楊 平 孔冬雷

(1.安徽省銅陵市公路管理局，安徽銅陵 244000;2.東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，江蘇南京 210096)

近年來，隨著交通量和軸載的增大，橋面鋪裝層的破壞日趨嚴(yán)重，影響正常行車，其主要原因是混合料均用熱塑性材料作為結(jié)合料，在高溫、重載條件下，粘結(jié)強(qiáng)度不能滿足路面使用要求。環(huán)氧瀝青是將環(huán)氧樹脂加入瀝青中，經(jīng)與固化劑反應(yīng)，形成不可逆的固化物，固化后可以形成不可逆、不熔化的空間三維網(wǎng)絡(luò)體系，從根本上改變了瀝青的熱塑性質(zhì)，賦予瀝青全新的優(yōu)良物理力學(xué)性質(zhì)，該材料低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性，高溫下呈現(xiàn)獨(dú)特的熱固性。環(huán)氧瀝青混凝土薄層鋪裝有很多優(yōu)勢:綠色環(huán)保、熱固性、半剛性、長壽命和薄層，是當(dāng)前非常重要的一種橋面鋪裝材料，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。所以，環(huán)氧瀝青混凝土橋面薄層鋪裝性能研究有著重要的意義。

1 環(huán)氧瀝青的固化反應(yīng)

環(huán)氧瀝青是一種熱固性材料，其中，A組分是一種環(huán)氧樹脂，B組分是順酐改性的瀝青類物質(zhì)加上酸酐型高溫類的固化劑。瀝青順酐化后，瀝青分子上引入具有與環(huán)氧樹脂能夠進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)的功能基團(tuán)，保證瀝青能夠參與和環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，形成三維立體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物。此外，酸酐型固化劑與環(huán)氧樹脂之間也能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成空間交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此可以從根本上改變普通瀝青的熱塑性，同時顯著提高了材料的粘附力、拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率和低溫性能。而常用于瀝青改性的SBS材料為線性大分子結(jié)構(gòu)，兩者之間存在顯著性差異。

2 材料與試驗方法

2.1 材料

2.1.1 瀝青

環(huán)氧瀝青為兩組分，其中A組分為環(huán)氧樹脂，B組分為基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見表1。選擇SBS改性瀝青材料性能指標(biāo)見表2。

表1 環(huán)氧瀝青性能指標(biāo)

2.1.2 集料

集料中10 mm～16 mm(1號料)、4.75 mm～10 mm(2號料)、2.36 mm ～4.75 mm(3 號料)為玄武巖，2.36 mm(4 號料)以下為石灰?guī)r。礦粉為石英巖礦粉。試驗中玄武巖粗集料基本性質(zhì)見表3，礦粉的基本性質(zhì)如表4所示。

表2 SBS改性瀝青的技術(shù)要求

表3 玄武巖粗集料基本性質(zhì)

表4 礦粉的基本性質(zhì)

2.1.3 級配

瀝青混凝土鋪裝層所用礦料級配是在傳統(tǒng)規(guī)范級配的基礎(chǔ)上，借鑒SMA和Superpave混合料設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合所用集料基本性質(zhì)，橋面鋪裝不同層位的功能要求以及整個鋪裝層的防水效能，增加了礦料間的骨架性和密實性而設(shè)計。其目的是獲得最適當(dāng)?shù)臑r青用量而且具有較大的強(qiáng)度和密實性，來改善鋪裝層的荷載應(yīng)力，并具有良好的耐久性和施工性能，方便鋪筑。礦料級配既滿足了交通部瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范所要求的級配范圍，又滿足了Superpave設(shè)計方法級配控制點(diǎn)、限制區(qū)等要求。

2.2 試驗

將加熱的環(huán)氧瀝青與經(jīng)烘箱預(yù)熱的集料加入拌和機(jī)在120℃下拌合50 s，拌合后的混合料放入模具中正反擊實75次，成型環(huán)氧瀝青馬歇爾試件EC-13;AC-13同樣在120℃下成型馬歇爾試件;而SMA-13在175℃下成型，且在拌合期間加入了3‰的纖維。對以上成型的馬歇爾試件分別按照J(rèn)TJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(T 0709-2000)，分別在15℃和25℃進(jìn)行瀝青混合料劈裂試驗(T 0716-1993)。

車轍板試件成型采用輪碾成型，車轍板長300 mm，寬300 mm，厚50 mm，在60℃中養(yǎng)生4 h，按照J(rèn)TJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程，模擬10 t的車輛分別對SMA-13，AC-13，EC-13環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行1 h的車轍試驗(T 0719-1993)。將輪碾成型的板塊狀試件(環(huán)氧瀝青混合料的車轍板試件需要在120℃條件下固化4 h)切割制作棱柱體試件，尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。試驗溫度15℃和－10℃，加載速率50 mm/min，做小梁彎曲試驗(T 0715-1993)。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳油石比

本研究選用5種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗，從而確定三種瀝青混凝土各自的最佳油石比。通過馬歇爾測定的穩(wěn)定度與流值，計算孔隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)。實驗結(jié)果如表5所示。

表5 混合料馬歇爾試驗結(jié)果

由表5數(shù)據(jù)可以繪制相對毛體積密度、空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率及穩(wěn)定度與油石比關(guān)系曲線圖，確定瀝青用量初始值1(OAC1)、確定瀝青用量初始值2(OAC2)、綜合確定最佳瀝青用量OAC。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，AC-13改性瀝青混合料的最佳油石比確定為4.3%，SMA-13瀝青瑪脂混合料的最佳瀝青用量為6.2%，EC-13環(huán)氧瀝青混合料的最佳油石比確定為6.2%。

3.2 水穩(wěn)定性

分別將AC-13，SMA-13，EC-13三種混合料浸泡水中30 min，48 h，96 h，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗，從而計算殘留穩(wěn)定度。計算結(jié)果見表6。

表6 鋪裝層水穩(wěn)性試驗結(jié)果

3.3 車轍

車轍試驗?zāi)茌^好地反映車轍的形成過程，得到世界各國的廣泛認(rèn)可與采用，本研究采用在60℃下車轍試驗來評價三種混合料的高溫抗車轍能力。結(jié)果如表7所示。

從表7結(jié)果可以看出，SMA-13和AC-13具有相同數(shù)量級的動穩(wěn)定，其中SMA的數(shù)值略高于AC，但是環(huán)氧瀝青混合料EC-13的動穩(wěn)定是SMA-13和AC-13的近10倍，說明環(huán)氧瀝青混合料具有較SMA-13和AC-13更高抗車轍能力。

表7 60℃車轍試驗結(jié)果

3.4 劈裂

在15℃和25℃下，劈裂試驗的強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變見表8。

表8 劈裂試驗結(jié)果

由表8可知，無論是15℃和25℃，環(huán)氧瀝青混合料EC-13均具有較SMA-13和AC-13高的劈裂強(qiáng)度，其數(shù)值為后者的近兩倍，同時具有與SMA-13和AC-13相近的破壞應(yīng)變。

當(dāng)溫度從15℃升高至25℃時，則AC-13改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度降低約23.9%，SMA-13瀝青瑪脂混合料的劈裂強(qiáng)度降低約23.4%，EC-13環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度降低約8.4%。顯然，環(huán)氧瀝青強(qiáng)度較高且受溫度影響很小。

3.5 彎曲

用低溫彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫性能，試驗溫度15℃和－10℃進(jìn)行試驗，實驗結(jié)果如表9所示。

表9 彎曲試驗結(jié)果

由表9可知，15℃條件下，EC-13環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度大于SMA-13和AC-13，數(shù)值約為后二者5倍，而應(yīng)變約為后二者20%;－10℃條件下，環(huán)氧瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度仍較SMA-13和AC-13高，是SMA-13的1.4倍，是AC-13的2倍，三者破壞應(yīng)變大致相同。

溫度從15℃降低－10℃時，SMA-13瀝青混合料與AC-13瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度均明顯增大，SMA-13瀝青混合料增加了3倍，AC-13瀝青混合料增加2倍;彎拉應(yīng)變方面，SMA-13瀝青混合料降低了約84.9%，AC-13瀝青混合料降低約79.3%;環(huán)氧瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變變化較小。因此，環(huán)氧瀝青強(qiáng)度受低溫影響很小。

4 結(jié)語

環(huán)氧瀝青是熱固性材料，固化后環(huán)氧瀝青與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度比熱塑性材料的粘結(jié)強(qiáng)度大，在集中力作用下，不易開裂和剝落，破壞路面;在高溫條件下，環(huán)氧瀝青與普通熱塑性瀝青不同，不易變軟，更因為選用集料級配較密，壓實度很高，抗車轍能力大大提高，車轍深度降低顯著;在低溫條件下，環(huán)氧瀝青同樣受溫度影響很小，不會致使瀝青混合料的勁度模量迅速上升，變硬，變脆，有效防止了低溫開裂;環(huán)氧瀝青良好的防水性能和高粘結(jié)力更是解決了水損害這一嚴(yán)重病害，延長了道路使用壽命，具有良好的路用性能。因此，環(huán)氧瀝青經(jīng)固化后特有的熱固性使環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度很高，且強(qiáng)度受溫度影響很小，滿足了日益增長交通量對橋面鋪裝層強(qiáng)度的要求，是一種良好的橋面薄層鋪裝材料。

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