環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝材料低溫?cái)嗔研阅苎芯?/h1>
2010-08-21 03:27:40柳仁軍徐飛湯瑛
山西建筑 2010年7期
柳仁軍 徐飛 湯瑛
長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的使用性能進(jìn)行了很多研究:在強(qiáng)度性能方面,東南大學(xué)橋面鋪裝課題組采用自制大噸位馬歇爾穩(wěn)定儀測(cè)出環(huán)氧瀝青混凝土固化后的穩(wěn)定度大于50 kN[1],遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出常用鋪面瀝青混合料穩(wěn)定度(10 kN～15 kN);在高溫穩(wěn)定性方面,錢振東、羅桑在武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江公路大橋鋪裝技術(shù)項(xiàng)目研究中,進(jìn)行了80℃高溫條件下的車轍試驗(yàn),環(huán)氧瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)到20 138次/mm[2],這是普通路用瀝青混凝土(＜6 000次/mm)遠(yuǎn)不可能達(dá)到的。疲勞性能方面,東南大學(xué)橋面鋪裝課題組采用自制復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)出環(huán)氧瀝青混凝土在5 kN(等效于實(shí)際鋼橋梁鋪裝中的汽超—20)荷載下經(jīng)過(guò)1 200萬(wàn)次未見(jiàn)疲勞裂紋出現(xiàn)[1,2]。綜上所述,針對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土材料性能的研究,多集中于強(qiáng)度性能、高溫穩(wěn)定性以及抗疲勞性能方面,而對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土低溫性能研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此,本文采用SHRP研究計(jì)劃中提出的低溫劈裂試驗(yàn)、小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、低溫?cái)嗔言囼?yàn)對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的低溫抗裂性能進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)[3-5],為環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝低溫使用設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1 材料性能
1.1 環(huán)氧瀝青結(jié)合料
環(huán)氧瀝青結(jié)合料是由環(huán)氧樹(shù)脂與摻配固化劑的石油瀝青在特定溫度下按一定配合比混合后形成的熱固性瀝青結(jié)合料,其性能技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 環(huán)氧瀝青結(jié)合料性能技術(shù)參數(shù)
表2 環(huán)氧瀝青混凝土級(jí)配
1.2 集料及級(jí)配
試驗(yàn)所用集料選用優(yōu)質(zhì)耐磨的玄武巖(6檔集料)以及優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦物填料,如表2所示。
1.3 最佳油石比
采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)121℃固化4 h后的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)后,得出環(huán)氧瀝青混凝土最佳油石比為6.5%。
2 低溫性能試驗(yàn)研究
2.1 劈裂試驗(yàn)
試驗(yàn)按照J(rèn)TJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中“瀝青混合料劈裂試驗(yàn)”(T 0716-1993)試驗(yàn)方法進(jìn)行。其結(jié)果如表3所示。
表3 不同低溫條件下環(huán)氧瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)結(jié)果
從表3數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看,環(huán)氧瀝青混凝土在低溫條件下具有很高的劈裂強(qiáng)度和劈裂抗拉模量,且數(shù)值隨著溫度下降而增大,而最大荷載時(shí)水平變形幾乎保持不變,表明環(huán)氧瀝青混凝土在低溫下有很好的間接抗拉強(qiáng)度性能和穩(wěn)定變形能力。
2.2 小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)
試驗(yàn)按照J(rèn)TJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行。不同溫度條件下的彎曲試驗(yàn)荷載—位移曲線如圖1所示。
由圖1可以看出,環(huán)氧瀝青混合料在低溫條件下荷載—位移曲線近似于線性分布,表明環(huán)氧瀝青混合料在低溫條件下接近于彈性材料,因此,在低溫季節(jié)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝時(shí)會(huì)發(fā)生脆性破壞現(xiàn)象。
對(duì)試驗(yàn)機(jī)采集的荷載、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并用Matlab求解小梁斷裂時(shí)實(shí)際應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系曲線下的面積作為彎曲應(yīng)變能密度臨界值,不同溫度條件下小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 不同試驗(yàn)溫度條件下環(huán)氧瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果
2.3 斷裂性能試驗(yàn)
為研究環(huán)氧瀝青混凝土的低溫?cái)嗔烟匦?采用切口三點(diǎn)彎曲梁法測(cè)定低溫下瀝青混凝土的斷裂性能參數(shù),試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)過(guò)程中利用攝像機(jī)同步實(shí)時(shí)錄像記錄預(yù)制切口裂縫的擴(kuò)展過(guò)程。根據(jù)MTS機(jī)所記錄的加載力臨界荷載值和攝像機(jī)影像測(cè)出的裂縫長(zhǎng)度,按照式(1)得出環(huán)氧瀝青混凝土斷裂強(qiáng)度因子:
其中,PC為臨界荷載;B為試件寬度;W為試件高度;a為初始裂縫深度;S為彎曲梁支點(diǎn)之間的距離,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 S=4W;為系數(shù),按照式(2)計(jì)算:
環(huán)氧瀝青混凝土的斷裂性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 低溫下環(huán)氧瀝青混凝土斷裂性能試驗(yàn)結(jié)果
從表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在低溫條件下,環(huán)氧瀝青混凝土斷裂韌性隨著溫度降低而變大,且相同試驗(yàn)溫度情況下,環(huán)氧瀝青混凝土的抗斷裂性能要優(yōu)于其他瀝青混凝土。
3 結(jié)語(yǔ)
1)通過(guò)對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行全面的低溫性能試驗(yàn)評(píng)價(jià),研究表明環(huán)氧瀝青混凝土在低溫條件下具有很高的抗拉和抗彎拉強(qiáng)度、優(yōu)良的抗斷裂能力、穩(wěn)定的變形能力以及良好的追從性能,完全滿足國(guó)內(nèi)大部分鋼箱梁橋面鋪裝的低溫設(shè)計(jì)要求。
2)小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明,低溫下環(huán)氧瀝青混凝土?xí)霈F(xiàn)脆性開(kāi)裂破壞現(xiàn)象,因此在冬季低溫季節(jié),應(yīng)該對(duì)鋼箱梁環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層進(jìn)行及時(shí)的跟蹤養(yǎng)護(hù)。
[1] 東南大學(xué).南京長(zhǎng)江第二大橋鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝技術(shù)及應(yīng)用[R].南京:東南大學(xué),2000.
[2] 武漢繞城公路建設(shè)指揮部,東南大學(xué)橋面鋪裝課題組.武漢陽(yáng)邏長(zhǎng)江公路大橋鋼橋面鋪裝技術(shù)研究報(bào)告[R].南京:東南大學(xué),2007:3.
[3] Ted S.Vinson,Vincent C.Janoo and Ralph C.G.Haas.Low temperature and thermal fatigue cracking[R].SR-OSU-A-003A-89-1,1989:6.
[4] MULL M.A,STUART T.K,YEHIA A.Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement[J].Journal of Materials Science,2002,37(3):557-566.
[5] P.E.SEBAALY,A.Lake,J.Epps.Evaluation of low-temperature properties of HMA mixtures[J].Journal of Transportation Engineering,2002,128(6):578-586.
[6] F.L.Robert.Hot mix asphalt materials,mixture design and construction[R].Landan:NAPA Research and Education Foundation,1994.
[7] KANERV A Hannele K,VINSON Ted S,ZENG Hua-yang.Low temperature cracking field validation of the thermal stress restrained specimen test[R].SHRP-A-401,1994.
[8] 于天來(lái),唐 濤,吳思剛.改性瀝青伸縮結(jié)合料與混合料低溫性能研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2005,18(2):18-23.
[9] Kwang W.Kim,M.EI Hussein.Variation of fracture toughness of asphalt concrete under low temperatures[J].Construction and Building Materials,1997,11(7):403-411.
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1.3 最佳油石比
采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)121℃固化4 h后的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)后,得出環(huán)氧瀝青混凝土最佳油石比為6.5%。
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2.1 劈裂試驗(yàn)
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表3 不同低溫條件下環(huán)氧瀝青混凝土劈裂試驗(yàn)結(jié)果
從表3數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看,環(huán)氧瀝青混凝土在低溫條件下具有很高的劈裂強(qiáng)度和劈裂抗拉模量,且數(shù)值隨著溫度下降而增大,而最大荷載時(shí)水平變形幾乎保持不變,表明環(huán)氧瀝青混凝土在低溫下有很好的間接抗拉強(qiáng)度性能和穩(wěn)定變形能力。
2.2 小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)
試驗(yàn)按照J(rèn)TJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行。不同溫度條件下的彎曲試驗(yàn)荷載—位移曲線如圖1所示。
由圖1可以看出,環(huán)氧瀝青混合料在低溫條件下荷載—位移曲線近似于線性分布,表明環(huán)氧瀝青混合料在低溫條件下接近于彈性材料,因此,在低溫季節(jié)環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝時(shí)會(huì)發(fā)生脆性破壞現(xiàn)象。
對(duì)試驗(yàn)機(jī)采集的荷載、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并用Matlab求解小梁斷裂時(shí)實(shí)際應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系曲線下的面積作為彎曲應(yīng)變能密度臨界值,不同溫度條件下小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 不同試驗(yàn)溫度條件下環(huán)氧瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果
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其中,PC為臨界荷載;B為試件寬度;W為試件高度;a為初始裂縫深度;S為彎曲梁支點(diǎn)之間的距離,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 S=4W;為系數(shù),按照式(2)計(jì)算:
環(huán)氧瀝青混凝土的斷裂性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 低溫下環(huán)氧瀝青混凝土斷裂性能試驗(yàn)結(jié)果
從表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在低溫條件下,環(huán)氧瀝青混凝土斷裂韌性隨著溫度降低而變大,且相同試驗(yàn)溫度情況下,環(huán)氧瀝青混凝土的抗斷裂性能要優(yōu)于其他瀝青混凝土。
3 結(jié)語(yǔ)
1)通過(guò)對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行全面的低溫性能試驗(yàn)評(píng)價(jià),研究表明環(huán)氧瀝青混凝土在低溫條件下具有很高的抗拉和抗彎拉強(qiáng)度、優(yōu)良的抗斷裂能力、穩(wěn)定的變形能力以及良好的追從性能,完全滿足國(guó)內(nèi)大部分鋼箱梁橋面鋪裝的低溫設(shè)計(jì)要求。
2)小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)表明,低溫下環(huán)氧瀝青混凝土?xí)霈F(xiàn)脆性開(kāi)裂破壞現(xiàn)象,因此在冬季低溫季節(jié),應(yīng)該對(duì)鋼箱梁環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層進(jìn)行及時(shí)的跟蹤養(yǎng)護(hù)。
[1] 東南大學(xué).南京長(zhǎng)江第二大橋鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝技術(shù)及應(yīng)用[R].南京:東南大學(xué),2000.
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