路面構(gòu)造對環(huán)氧覆層路用性能的影響規(guī)律研究

左建琴， 孫 超， 施躍進， 徐 旺， 余增兵， 鄧行寬

(1.江蘇省昆山市公路管理處，江蘇 昆山 215316；2.華藍設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530000；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106)

0 引 言

環(huán)氧覆層鋪裝是一項性能優(yōu)異的路面養(yǎng)護技術(shù)，在路面上鋪筑環(huán)氧覆層可提高路面抗滑性能和抗?jié)B水性能，修復(fù)或延緩病害發(fā)展，從而延長道路使用壽命[1]。在輪載作用下，環(huán)氧覆層與原路面結(jié)構(gòu)之間存在脫層和推移的風(fēng)險，因此室內(nèi)一般通過拉拔試驗和剪切試驗評價環(huán)氧覆層的路用性能[2-4]。實際上，環(huán)氧覆層與原路面的黏結(jié)作用受到膠結(jié)料黏結(jié)能力、原路面構(gòu)造深度、輪載壓力、輪胎硬度等多因素的影響。研究表明，環(huán)氧覆層在光滑界面和粗糙界面上的黏結(jié)強度和剪切強度存在較大差距[5，6]。以往的研究，均未給出路面構(gòu)造對環(huán)氧覆層黏結(jié)強度的影響規(guī)律。另外，僅有3～10 mm厚的環(huán)氧覆層難以進行剪切試驗，而室內(nèi)加速加載磨耗試驗具有真實模擬路面輪載磨耗的特點，采用磨耗指標(biāo)更能反映環(huán)氧覆層的路用性能[7，8]。因此，本文通過拉拔試驗和加速加載磨耗試驗研究路面構(gòu)造對環(huán)氧覆層路用性能的影響規(guī)律。

1 試驗方法

采用拉拔試驗和加速加載磨耗試驗分別測試環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度和磨耗值。試驗?zāi)M了原路面為瀝青路面和水泥路面的路面形式，采用“車轍板+環(huán)氧覆層”和“水泥混凝土板+環(huán)氧底涂+環(huán)氧覆層”的復(fù)合結(jié)構(gòu)試件進行試驗。

拉拔試驗采用40 mm×40 mm規(guī)格的黏結(jié)拉頭，采用環(huán)氧樹脂AB膠強力膠水將黏結(jié)拉頭與底板試件黏結(jié)，進行試驗時確保受力范圍為黏結(jié)拉頭邊界范圍。磨耗試驗采用加速加載磨耗儀，加載輪施加荷載為2.28 kN，輪胎壓力為0.7 MPa，試驗溫度為25 ℃，記錄環(huán)氧覆層磨耗損失速率近乎為零(作用次數(shù)約60 000次)時對應(yīng)的磨耗值。

2 原材料選擇及試件成型

2.1 原路面試件成型

本文采用瀝青車轍板試件和水泥混凝土板試件模擬瀝青路面和水泥路面。

車轍板試件采用AC--13和AC--16兩類密集配瀝青混合料成型，表面構(gòu)造深度為0.67～1.62 mm，見表1。

表1 瀝青車轍板孔隙率及表面構(gòu)造

水泥混凝土板配合比設(shè)計參考《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)，按照 C60 強度等級設(shè)計，水灰比為0.31。試件養(yǎng)護28 d后，根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)抗滑構(gòu)造使用要求，矩形刻槽深度為3～4 mm，槽寬為3～5 mm，槽間距為12～25 mm，路面水泥混凝土板表面做刻槽處理，實現(xiàn)表面構(gòu)造深度從小到大連續(xù)變化的目的。

2.2 復(fù)合試件成型

兩種復(fù)合試件結(jié)構(gòu)形式分別為：上層乳液+2.36～4.75 mm玄武巖集料+底層乳液+車轍板試件；上層乳液+2.36～4.75 mm玄武巖集料+底層乳液+環(huán)氧樹脂黏結(jié)層+水泥混凝土板試件。其中，上層乳液與底層乳液均采用高性能水性環(huán)氧乳化瀝青。將所有的試件底板表面清洗干凈，然后烘干備用。在處理好的界面上鋪筑環(huán)氧覆層，通過液壓式輪碾儀成型復(fù)合試件。

3 路面構(gòu)造對環(huán)氧覆層路用性能的影響分析

本文針對環(huán)氧覆層在具有不同構(gòu)造深度的瀝青路面和水泥路面的應(yīng)用情況，研究了環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度和磨耗指標(biāo)與構(gòu)造深度的相關(guān)性。

3.1 拉拔試驗結(jié)果分析

本文采用直接拉拔試驗測量環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度，以此研究黏結(jié)強度受底板表面構(gòu)造深度的影響規(guī)律。對第一組瀝青和水泥復(fù)合試件進行拉拔試驗，結(jié)合實測構(gòu)造深度，得到底板構(gòu)造深度與環(huán)氧覆層黏結(jié)強度的散點圖，如圖1所示。

圖1 拉拔強度-表面構(gòu)造深度關(guān)系圖

由圖1可知，路面構(gòu)造深度與界面拉拔強度具有良好的二次多項式關(guān)系，拉拔強度隨著構(gòu)造深度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。對于瀝青路面，當(dāng)x=1.772 mm時，環(huán)氧覆層具有最大黏結(jié)強度，為1.606 3 MPa；對于水泥路面，當(dāng)x=1.192 mm時，環(huán)氧覆層具有最大黏結(jié)強度，為2.217 1 MPa。因此，環(huán)氧覆層實際應(yīng)用時應(yīng)對路面進行粗糙處理，使構(gòu)造深度盡可能接近最大拉拔強度對應(yīng)值。同時，根據(jù)室內(nèi)研究，1.4 MPa以上的黏結(jié)強度足以抵抗可引起脫膠的剪切力，因此綜合建議瀝青路面構(gòu)造深度控制在1.0～1.9 mm，水泥路面構(gòu)造深度控制在0.8～1.2 mm。

觀察可知，破壞界面均發(fā)生在環(huán)氧覆層與底板的黏結(jié)界面。其中，瀝青復(fù)合板上黏結(jié)拉頭帶起的材料有一部分為底板材料，這部分底板材料為混合料細(xì)小集料和瀝青膠漿。分析認(rèn)為，瀝青車轍板表面紋理下凹部分有助于提高環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度。因此，采集車轍板表面圖像，借助MATLAB圖像處理技術(shù)，得到如圖2所示的二值化圖像。

圖2 車轍板表面二值圖像

圖2中黑色區(qū)域?qū)嶋H上是車轍板表面紋理的下凹區(qū)域，統(tǒng)計下凹區(qū)域面積與總面積比值，可以得到下凹區(qū)域面積占比與拉拔強度和構(gòu)造深度的關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 下凹區(qū)域面積占比與拉拔強度和構(gòu)造深度的關(guān)系圖

環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度與黏結(jié)材料性能和界面紋理狀況有關(guān)。從圖3可知，通常情況下，隨著原瀝青路面下凹區(qū)域占比的增大，構(gòu)造深度呈二次多項式趨勢增大，拉拔強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，拉拔強度-下凹區(qū)域占比、構(gòu)造深度-下凹區(qū)域占比關(guān)系模型分別為

y1=-5.548 9x2+9.721x-2.343 8

(1)

y2=32.741x2-30.522x+7.780 9

(2)

式中：x為車轍板圖像下凹區(qū)域占比，%；y1為拉拔強度，MPa；y2為構(gòu)造深度，mm。

3.2 磨耗試驗結(jié)果分析

環(huán)氧覆層的抗磨耗性能直接反映了其耐久性能，抗磨耗性能不足容易引起掉粒、脫皮等病害。道路面層養(yǎng)護工作中，常以磨耗指標(biāo)評價封層養(yǎng)護技術(shù)的優(yōu)劣。

對第二組瀝青和水泥復(fù)合試件進行磨耗試驗，作用次數(shù)為60 000次，獲取不同底板表面構(gòu)造深度下環(huán)氧覆層的磨耗值，并得到環(huán)氧覆層磨耗值與底板構(gòu)造深度的散點圖，如圖4(a)所示，同時得到磨耗值與車轍板下凹區(qū)域占比的關(guān)系圖，如圖4(b)所示。

圖4 環(huán)氧覆層磨耗值與底板構(gòu)造深度、車轍板下凹區(qū)域占比的關(guān)系圖

根據(jù)磨耗試驗結(jié)果，進行二次多項式方程擬合?？梢园l(fā)現(xiàn)，在瀝青路面上構(gòu)造深度為1.685 mm時，對應(yīng)磨耗值最小，為23.3%；在水泥路面上構(gòu)造深度為1.811 mm時，對應(yīng)磨耗值最小，為25.0%。假定以瀝青路面和水泥路面構(gòu)造深度大于1.685 mm和1.811 mm時，環(huán)氧覆層磨耗將不受路面構(gòu)造深度的影響，則磨耗值分別為23.3%和25.0%。實際上，瀝青路面和水泥路面構(gòu)造深度一般分別小于1.685 mm和1.811 mm，因而可以采用擬合方程評價相應(yīng)路面應(yīng)用環(huán)氧覆層的耐磨耗性能。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，為使磨耗值較低，推薦瀝青路面和水泥路面的構(gòu)造深度范圍分別為0.8～1.7 mm和1.0～1.8 mm。

從圖4(b)可知，磨耗值-下凹區(qū)域占比的二次多形式擬合相關(guān)系數(shù)僅為0.569 6，而磨耗是磨耗層與路面之間產(chǎn)生豎向、切向破壞的過程，受到路面構(gòu)造、膠結(jié)料黏結(jié)能力、磨耗層骨料特性、磨耗輪載壓力和輪胎硬度等多因素影響，而下凹區(qū)域占比只反映了路面構(gòu)造的部分特征，表面原路面下凹區(qū)域占比是影響磨耗值的間接因素。

根據(jù)拉拔試驗和加速加載磨耗試驗結(jié)果，可以建立環(huán)氧覆層黏結(jié)強度和磨耗值與原路面構(gòu)造深度的關(guān)系模型分別為

y黏，A=-0.391 7x2+1.388 1x+0.376 5

(3)

y黏，C=-0.733 7x2+1.748 4x+1.175 5

(4)

y磨，A=5.269 1x2-17.752x+38.265

(5)

y磨，C=2.697 2x2-9.771 3x+33.882

(6)

式中：y黏，A、y黏，C分別為瀝青路面和水泥路面環(huán)氧覆層的拉拔強度，MPa；y磨，A、y磨，C分別為瀝青路面和水泥路面環(huán)氧覆層經(jīng)60 000次磨耗后對應(yīng)的磨耗值，%；x為對應(yīng)原路面構(gòu)造深度，mm。

綜合拉拔試驗和磨耗試驗得出的推薦路面構(gòu)造深度，可以得到瀝青路面和水泥路面應(yīng)用環(huán)氧覆層的最佳構(gòu)造深度范圍分別為1.0～1.7 mm和1.0～1.2 mm。

4 結(jié) 論

本文通過對鋪筑環(huán)氧覆層的瀝青路面和水泥路面復(fù)合試件進行黏結(jié)性能和抗磨耗性能的室內(nèi)試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1) 瀝青路面紋理的下凹區(qū)域占比的增大有助于提高環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度；拉拔強度和構(gòu)造深度與下凹區(qū)域占比的關(guān)系模型分別為y1=-5.548 9x2+9.721x-2.343 8和y2=32.741x2-30.522x+7.780 9。

(2) 環(huán)氧覆層的黏結(jié)強度均具有隨著原路面構(gòu)造深度的增大先增大后減小的規(guī)律。結(jié)合工程實際，在實施環(huán)氧覆層時，推薦瀝青路面構(gòu)造深度控制在1.0～1.9 mm，水泥路面構(gòu)造深度控制在0.8～1.2 mm。

(3) 環(huán)氧覆層的60 000次輪載磨耗值與原路面構(gòu)造深度具有良好的二次多項式擬合關(guān)系，可得推薦瀝青路面和水泥路面的構(gòu)造深度范圍為0.8～1.7 mm和1.0～1.8 mm。

(4) 結(jié)合拉拔試驗和磨耗試驗分析結(jié)果，瀝青路面和水泥路面的構(gòu)造深度范圍為1.0～1.7 mm和1.0～1.2 mm，環(huán)氧覆層可獲得最佳的黏結(jié)性能和抗磨耗性能。