(shù)對混合料密實度的影響較?。?2－14］。

圖4 不同壓實次數(shù)的Ⅰ型級配密實曲線

將旋轉壓實的試件取芯并切割成標準100mm的馬歇爾試件，進行馬歇爾試驗，試驗結果見表2。表2中數(shù)據(jù)顯示，壓實次數(shù)在100～125次，穩(wěn)定度略有提高；壓實次數(shù)提升至160次，穩(wěn)定度降低，表示過多增加壓實次數(shù)，反而導致混合料強度下降。這主要由于過多增加壓實次數(shù)會導致混合料的集料骨架結構受到影響，礦料間隙率降低，進而影響混合料強度。

表2 不同壓實次數(shù)的馬歇爾試驗數(shù)據(jù)

3 級配對環(huán)氧瀝青混合料壓實特性的影響

采用5種級配對比評價級配對環(huán)氧瀝青混合料密實曲線的影響，其中Ⅰ型級配為骨架型較粗級配，Ⅴ型級配為常用細級配，具體級配見表1，各級配分別選用相應最佳油石比，設計旋轉壓實125次。5種級配混合料密實曲線見圖5，可見Ⅰ型級配與其他4種級配前40次的密實曲線存在明顯差別，表明前40次Ⅰ型級配比其他4種級配混合料更難壓實，但5種級配的最終密實度均比較相近。

將圖5中曲線轉換成半對數(shù)坐標下的壓實次數(shù)－空隙率曲線，見圖6，按公式（1）擬合，直線相關系數(shù)R介于0．94～0．99，5種級配壓實參數(shù)見表3，密實曲線平均斜率k1、k2、CEI與級配關系見圖7、8。圖7表明，5種級配的k1＞k2，表明第1階段壓實速率大于第2階段；表3中5個級配壓實階段拐點處密實度基本達到97%，表明壓實主要發(fā)生在第1階段。

圖5 五種級配的密實曲線

圖6 壓實次數(shù)－空隙率曲線

表3 五種級配混合料的壓實特性參數(shù)數(shù)據(jù)

圖7表明，2階段內5種級配密實曲線平均斜率k1、k2由大到小為：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，說明粗級配環(huán)氧瀝青混合料壓實速率高于較細級配環(huán)氧瀝青混合料壓實速率。

圖7 五種級配密實曲線平均斜率k1、k2

圖8 五種級配密實能量指數(shù)

由圖8可見，5種級配密實能量指數(shù)CEI由大到小為：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，說明粗級配環(huán)氧瀝青混合料比細級配更難壓實，粗集料混合料需要更大壓實功來克服集料之間的阻力［15］。

4 溫度對環(huán)氧瀝青混合料壓實特性的影響

壓實溫度是影響瀝青混合料壓實效果、體積特性及穩(wěn)定度的重要因素［16－17］。為評價成型溫度對環(huán)氧瀝青混合壓實特性的影響，選擇Ⅰ型、Ⅴ型級配進行分析，一般熱拌環(huán)氧瀝青混合料出料溫度控制在165℃～185℃，故分別在165℃、175℃、185℃旋轉壓實125次成型試件。圖9、10分別是Ⅰ型、Ⅴ型級配不同溫度下成型的密實曲線，將圖9、10中的旋轉壓實曲線轉換為半對數(shù)坐標下的空隙率－壓實次數(shù)曲線，見圖11、12。按照公式（1）擬合，壓實特征參數(shù)k1、k2、CEI與成型溫度的關系分別見圖13～15。

圖9 Ⅰ型級配不同溫度的密實曲線

圖10 Ⅴ型級配不同溫度的密實曲線

圖11 Ⅰ型級配空隙率－壓實次數(shù)曲線

圖13 表明，隨著壓實溫度提高到175℃，Ⅰ型和Ⅴ型環(huán)氧瀝青混合料密實曲線的平均斜率k1明顯下降，表現(xiàn)為壓實速率下降，而表4中的數(shù)據(jù)表明，溫度提高，達到97%密實度所需的壓實次數(shù)明顯減少。壓實溫度由175℃提高到185℃，Ⅰ型和Ⅴ型混合料密實曲線的平均斜率k1變化不明顯。圖14表明密實曲線平均斜率k2隨溫度變化較小，說明提高溫度對于第2階段壓實特性影響較小。

圖12 Ⅴ型級配空隙率－壓實次數(shù)曲線

圖13 壓實溫度與平均斜率k1關系

圖15 表明，隨著壓實溫度提高，密實能量指數(shù)CEI呈下降趨勢，這是由于提高溫度可以減小環(huán)氧瀝青黏度，起到減小壓實功的作用。溫度由165℃升至175℃時壓實效果提升更明顯，175℃以上壓實效果提升不顯著，故推薦該熱拌環(huán)氧瀝青混合料施工最佳碾壓溫度為175℃。

圖13～15表明，提高壓實溫度，Ⅰ型級配的k1、k2、CEI變化較Ⅴ型級配更顯著，說明粗級配混合料壓實特性對壓實溫度更敏感，提高壓實溫度對粗級配環(huán)氧瀝青混合料壓實效果改善更顯著。

圖14 壓實溫度與平均斜率k2關系

圖15 壓實溫度與密實能量指數(shù)關系

5 工程應用

江順大橋鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混合料礦料級配組成為：鋪裝上面層為表1中的級配I，鋪裝下面層為表1中的級配V。下面層級配V是典型連續(xù)密級配，壓實工藝成熟。為了提高鋪裝表面抗滑性能，上面層采用了較粗級配，但缺乏相關壓實經(jīng)驗。為確定上面層壓實工藝，根據(jù)環(huán)氧瀝青混合料壓實規(guī)律，初壓溫度為175℃，壓實度設計要求大于97%，設計了3種壓實方案進行比較評價，見表4，表中數(shù)據(jù)顯示，下面層鋪裝壓實度達到了設計要求，上面層方案2、3的鋪裝壓實度能滿足要求，為了保證鋪裝質量的可靠性，在抗滑性能滿足要求前提下，確定正式施工采用方案3進行壓實。江順大橋鋼橋面鋪裝壓實施工、鋪裝表面狀態(tài)及通車3年后鋪裝狀況照片見圖16。

表4 壓路機組合及碾壓遍數(shù)

圖16 江順大橋鋼橋面鋪裝施工及狀況照片

6 結 語

（1）熱拌環(huán)氧瀝青混合料密實曲線約在97%處出現(xiàn)拐點，呈現(xiàn)出2階段壓實特性，第1階段密實度增加較快，第2段密實度增加緩慢。過度壓實會導致混合料強度下降，應該合理控制壓實次數(shù)。

（2）熱拌環(huán)氧瀝青混合料壓實速率k、密實能量指數(shù)CEI與級配類型具有顯著相關性，粗級配參數(shù)值較高，細級配參數(shù)值較低，即粗級配環(huán)氧瀝青混合料壓實難度較大，但壓實速率較快。提高粗級配環(huán)氧瀝青混合料壓實溫度，比細級配混合料更能有效提高壓實效果。

（3）壓實溫度從165℃提高到175℃，達到設計壓實度的壓實次數(shù)顯著下降；壓實溫度從175℃提高到185℃，壓實參數(shù)變化較小，壓實性能改善不明顯。該熱拌環(huán)氧瀝青混合料最佳碾壓溫度為175℃，最佳壓實溫度區(qū)間為165℃～175℃。

（4）試驗確定了江順大橋環(huán)氧瀝青鋪裝壓實工藝參數(shù)，經(jīng)檢測鋪裝層壓實度、抗滑性能和平整度滿足設計要求，3年通車運行檢驗表明，鋼橋面鋪裝綜合路用性能良好。