(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

一、介紹

環(huán)氧瀝青混凝土被認(rèn)為是一種具有優(yōu)異的強(qiáng)度性能、高溫穩(wěn)定性和良好的抗疲勞性的鋼橋面鋪裝材料。南京長江二橋是環(huán)氧瀝青混凝土引進(jìn)中國的第一次重要應(yīng)用。之后用于幾座大跨度鋼橋，包括斜拉橋和懸索橋。此外，環(huán)氧瀝青也已應(yīng)用于武漢天興洲長江大橋等公路與鐵路橋梁中。

長期以來，國內(nèi)外對環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究。就強(qiáng)度性能而言，東南大學(xué)發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混凝土養(yǎng)護(hù)后馬歇爾穩(wěn)定度可達(dá)50 kN以上，相比普通瀝青混凝土要高10～15kN。在對武漢陽羅長江大橋路面研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在漢堡車轍軌試驗(yàn)中環(huán)氧瀝青混凝土的動穩(wěn)定度在80°C下達(dá)到20000次以上。相比之下，常規(guī)瀝青混凝土的動穩(wěn)定度一般小于6000個(gè)循環(huán)。環(huán)氧瀝青混凝土的臨界低溫為-28.4°C，滿足大跨度鋼橋混凝土的最低設(shè)計(jì)溫度(-15°C)。在東南大學(xué)橋面鋪裝研究小組開發(fā)的復(fù)合結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，環(huán)氧瀝青混凝土在5kN荷載下(相當(dāng)于鋼橋面上140 kN軸載)1200萬次循環(huán)后，仍不出現(xiàn)疲勞裂縫。此外，東南大學(xué)還得出結(jié)論環(huán)氧樹脂瀝青混凝土的疲勞性能與傳統(tǒng)的瀝青混凝土相比要好得多。

環(huán)氧瀝青混合料或?yàn)r青混合料的力學(xué)性能雖然已被廣泛研究，但對駕駛體驗(yàn)影響較大的表面特性還不清楚。因此，本研究的目的是評價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土的表面特性，包括抗?jié)B性、抗滑性和表面微觀紋理。

二、材料準(zhǔn)備

(一)環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑

以環(huán)氧樹脂、基質(zhì)瀝青和固化劑為原料，在一定的條件下，以適量的摻量配制成環(huán)氧瀝青粘結(jié)劑。

(二)骨料級配

采用優(yōu)質(zhì)耐磨玄武巖(6種不同粒徑的骨料)和石灰石填料配制環(huán)氧瀝青混凝土。

(三)瀝青含量

采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，在121°C溫度下進(jìn)行4h養(yǎng)護(hù)后，對標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試樣進(jìn)行測試確定了最佳瀝青用量。結(jié)果表明，最佳摻量比為6.5∶100。最佳空隙率為2.0%。

三、實(shí)驗(yàn)裝置

(一)滲透性

作為鋼橋面鋪裝材料，滲透性應(yīng)盡可能低，以防止水侵入使得鋼橋面受到侵蝕。本試驗(yàn)用旋轉(zhuǎn)壓路機(jī)制作100mm和80mm高度的圓柱試件。為了保證試樣的飽和，試樣在70 kPa的真空壓力下浸泡20 min以上。然后樣本被放進(jìn)滲透儀測試滲透率。樣品初始水壓力為70cm，記錄初始時(shí)間，再測量實(shí)驗(yàn)中水通過試樣自由流動到達(dá)一定位置的時(shí)間。計(jì)算滲透系數(shù)。

(二)表面紋理

表面紋理與汽車的防滑性密切相關(guān)，對行車安全至關(guān)重要。表面紋理也影響交通噪聲。近幾年來，激光掃描儀在路面結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究采用激光紋理掃描器對電致發(fā)光材料的表面特性進(jìn)行了研究。

(三)抗滑性

1.擺式摩擦系數(shù)測試

抗滑性能對大跨度鋼橋的行車安全也有重要的影響。采用英國擺摩擦試驗(yàn)機(jī)對環(huán)氧瀝青混凝土的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測試。板狀試件的尺寸為502×167×76毫米。

2.動摩擦系數(shù)

采用動態(tài)摩擦試驗(yàn)機(jī)對不同車速下環(huán)氧瀝青混凝土動態(tài)摩擦系數(shù)進(jìn)行測試。采用鋼輪壓路機(jī)成形，尺寸同上。

(四)水穩(wěn)性

松散和剝落是常見的路面病害，會導(dǎo)致路面表面出現(xiàn)孔洞或散落，可能帶來行車安全問題。其主要原因是瀝青-集料粘結(jié)強(qiáng)度低，水分敏感性高。本文通過肯塔堡飛散試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)評價(jià)抗水損害性能。

1.肯塔堡飛散試驗(yàn)

飛散試驗(yàn)評價(jià)瀝青與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。測試過程如下：首先制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試樣，將試件在20°C下浸泡20h。擦干后，測得重量為M0。然后將它以每分鐘30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)10分鐘。樣品重量再次測量為M1。質(zhì)量磨損率由下列方程決定，磨損率越高，耐磨性越低。

Ar=(M0-M1)/ M0

其中Ar=磨損率；

M0=原重量；

M1=磨損后的重量；

2.漢堡車轍試驗(yàn)

采用漢堡試驗(yàn)對瀝青混凝土在高溫條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)。得到了車轍深度和動穩(wěn)定度數(shù)據(jù)表明環(huán)氧瀝青混凝土在試驗(yàn)和工程實(shí)踐中具有良好的溫度穩(wěn)定性。

四、結(jié)果和討論

(一)滲透性

結(jié)果表明，環(huán)氧瀝青混凝土的滲透系數(shù)為7.7×10-5毫米/秒，這意味著環(huán)氧瀝青混凝土的滲透性很低。這主要是由于環(huán)氧瀝青混凝土采用了密實(shí)級配，空隙率極低。所以環(huán)氧瀝青混凝土被廣泛用作鋼橋面鋪裝材料。低滲層對防止水病害是非常有幫助的，可以起到固定和保護(hù)鋼板的作用。

(二)表面紋理

經(jīng)觀察研究環(huán)氧瀝青平均剖面深度為0.305mm，紋理深度為0.432mm。其剖面深度比傳統(tǒng)的瀝青路面低得多，普通瀝青路面很容易超過1mm，開級配摩擦路面的剖面深度可能大于3mm。這可以歸因于與傳統(tǒng)瀝青混合料相比，集料粒徑小，空隙率低且是密集級配的。

(三)抗滑性

1.擺摩擦試驗(yàn)

六個(gè)重復(fù)的英國鐘擺摩擦試驗(yàn)結(jié)果總體上顯示了良好的重復(fù)性，擺數(shù)在78到85之間，平均數(shù)值83.6。此值與常規(guī)瀝青混凝土相近。在鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)中，擺摩擦數(shù)一般應(yīng)大于45，以滿足駕駛的要求。因此，環(huán)氧瀝青混凝土的擺錘摩擦系數(shù)符合路面設(shè)計(jì)的抗滑性要求。

2.動態(tài)摩擦系數(shù)

圖1示出了在不同車輛速度下測試的三個(gè)樣本的動態(tài)摩擦系數(shù)。橫坐標(biāo)為車速(km/h)縱坐標(biāo)為摩擦系數(shù)。結(jié)果表明，三次結(jié)果非常接近，特別是在測試速度較高時(shí)。而且隨著車速的提高，摩擦系數(shù)減小。當(dāng)車速小于80km/h時(shí)，摩擦系數(shù)先較快減小后緩慢下降。當(dāng)速度大于80km/h時(shí)存在一個(gè)拐點(diǎn)。這意味著當(dāng)車速高于某一數(shù)值時(shí)，摩擦系數(shù)迅速降低。因此，建議在環(huán)氧瀝青路面上行駛時(shí)，車速應(yīng)控制在一定水平(80km/h左右)。由于環(huán)氧瀝青混凝土在大跨度鋼橋上的高速抗滑損失可能比普通公路更嚴(yán)重，所以限速是非常必要的。

圖1 三次動態(tài)摩擦試驗(yàn)結(jié)果

(四)松散試驗(yàn)

1.肯塔堡飛散試驗(yàn)

3次肯塔堡重復(fù)試驗(yàn)表明環(huán)氧瀝青混凝土的測試具有良好的可重復(fù)性。三次的平均磨損率為12.5%，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.61%。而常規(guī)密實(shí)級配瀝青混合料的平均磨損率為18.2%。這說明環(huán)氧瀝青混合料比普通瀝青混合料具有更好的抗剝離性能。環(huán)氧瀝青混凝土的拉伸強(qiáng)度和疲勞性能遠(yuǎn)高于普通瀝青混凝土，其表面結(jié)構(gòu)也可能有助于提高抗剝落性能。

2.漢堡車轍試驗(yàn)

根據(jù)在60°C下測試的環(huán)氧瀝青混凝土樣品的漢堡試驗(yàn)結(jié)果，在輪跡加載下有輕微的車轍深度，但在軌道的兩邊上無凸起。在典型的瀝青混合料的漢堡試驗(yàn)中，車轍深度通常與軌道兩側(cè)的凸起相關(guān)，原因是瀝青粒子是在車輪加載下被推到兩側(cè)。這表明，環(huán)氧瀝青顆粒變形是輕微的，并沒有發(fā)生典型的車轍。實(shí)驗(yàn)表明了兩次加載20000次后的平均車轍深度為9.8mm。值得注意的是試驗(yàn)溫度為60°C，比常規(guī)瀝青混合料的車轍深度高得多，甚至高于聚合物改性瀝青混凝土。此外，實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)明顯屈服點(diǎn)。

以上實(shí)驗(yàn)均表明環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的抗剝落性能。環(huán)氧瀝青混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用維修費(fèi)用通常比普通路面昂貴。高抗剝落性能可以延長環(huán)氧瀝青路面的使用壽命，特別是在降雨量大的地區(qū)。

五、結(jié)論

此次通過研究環(huán)氧瀝青混凝土的表面特性，并對其滲透性、抗滑性、抗剝落性和表面織構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)測試結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

(1)抗?jié)B性試驗(yàn)表明，環(huán)氧瀝青混凝土的滲透系數(shù)很低，這是防止水侵入的要求，使鋼橋面受到保護(hù)。

(2)激光掃描試驗(yàn)表明，環(huán)氧瀝青混凝土的剖面深度遠(yuǎn)低于普通瀝青混凝土，其主要原因是集料粒徑小、摻量低。

(3)從試驗(yàn)中觀察到了環(huán)氧瀝青混凝土良好的抗滑性能。同時(shí)，動態(tài)摩擦系數(shù)試驗(yàn)表明，當(dāng)車速超過一定水平時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土的摩擦系數(shù)迅速下降。說明在一定的水平下控制車輛行駛速度是必要的。

(4)試驗(yàn)表明，與常規(guī)瀝青混凝土相比，環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)異的抗剝離性能。