鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土性能試驗(yàn)分析

■陳春日

（福建省交通建設(shè)試驗(yàn)檢測中心有限公司，福州 350007）

1 某公路橋概況

某公路橋全長540 m，其中主橋?yàn)?80 m，采用主跨為180 m 的連續(xù)鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)，道路等級為一級公路（兼城市道路功能），設(shè)計(jì)車速為80 km/h。鋼橋面“雙層EA”鋪裝結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 “雙層EA”鋪裝體系示意圖

2 3 類環(huán)氧瀝青性能對比

環(huán)氧瀝青是在瀝青中摻入一定比例的環(huán)氧樹脂、固化劑后在加熱條件下發(fā)生復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)而得到的，這種材料在強(qiáng)度性能、高溫穩(wěn)定性、變形與低溫抗裂能力上都有顯著的優(yōu)勢。 對環(huán)氧瀝青進(jìn)行混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)是使鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮其材料性能的重要保證。 選用熱拌環(huán)氧瀝青、溫拌環(huán)氧瀝青和冷拌環(huán)氧瀝青3 類環(huán)氧瀝青，分別對其結(jié)合料和粘結(jié)料的基本性能進(jìn)行比選，以更加深入了解3 類環(huán)氧瀝青材料在公路橋鋼橋面鋪裝上的適用性。 3 類環(huán)氧瀝青性能對比如表1 所示。

由表1 可見，3 類環(huán)氧瀝青結(jié)合料的拉伸強(qiáng)度與斷裂延伸率均滿足技術(shù)要求，其中冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料的拉伸強(qiáng)度比熱拌和溫拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料高，但冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料的斷裂延伸率相對較差，此外，在粘度增至1000 MPa·s 耗時(shí)方面，熱拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料時(shí)間最長，說明熱拌環(huán)氧瀝青具有最長的施工可操作性時(shí)間，施工和易性相對較好。3 類環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的拉伸強(qiáng)度均滿足技術(shù)要求，其中冷拌環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于技術(shù)要求，過大的強(qiáng)度導(dǎo)致其韌性相對較差， 斷裂延伸率較低。 在粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方面，冷拌環(huán)氧瀝青粘結(jié)料最佳，其次為熱拌環(huán)氧瀝青粘結(jié)料。

表1 3 類環(huán)氧瀝青性能對比

3 級配與油石比設(shè)計(jì)

級配對瀝青混合料的性能非常重要，它決定了礦料骨架空隙率，同時(shí)對瀝青用量、內(nèi)摩擦角等參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大影響，通常環(huán)氧瀝青混凝土橋面鋪裝采用懸浮密實(shí)型級配。 南京長江第二大橋等大跨徑鋼橋的實(shí)踐表明，采用該類級配的環(huán)氧瀝青混合料具有良好的抗疲勞與抗滑能力，且混合料易于攤鋪壓實(shí)。 根據(jù)已有研究成果，確定13.2 mm 為最大集料尺寸。 通過混合料馬歇爾試驗(yàn)確定某公路橋的具體級配如表2 和圖2 所示。

圖2 環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計(jì)礦料級配圖

表2 混合料礦料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

為確定3 類環(huán)氧瀝青結(jié)合料的最佳油石比，采用設(shè)計(jì)的礦料級配，通過馬歇爾試驗(yàn)，確定混合料中瀝青最佳用量。 按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)方法制作試件并檢測馬歇爾指標(biāo)，確定出3 種結(jié)合料的最佳油石比，熱拌、溫拌和冷拌環(huán)氧瀝青混合料的最佳油石比分別為6.5%、6.5%和8.5%。

4 混合料性能對比

4.1 強(qiáng)度

本文按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)方法在25℃、0℃和－20℃條件下成型馬歇爾試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 25℃、0℃和－20℃下3 類環(huán)氧瀝青混合料劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表3 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3 類環(huán)氧瀝青混合料在具有高強(qiáng)度的同時(shí)也具有較好的變形能力，均具有較優(yōu)越的強(qiáng)度性能，能有效抵抗常、低溫情況下的開裂現(xiàn)象；在－15℃試驗(yàn)條件下，冷拌環(huán)氧瀝青混合料抗拉強(qiáng)度最大，水平變形最小，僅為溫拌環(huán)氧瀝青混合料的53.8%， 說明冷拌環(huán)氧瀝青混合料在具有優(yōu)異強(qiáng)度的同時(shí)變形能力相對較弱。

4.2 高溫穩(wěn)定性

鋼橋面鋪裝層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有很高的要求[1]。 本文利用輪碾成型法制作車轍試驗(yàn)試件，試驗(yàn)溫度條件分別為60℃和70℃，施加輪壓為0.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 不同環(huán)氧瀝青混合料60℃、70℃車轍試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，60℃和70℃溫度條件下，3 類環(huán)氧瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度平均值均大于13000次/mm，遠(yuǎn)高于控制指標(biāo)8000 次/mm，其中冷拌環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，這表明冷拌環(huán)氧瀝青混合料具有更優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能。

4.3 變形與低溫抗裂能力

鋼橋面鋪裝層由于其獨(dú)特的使用環(huán)境，對鋪裝層混合料的低溫抗裂性要求也很高。 本研究采用半圓試件彎曲試驗(yàn)（SCB，Semi-circular bending）評價(jià)混合料的變形與抗裂能力。SCB 試件制作過程如圖3所示，試驗(yàn)加載測試裝置如圖4 所示，其中SCB 試件厚30 mm，直徑100 mm，支點(diǎn)間距為80 mm。

圖3 SCB 試件制作示意圖

圖4 SCB 試驗(yàn)加載測試裝置

試驗(yàn)條件分別為20℃、－10℃，加載速率分別為50 mm/min 和1 mm/min。在最佳油石比下，3 類環(huán)氧瀝青混合料的常溫與低溫試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 環(huán)氧瀝青混合料SCB 試驗(yàn)結(jié)果

從表5 可見，溫拌環(huán)氧瀝青混合料常溫與低溫時(shí)的變形能力最強(qiáng)，變形適應(yīng)能力最優(yōu)，但其彎曲強(qiáng)度也是最小。

4.4 水穩(wěn)定性

本文通過對環(huán)氧瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)來檢測水穩(wěn)定性能[2]。 通過計(jì)算，經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度與未經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度的比值，得到凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（TSR），試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 環(huán)氧瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表6 數(shù)據(jù)可知，3 類環(huán)氧瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足技術(shù)要求，具備優(yōu)異的水穩(wěn)定性，其中熱拌環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性最佳。

4.5 抗疲勞性能

本文采用彎曲疲勞試驗(yàn)研究3 種環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞性能， 按照車轍試驗(yàn)的方式成型試件，疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 環(huán)氧瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表7 數(shù)據(jù)可知，同樣應(yīng)變水平條件下，3 類環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能均非常優(yōu)異，遠(yuǎn)超技術(shù)要求。

4.6 耐燃油腐蝕性

將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件按規(guī)定方法浸泡后晾干，依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的“馬歇爾試驗(yàn)”檢測浸泡后試件的殘留穩(wěn)定度值。 通過浸泡前后的質(zhì)量損失和殘留穩(wěn)定度值來反映混合料的耐油腐蝕穩(wěn)定性。 試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示。

表8 環(huán)氧瀝青混合料耐燃油腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

由表8 中試驗(yàn)結(jié)果可知，3 類環(huán)氧瀝青混合料試件在柴油中浸泡48 h 后質(zhì)量沒有明顯減小，在柴油中浸泡48 h 后的殘留穩(wěn)定度值均在95%以上，說明環(huán)氧瀝青混合料具有非常好的耐燃油腐蝕性。

4.7 變形協(xié)調(diào)性

本文采用線收縮系數(shù)試驗(yàn)來評價(jià)3 類環(huán)氧瀝青混合料與鋼板的變形協(xié)調(diào)性。 從輪碾成型的試件上切制尺寸為200 mm×20 mm×20 mm 的棱柱體試件，試驗(yàn)溫度區(qū)間為15℃～15℃，降溫速率為10℃/h，試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 環(huán)氧瀝青混合料線收縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由表9 試驗(yàn)結(jié)果可知，3 類環(huán)氧瀝青混合料的線收縮系數(shù)均滿足要求，與鋼板接近，表現(xiàn)出良好的變形協(xié)調(diào)性。

5 3 類環(huán)氧瀝青混合料性能對比

為便于對比，將3 類環(huán)氧瀝青的混合料性能匯總?cè)绫?0 所示。

表10 3 種環(huán)氧瀝青混合料性能對比

由表10 的數(shù)據(jù)可知：（1）3 類環(huán)氧瀝青混合料均具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性、抗疲勞性能、耐燃油腐蝕性及變形協(xié)調(diào)性；（2）在劈裂抗拉強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、彎曲強(qiáng)度等方面，熱拌環(huán)氧瀝青混合料與冷拌環(huán)氧瀝青混合料明顯大于溫拌環(huán)氧瀝青混合料，說明熱拌環(huán)氧瀝青混合料與冷拌環(huán)氧瀝青混合料更能適應(yīng)于某公路橋高溫、特重交通的使用條件；（3）在變形能力方面，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的水平變形與極限應(yīng)變均小于熱拌環(huán)氧瀝青混合料與溫拌環(huán)氧瀝青混合料，尤其在低溫環(huán)境下，冷拌環(huán)氧瀝青混合料變形性能相對較弱。

6 結(jié)語

（1）3 類環(huán)氧瀝青結(jié)合料的拉伸強(qiáng)度與斷裂延伸率均滿足技術(shù)要求，其中冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料的拉伸強(qiáng)度比熱拌和溫拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料高，但冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料的斷裂延伸率相對較差，此外，在粘度增至1000 MPa·s 耗時(shí)方面， 熱拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料時(shí)間最長，說明熱拌環(huán)氧瀝青具有最長的施工可操作性時(shí)間，施工和易性相對較好。 （2）3 類環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的拉伸強(qiáng)度均滿足技術(shù)要求，其中冷拌環(huán)氧瀝青粘結(jié)料的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于技術(shù)要求，過大的強(qiáng)度導(dǎo)致其韌性相對較差，斷裂延伸率較低。 在粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方面，冷拌環(huán)氧瀝青粘結(jié)料最佳，其次為熱拌環(huán)氧瀝青粘結(jié)料。 （3）綜合對比3 類環(huán)氧瀝青混合料各項(xiàng)關(guān)鍵性能，熱拌環(huán)氧瀝青均表現(xiàn)出色， 不僅具有較高的強(qiáng)度和較好的變性能力，還具有優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。