劉 攀，羅婷倚，李 璐，郝增恒，3，盛興躍，劉譽(yù)貴

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 401336；2.廣西交通科學(xué)研究院， 南寧 530007；3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

環(huán)氧瀝青由于其優(yōu)異的物理力學(xué)性能[1-6]，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多座大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝。然而，普通的環(huán)氧瀝青固化后脆性高，導(dǎo)致延展性能較差，難以滿足鋼橋面鋪裝層對(duì)混合料性能的要求。聚氨酯-環(huán)氧瀝青既有環(huán)氧樹脂的高強(qiáng)度，又有聚氨酯的優(yōu)良柔韌性和耐老化性能，具有從根本上改善環(huán)氧瀝青脆性大、韌性差和耐久性差的優(yōu)點(diǎn)[7-9]，將其應(yīng)用于鋼橋面鋪裝工程，不僅能為橋梁提供行駛性能良好的橋面，還能保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

經(jīng)過多年發(fā)展，“雙層環(huán)氧瀝青混凝土”和“澆注式瀝青混凝土+高彈改性瀝青SMA”已成為國內(nèi)比較成熟的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)[10-12]。但從實(shí)體工程來看，環(huán)氧瀝青混凝土的防水效果和澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性還有待提高。已有研究和實(shí)踐證明[13]，環(huán)氧瀝青混凝土與澆注式瀝青混凝土進(jìn)行優(yōu)化組合，在大跨徑鋼橋及高溫重載環(huán)境下具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

筆者所在項(xiàng)目組開發(fā)出一種新型的聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土，并結(jié)合鋼橋面鋪裝體系結(jié)構(gòu)特性，形成獨(dú)立的或與澆注式瀝青混凝土相匹配的鋪裝方案，可供完善鋼橋面鋪裝體系參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土制備

將聚氨酯改性環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青分別在60 ℃和135 ℃的溫度下加熱，通過機(jī)械攪拌的方式將其混合，其中瀝青和樹脂的重量比為6∶4，攪拌均勻后，按比例加入復(fù)配高溫固化劑，制得聚氨酯-環(huán)氧瀝青。集料選用干凈、堅(jiān)硬、耐磨的玄武巖，其性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。采用環(huán)氧專用級(jí)配EA-10，最佳油石比6.6%，拌和溫度180 ℃，制得聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土，60 ℃養(yǎng)護(hù)4 d后即可進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)。

1.2 鋪裝結(jié)構(gòu)防水體系選擇

根據(jù)對(duì)國內(nèi)鋼橋面鋪裝病害調(diào)查分析和實(shí)體工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鋼橋面鋪裝的使用要求，總結(jié)防水粘結(jié)層應(yīng)具有如下性能[10]：1) 良好的層間結(jié)合力和變形能力；2) 良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性；3) 良好的耐久性；4) 良好的水穩(wěn)性、抗化學(xué)腐蝕能力和防水能力；5) 施工操作簡便、易于控制。本文擬采用MMA甲基丙烯酸樹脂防水體系(TOPEVER)、ChemCo環(huán)氧粘結(jié)劑及自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑，進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)。

1.3 鋪裝結(jié)構(gòu)試件成型

2 聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土路用性能試驗(yàn)

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》評(píng)價(jià)聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能，并與進(jìn)口材料作對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土具有比ChemCo環(huán)氧混凝土和TAF環(huán)氧瀝青混凝土更加優(yōu)異的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性能，其綜合路用性能完全能滿足鋼橋面鋪裝對(duì)環(huán)氧瀝青類材料的要求。

表1 環(huán)氧瀝青混凝土路用性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of pavement performance of epoxy asphalt concrete

3 聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土的鋪裝體系研究

鋼橋面鋪裝整體結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的性能往往與單一材料的性能不一致，不同類型的組合結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的整體性能也存在較大差別，鋪裝整體結(jié)構(gòu)性能與其實(shí)際使用性能具有良好的相關(guān)性[11]。擬定3種鋪裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行界面粘結(jié)性能試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)。

鋪裝結(jié)構(gòu)一：TOPEVER+澆注式瀝青混凝土GA-10+聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土REA-10；鋪裝結(jié)構(gòu)二：自制二階反應(yīng)環(huán)氧防水粘結(jié)劑+澆注式瀝青混凝土GA-10+聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土REA-10；鋪裝結(jié)構(gòu)三：自制二階反應(yīng)環(huán)氧防水粘結(jié)劑+雙層聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土REA-10。

3.1 防水粘結(jié)材料與鋪裝體系的適應(yīng)性研究

鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)直接反映鋪裝體系整體的抗剪強(qiáng)度和鋪裝層抗推移(滑移)能力[14-15]，考察防水粘結(jié)材料與鋼橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)間的結(jié)合強(qiáng)度。

3.1.1 與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)

分別測(cè)試3種防水粘結(jié)材料在25 ℃和60 ℃下與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土間的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在25 ℃和60 ℃下，3種防水粘結(jié)材料與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土的拉拔強(qiáng)度由大到小的順序均為：自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑>ChemCo環(huán)氧粘結(jié)劑>TOPEVER，剪切強(qiáng)度也呈同樣的規(guī)律。環(huán)氧樹脂防水體系與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土間的結(jié)合強(qiáng)度高于甲基丙烯酸樹脂防水體系，且自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑的粘結(jié)效果最優(yōu)。

3.1.2 與澆注式瀝青混凝土的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)

分別測(cè)試3種防水粘結(jié)層材料在25 ℃和60 ℃下與澆注式瀝青混凝土間的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 防水粘結(jié)材料與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of bonding strength of waterproof-binder materials and polyurethane epoxy asphalt concrete

表3 防水粘結(jié)材料與澆注式瀝青混凝土結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of bonding strength and waterproof-binder materials and gussasphalt asphalt concrete

從表3可以看出，3種防水粘結(jié)材料與澆注式瀝青混凝土的拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度也是以自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑最優(yōu)，而TOPEVER粘結(jié)效果最差。

表3中3種防水粘結(jié)劑均屬于反應(yīng)型材料，其中自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑屬于環(huán)氧樹脂類材料，具有十分優(yōu)異的粘結(jié)性能，因此與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土和澆注式瀝青混凝土都具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。ChemCo環(huán)氧粘結(jié)劑屬于環(huán)氧瀝青類材料，由于瀝青的緣故導(dǎo)致其粘結(jié)性能要差于自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑。TOPEVER更多用于澆注式鋪裝體系，它不適宜于環(huán)氧瀝青鋪裝體系。據(jù)上，建議采用自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑作為聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系的防水粘結(jié)材料。

3.1.3 鋪裝結(jié)構(gòu)層間結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)

分別測(cè)試25 ℃和60 ℃下鋪裝組合結(jié)構(gòu)的界面拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 鋪裝結(jié)構(gòu)層間結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of interlayer bonding strength of pavement structures

鋪裝結(jié)構(gòu)一和鋪裝結(jié)構(gòu)二的鋪裝材料相同，而防水粘結(jié)材料不同，從表4可以看出鋪裝結(jié)構(gòu)二具有更優(yōu)的層間粘結(jié)性能和抗剪性能，這也再次說明，自制二階反應(yīng)環(huán)氧防水粘結(jié)劑更宜作為聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系的防水粘結(jié)材料；鋪裝結(jié)構(gòu)二和鋪裝結(jié)構(gòu)三防水粘結(jié)材料相同，下面層鋪裝材料不同，從表4可以看出鋪裝結(jié)構(gòu)三具有更優(yōu)的層間粘結(jié)性能和抗剪性能，這是由于自制二階反應(yīng)環(huán)氧防水粘結(jié)劑與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土具有更高的結(jié)合強(qiáng)度。這也驗(yàn)證了前面該粘結(jié)劑研究結(jié)果的一致性。

3.2 鋪裝結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

為模擬鋼橋面鋪裝重載的情況，成型組合結(jié)構(gòu)車轍試件，每層混合料厚度為35 mm，試驗(yàn)溫度70 ℃，1.0 MPa重載進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖1所示。

表5 鋪裝結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Rutting test results of pavement structures

圖1 鋪裝結(jié)構(gòu)車轍深度試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of rutting depth of pavement structures

從表5可以看出，3種鋪裝結(jié)構(gòu)在70 ℃下的車轍動(dòng)穩(wěn)定度均大于10 000次/mm，具有十分優(yōu)異的組合結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性。其中雙層聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土的70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到30 000次/mm，相對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)一澆注式瀝青混凝土+聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土組合結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土是一種熱固性材料，高溫性能十分突出。盡管澆注式瀝青混凝土高溫性能較差，但上面層的聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土限制了其變形，使該組合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫性能。

3.3 鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞耐久性試驗(yàn)

進(jìn)行鋪裝結(jié)構(gòu)的五點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)[16]，采用正弦函數(shù)加載，加載頻率10 Hz，試驗(yàn)溫度20 ℃，試驗(yàn)過程中每隔30 min檢查結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)的裂縫、鋪裝層與試驗(yàn)板的分離情況或其他損壞。當(dāng)裂縫長度達(dá)到試件總周長的一半時(shí)，認(rèn)為試件徹底破壞。同步評(píng)價(jià)鋪裝結(jié)構(gòu)二(TAF環(huán)氧瀝青混凝土JEA-10)的疲勞耐久性，試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表6所示。

圖2 鋪裝結(jié)構(gòu)二疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)-位移曲線Fig.2 Cyclic frequency-displacement curve of fatigue test of type-two pavement structure

從表6可以看出，聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性非常突出，疲勞壽命均超過150萬次，其中鋪裝結(jié)構(gòu)二稍優(yōu)于鋪裝結(jié)構(gòu)一和鋪裝結(jié)構(gòu)三。從表6還可以看出，聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)具有比TAF環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)(102.5萬次)優(yōu)異得多的疲勞耐久性。這是由于聚氨酯-環(huán)氧瀝青具有聚氨酯的優(yōu)良柔韌性，從根本上改善了環(huán)氧瀝青脆性大、韌性差和耐久性差的缺點(diǎn)，顯著提高混凝土的疲勞耐久性，因此其鋪裝結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更為優(yōu)良的疲勞性能。

表6 鋪裝結(jié)構(gòu)疲勞耐久性試驗(yàn)結(jié)果 萬次

4 結(jié)論

本文對(duì)聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，主要取得如下結(jié)論：

1) 對(duì)比了聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土、ChemCo環(huán)氧瀝青混凝土和TAF環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能，發(fā)現(xiàn)聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土具有更加優(yōu)異的低溫抗裂性和疲勞耐久性。

2) 考察了3種防水粘結(jié)材料與聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土及澆注式瀝青混凝土的結(jié)合強(qiáng)度，其中自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑的粘結(jié)效果最佳，ChemCo環(huán)氧粘結(jié)劑次之，TOPEVER最差，表明自制二階反應(yīng)環(huán)氧粘結(jié)劑宜作為聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝體系的防水粘結(jié)材料。

3) 進(jìn)行了聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝組合結(jié)構(gòu)的路用性能試驗(yàn)，3種鋪裝結(jié)構(gòu)均具有優(yōu)異的層間粘結(jié)性能、抗剪切性能、高溫穩(wěn)定性和疲勞性能，且聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土具有比TAF環(huán)氧瀝青混凝土優(yōu)異得多的組合結(jié)構(gòu)疲勞性能。聚氨酯-環(huán)氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝體系在大跨徑鋼橋及高溫重載下具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。