劉 克

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 400067)

環(huán)氧樹脂的反應(yīng)性及其不可逆性使環(huán)氧瀝青混合料的性能持續(xù)變化。一方面,為緩和固化反應(yīng)造成的容留-養(yǎng)生時(shí)間矛盾,黃紅明等[1]研究的環(huán)氧瀝青混合料在165～185 ℃時(shí)施工操作時(shí)間為2.5 h,最佳料溫175 ℃;郝增恒等[2]研究的高韌性環(huán)氧瀝青混合料在170 ℃時(shí)施工可操作時(shí)間達(dá)3 h,180 ℃時(shí)約2 h;施工溫度升高不僅縮短容留時(shí)間,也產(chǎn)生較高的應(yīng)力積累[3];黃明等[4]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用胺類固化劑的環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)速度較使用酸酐類固化劑要慢;外摻橡膠粉[5]、玄武巖纖維[6]、聚酯纖維[7]都會(huì)縮短容留時(shí)間;PANOS等[8]通過(guò)電磁感應(yīng)加熱縮短養(yǎng)生時(shí)間。另一方面,破壞的環(huán)氧樹脂不能逆向修復(fù),即不能自愈合[9],因此需要增強(qiáng)環(huán)氧瀝青混合料的抗裂能力,聚氨酯[10]、超支化聚酯[11]被用于與環(huán)氧樹脂復(fù)配;周威等[12]以長(zhǎng)鏈脂肪族二元羧酸為主固化劑,通過(guò)增容的方式提高固化物的斷裂伸長(zhǎng)率;CONG等[13]、ZHANG等[14]在瀝青中添加SBS改性劑提高了環(huán)氧瀝青的柔軟性;或者在混合料中外摻聚酯纖維[15]、橡膠顆粒[16]、短切玄武巖纖維、玻璃纖維[17]、聚乙二醇[18]提高粗集料強(qiáng)度[19],都可以改善環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能。另外,路用性能的持續(xù)變化也增加了設(shè)計(jì)工作的難度,比如最大相對(duì)理論密度隨固化度變化而使得環(huán)氧瀝青混合料的空隙率難以確定[20];各種路用性能隨固化度變化而變化也增加了驗(yàn)證試驗(yàn)的復(fù)雜性。

本文擬先分析空隙率的合理測(cè)定方法,然后開展不同配合比和養(yǎng)生條件下的穩(wěn)定度、抗裂和抗滑等關(guān)鍵性能的試驗(yàn)研究,進(jìn)一步揭示環(huán)氧瀝青混合料特性及其機(jī)理。

1 原材料

試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青的25 ℃針入度52(0.1 mm),10 ℃延度15.1 cm,軟化點(diǎn)47.3 ℃。瀝青混合料專用高溫固化環(huán)氧樹脂的固化物23 ℃拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率分別為2.72 MPa、119%,7 d吸水率為0.13%。環(huán)氧樹脂與70#基質(zhì)瀝青按質(zhì)量比1∶1混合為環(huán)氧瀝青。集料為輝綠巖,產(chǎn)自河源市臨江鎮(zhèn),4.75～9.50 mm碎石壓碎值11.5%,針片狀,含量7.7%,黏附性5級(jí)。石灰?guī)r礦粉產(chǎn)自韶關(guān)市翁源縣,塑性指數(shù)為3.9%。原材料密度見表1,其中環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青為60 ℃×4 d固化后的密度。

表1 原材料參數(shù)Tab.1 Parameters of raw materials

2 環(huán)氧樹脂的固化過(guò)程

環(huán)氧樹脂A組分(環(huán)氧樹脂)和B組分(固化劑)混合的均勻性會(huì)影響固化效果,試驗(yàn)室內(nèi)采用簡(jiǎn)單攪拌混合,生產(chǎn)中則采用特制的預(yù)混設(shè)備混合。為對(duì)比混合效果,同一批次環(huán)氧樹脂按2種方式分別混合制樣。預(yù)混設(shè)備排料口取樣和針入度試驗(yàn)如圖1所示。在60 ℃烘箱內(nèi)養(yǎng)生不同時(shí)間后檢測(cè)60 ℃針入度,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(a) 預(yù)混設(shè)備排料口取樣 (b) 針入度試驗(yàn)圖1 預(yù)混設(shè)備排料口取樣和針入度試驗(yàn)Fig.1 Sampling at discharge port of premixer and penetration test

圖2 2種混合方式的環(huán)氧樹脂固化過(guò)程Fig.2 Curing process of epoxy resin with two mixing methods

由圖2可以看出:60 ℃環(huán)境下養(yǎng)生7 d,預(yù)混機(jī)混合的環(huán)氧樹脂60 ℃針入度從30(0.1 mm)降至4(0.1 mm),其中前2 d處于快速固化階段,之后固化減緩,養(yǎng)生7 d后環(huán)氧樹脂仍在繼續(xù)固化,60 ℃針入度能夠表征環(huán)氧樹脂的固化過(guò)程。2種混合方式下,樣品的固化規(guī)律一致,預(yù)混機(jī)混合的樣品60 ℃針入度略高是因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間的高速混合使部分環(huán)氧樹脂提前固化。室內(nèi)攪拌混合的樣品性能基本能夠反映實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品性能。

3 環(huán)氧瀝青混合料的空隙率

空隙率是瀝青混合料最重要的體積特征,研究空隙率的目的是分析瀝青混合料的路用性能。按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的方法,計(jì)算改性瀝青混合料的空隙率應(yīng)采用計(jì)算最大相對(duì)理論密度;但是試驗(yàn)表明由此得到的空隙率顯然太小,甚至出現(xiàn)負(fù)值。

本文采用3種方式計(jì)算環(huán)氧瀝青混合料的空隙率:①用不同的礦料合成相對(duì)密度計(jì)算最大相對(duì)理論密度;②用不同養(yǎng)生時(shí)間的混合料實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度;③實(shí)測(cè)飽水率,用回歸關(guān)系計(jì)算空隙率。計(jì)算結(jié)果見表2。實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度是在混合料拌制完成后半冷卻狀態(tài)下分散,進(jìn)行不同條件養(yǎng)生后測(cè)量的。飽水率是在60 ℃×4 d+常溫×1 d的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生后按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程檢測(cè),再根據(jù)SMA-13、AC-13空隙率與飽水率的回歸關(guān)系計(jì)算空隙率。環(huán)氧瀝青混合料空隙率與飽水率、吸水率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 環(huán)氧瀝青混合料空隙率與飽水率、吸水率的關(guān)系Fig.3 Relationship between void ratio, water saturation and water absorption of epoxy asphalt mixture

表2 不同計(jì)算方法的環(huán)氧瀝青混合料空隙率Tab.2 Volume of air voids of epoxy asphalt mixture with different calculation methods

首先排除表2中空隙率為負(fù)值的方法,包括按有效相對(duì)密度、按合成毛體積相對(duì)密度計(jì)算的最大相對(duì)理論密度法,以及60 ℃養(yǎng)生后的實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法。

與普通瀝青混合料不同,60 ℃養(yǎng)生1 d或3 d的環(huán)氧瀝青混合料,其內(nèi)部微小氣泡難以逃逸,實(shí)測(cè)結(jié)果甚至比馬歇爾試件的毛體積相對(duì)密度小(如5#、6#試件)。剩下4種方法計(jì)算的空隙率,從大到小排序?yàn)?實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法(常溫×1 d)>實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法(常溫×2 d)>飽水率法>計(jì)算最大相對(duì)理論密度法(按合成表觀相對(duì)密度)。固化前環(huán)氧瀝青在常溫下比基質(zhì)瀝青軟,呈半流半固態(tài),真空下瀝青膜破裂,將過(guò)多的礦料開口孔隙計(jì)入了瀝青混合料空隙中,所以常溫養(yǎng)生的實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度會(huì)大于按合成表觀相對(duì)密度計(jì)算的最大相對(duì)理論密度。

如果計(jì)算上述4種方法所得空隙率的均值,則均值與飽水率法所得空隙率的偏差最小,其次是實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法(常溫×2 d)。另外,環(huán)氧瀝青混合料的瀝青砂漿體積率高,空隙分布細(xì)小密集,開口空隙的占比較普通瀝青混合料要少,而1#試件飽水體積率為0.71%,按合成表觀相對(duì)密度計(jì)算的空隙率只有1.08%,即開口空隙占比高達(dá)70%,這顯然不符合實(shí)際情況。

所以,環(huán)氧瀝青混合料的真實(shí)空隙率應(yīng)該界于實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法(常溫×2 d)與飽水率法之間,由此反算的合成有效相對(duì)密度會(huì)大于合成表觀相對(duì)密度,原因是拌和溫度條件下環(huán)氧瀝青黏度很小,礦料開口孔隙擴(kuò)張,礦料的瀝青吸收系數(shù)C>1。真實(shí)空隙率應(yīng)采用常溫養(yǎng)生超過(guò)2 d的實(shí)測(cè)最大相對(duì)理論密度法計(jì)算得到,但從表2可見這對(duì)固化條件的要求較為苛刻,實(shí)測(cè)結(jié)果不易穩(wěn)定。因此,采用飽水率(Sw)計(jì)算環(huán)氧瀝青混合料的空隙率(VV)最合理,計(jì)算式為VV=-0.294 9Sw2+3.02 4Sw+1.615 5。

若沿用計(jì)算最大相對(duì)理論密度法,則以合成表觀相對(duì)密度作為計(jì)算參數(shù)的空隙率最為合理,但由此所得混合料較相同空隙率的普通瀝青混合料,飽水率會(huì)增加(圖3)。

普通瀝青混合料目標(biāo)空隙率通常為4%,其對(duì)應(yīng)飽水率約為0.9%。飽水率0.9%對(duì)應(yīng)環(huán)氧瀝青混合料空隙率按合成礦料表觀相對(duì)密度計(jì)算約為3.6%,而按合成礦料有效相對(duì)密度計(jì)算則為1.9%。因此,《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T3364-02—2019要求設(shè)計(jì)空隙率1%～3%,可以保證環(huán)氧瀝青混合料的飽水性能與普通瀝青混合料相同。

4 環(huán)氧瀝青混合料的強(qiáng)度特性

60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度是環(huán)氧瀝青混合料最主要的路用性能指標(biāo),主要反映了環(huán)氧瀝青混合料的高溫抗剪能力。馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)后的試件如圖4所示。由圖4可以看出,試件主要是在夾具環(huán)向壓縮作用下發(fā)生內(nèi)部與上下表面之間的剪切破壞。

圖4 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)后的試件Fig.4 Specimen after of Marshall stability test

4.1 不同配合比的馬歇爾穩(wěn)定度

不同配合比環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度如表3所示。1#至5#級(jí)配的2.36 mm通過(guò)率隨著級(jí)配變細(xì)依次增加,覆蓋了規(guī)范推薦的級(jí)配范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明:標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生(60 ℃×4 d+常溫×1 d)條件下馬歇爾穩(wěn)定度與級(jí)配粗細(xì)、油石比的關(guān)系都不明顯,變化范圍90.23～125.31 kN,遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的40 kN;常溫養(yǎng)生4 d的穩(wěn)定度變化范圍9.55～12.20 kN,級(jí)配最粗的1#級(jí)配穩(wěn)定度最低,5#級(jí)配油石比從6.61%降為6.15%,穩(wěn)定度降幅只有0.54 kN。

表3 不同配合比環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度Tab.3 Marshall stability of epoxy asphalt mixture with different mix proportion

經(jīng)計(jì)算,表3中常溫養(yǎng)生4 d和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的馬歇爾穩(wěn)定度的變異系數(shù)分別為11.00%、10.08%,說(shuō)明級(jí)配、油石比變化對(duì)初期、標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度的影響程度接近,且都屬于次要因素(主要因素是環(huán)氧樹脂用量)。但是,較粗級(jí)配或不合理的油石比會(huì)導(dǎo)致初期穩(wěn)定度較低,影響路面開放交通時(shí)間或造成路面早期損傷。

4.2 養(yǎng)生條件對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響

自然養(yǎng)生采用室內(nèi)養(yǎng)生、戶外養(yǎng)生和橋面養(yǎng)生3種方式,其中:室內(nèi)養(yǎng)生的溫度變幅最小,且無(wú)日曬雨淋,與橋梁路面下面層的養(yǎng)生環(huán)境相似,試驗(yàn)開展難度最小;同一地區(qū)戶外養(yǎng)生和橋面養(yǎng)生的溫度是相同的,但橋面沒(méi)有遮擋,日照時(shí)間更長(zhǎng),可以模擬橋梁路面上面層的養(yǎng)生環(huán)境,試驗(yàn)開展更困難。不同養(yǎng)生條件的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同養(yǎng)生條件的馬歇爾穩(wěn)定度Fig.5 Marshall stability history of different curing environments

由圖5可以看出:60 ℃養(yǎng)生條件下,前4 d穩(wěn)定度迅速增長(zhǎng),第5～9天穩(wěn)定度在100 kN附近緩慢增長(zhǎng);9 d后,部分試件的穩(wěn)定度有異常增長(zhǎng),說(shuō)明環(huán)氧樹脂的固化進(jìn)程并不穩(wěn)定,最終穩(wěn)定度尚不確定。而圖2中未經(jīng)歷高溫容留的環(huán)氧樹脂是前2 d快速固化,說(shuō)明環(huán)氧樹脂在瀝青混合料高溫拌和、運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生變化,可能會(huì)使快速固化階段延長(zhǎng)。

4組標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度相近的試件在各自養(yǎng)生期的前18 d氣溫經(jīng)歷相近;第18天橋面養(yǎng)生試件的穩(wěn)定度最大,其次是室內(nèi)養(yǎng)生試件,戶外養(yǎng)生試件的穩(wěn)定度最小,說(shuō)明當(dāng)日平均氣溫接近時(shí),日較差小更有利于穩(wěn)定度的穩(wěn)定增長(zhǎng);一定時(shí)長(zhǎng)的日照積累可使穩(wěn)定度快速增長(zhǎng)。穩(wěn)定度增長(zhǎng)速度的變化滯后于氣溫變化約5～6 d。

4.3 容留時(shí)間及二次加熱的影響

不同容留時(shí)間環(huán)氧瀝青混合料的空隙率和穩(wěn)定度如表4所示。在170 ℃環(huán)境下容留245 min,環(huán)氧瀝青混合料的空隙率、穩(wěn)定度沒(méi)有明顯變化,甚至在常溫放置7 d后又二次加熱2.5 h,空隙率、穩(wěn)定度依然沒(méi)有明顯變化;在185 ℃環(huán)境下容留168 min,環(huán)氧瀝青混合料的穩(wěn)定度有小幅下降,但空隙率無(wú)變化,容留212 min后空隙率有一定增加。說(shuō)明環(huán)氧瀝青混合料的施工溫度不宜高于185 ℃,可以在常溫放置后進(jìn)行二次加熱,這有利于施工質(zhì)量檢測(cè),也便于坑槽填補(bǔ)。

表4 不同容留時(shí)間環(huán)氧瀝青混合料的空隙率和穩(wěn)定度Tab.4 Air voids and stability of epoxy asphalt mixture with different retention time

4.4 環(huán)氧樹脂提高瀝青混合料強(qiáng)度的機(jī)理

將已固化的環(huán)氧樹脂在高溫下粉碎,篩分得到小于0.6 mm的已固化環(huán)氧樹脂粉末(圖6),再按照表3中2#級(jí)配(油石比6.50%)制作成型試件,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖6 已固化的環(huán)氧樹脂及其粉末Fig.6 Cured epoxy resin and its powder

表5 已固化環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料的性能Tab.5 Performance of cured epoxy resin modified asphalt mixture

與相同環(huán)氧樹脂用量、相同配合比的正常環(huán)氧瀝青混合料(表3中2#級(jí)配)相比,大量已固化樹脂粉末的摻入增加了結(jié)合料的黏度,使瀝青混合料空隙率、飽水率都增大;無(wú)論養(yǎng)生過(guò)程是否加熱,固化粉末的摻入都未能提高瀝青混合料的穩(wěn)定度,只相當(dāng)于環(huán)氧瀝青混合料常溫固化4 d的穩(wěn)定度。由此說(shuō)明:(1)環(huán)氧樹脂對(duì)瀝青混合料的物理填充不能改善其穩(wěn)定度,瀝青混合料中樹脂的固化必然包含瀝青在內(nèi),即在固化前,瀝青分子進(jìn)入了環(huán)氧樹脂分子鏈,兩者一起固化方能大幅提升混合料的穩(wěn)定度;(2)未固化的環(huán)氧樹脂、固化劑都為液體,黏度低,而其混合料的穩(wěn)定度可以與已固化的固體環(huán)氧樹脂粉末填充瀝青混合料穩(wěn)定度相當(dāng),說(shuō)明環(huán)氧樹脂與瀝青在固化之前已經(jīng)混溶結(jié)合,結(jié)合料整體的黏度并不低。

4.5 浸水對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響——水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是在水作用參與前后材料強(qiáng)度的變化,也屬于強(qiáng)度性質(zhì)。環(huán)氧瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。環(huán)氧瀝青混合料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后,其馬歇爾穩(wěn)定度隨60 ℃浸水時(shí)間的延遲而增長(zhǎng),浸水2 d、4 d的殘留穩(wěn)定度分別達(dá)到111.9%、129.8%,說(shuō)明60 ℃×4 d養(yǎng)生的環(huán)氧樹脂并未完全固化,即使在空隙率較高的情況下(3.5%左右),60 ℃浸水破壞力也不足以抵消固化產(chǎn)生的強(qiáng)度增長(zhǎng),但不能以此判斷其水穩(wěn)定性。在60 ℃×10 d養(yǎng)生后,浸水2 d、4 d殘留穩(wěn)定度分別為105.5%、94.3%,說(shuō)明此時(shí)環(huán)氧樹脂已完成固化,60 ℃浸水對(duì)環(huán)氧瀝青混合料確有一定的破壞性,但水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

表6 環(huán)氧瀝青混合料水穩(wěn)定性Tab.6 Test results of water stability of epoxy asphalt mixture

60 ℃固化4～10 d對(duì)于常溫環(huán)境中的路面而言時(shí)長(zhǎng)可能超過(guò)1年。雖然其間強(qiáng)度的增長(zhǎng)超過(guò)了水力破壞造成的強(qiáng)度損失,但由于環(huán)氧樹脂的破壞是不可逆的,并且強(qiáng)度尚未完成前當(dāng)量水力作用造成的損傷大于強(qiáng)度形成之后,因此對(duì)于固化時(shí)間較長(zhǎng)的環(huán)氧瀝青混合料,應(yīng)注意固化過(guò)程的性能評(píng)價(jià)。

水穩(wěn)定性除了考慮相同浸水時(shí)間下強(qiáng)度的變化,也應(yīng)考慮材料的持水特性。與相同空隙率的普通瀝青混合料相比,環(huán)氧瀝青混合料不僅飽水率高,且孔隙水的滲出需要更長(zhǎng)時(shí)間,細(xì)小密集的空隙分布為其營(yíng)造了更為苛刻的水力環(huán)境。

5 環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能

5.1 劈裂試驗(yàn)

用5 ℃劈裂試驗(yàn)分析環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能,試驗(yàn)結(jié)果見表7。試驗(yàn)規(guī)程要求劈裂試件厚度6.32±0.13 cm,但高強(qiáng)度的環(huán)氧瀝青混合料在此厚度下劈裂需要高壓力,試件脆斷炸裂為2半向周邊彈射,具有危險(xiǎn)性,并且試驗(yàn)設(shè)備伴隨振動(dòng),豎向變形難以準(zhǔn)確測(cè)量。因此,本試驗(yàn)將試件厚度減少為2.0～3.0 cm,與現(xiàn)場(chǎng)鋪筑厚度相當(dāng)。劈裂強(qiáng)度、劈裂應(yīng)變按試驗(yàn)規(guī)程中提供的公式計(jì)算,應(yīng)變能密度等于劈裂強(qiáng)度與應(yīng)變的乘積除以2,沖擊韌性為劈裂壓力與對(duì)應(yīng)豎向變形的乘積除以2[21]。厚度2.5 cm左右的試件不僅與路面層厚相當(dāng),端部摩擦因素減弱也使試驗(yàn)更接近平面應(yīng)力狀態(tài)。試件減薄后,劈裂強(qiáng)度降低約40%,說(shuō)明劈裂試驗(yàn)有顯著的尺寸效應(yīng)。

表7 環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能Tab.7 Crack resistance performance of epoxy asphalt mixture

由表7可以看出:試件5與試件7的空隙率和厚度都相近,劈裂強(qiáng)度也相近,但劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度和沖擊韌性都有較大差異,說(shuō)明劈裂試驗(yàn)的各指標(biāo)中,強(qiáng)度指標(biāo)較為穩(wěn)定、可靠。與試件8相比,試件9厚度較大、空隙率較低,但劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度、沖擊韌性反而較小,只有劈裂強(qiáng)度基本相同,這也證實(shí)了強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性。劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度的主要問(wèn)題在于泊松比難以實(shí)測(cè);沖擊韌性指標(biāo)并不包含試件尺寸,試件加工的尺寸精度很難保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定。

試件2與試件3的厚度相近,當(dāng)空隙率和飽水率減小,劈裂試驗(yàn)的各種指標(biāo)都有明顯提升,抗裂性能增強(qiáng)。

5#級(jí)配(薄層試件)二次加熱前后平均空隙率基本相同,即使二次加熱后的試件厚度較大,但平均劈裂強(qiáng)度較加熱前減少0.5 MPa,劈裂應(yīng)變也有減少,說(shuō)明容留時(shí)間越長(zhǎng),抗裂性能越差。

環(huán)氧瀝青混合料試件9的劈裂強(qiáng)度、劈裂應(yīng)變、應(yīng)變能密度、沖擊韌性能分別是SBS改性瀝青AC-13的3.0、0.4、1.2、1.2倍,說(shuō)明環(huán)氧瀝青混合料具有較高的拉伸強(qiáng)度和韌性,但拉伸應(yīng)變較小。對(duì)于鋪筑在路面基層之上的瀝青混合料,在路面彎沉滿足要求情況下,拉伸應(yīng)變?cè)酱髣t抗裂性能越好。但是,對(duì)于基面剛度較低的鋼橋面路面而言,路面的模量對(duì)減少最大變形至關(guān)重要[22-23],只有在保證相同整體變形情況下,應(yīng)變才是抗裂性能的關(guān)鍵。因此,應(yīng)用于鋼橋面時(shí),環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,這一點(diǎn)在較多工程實(shí)踐中已得到證實(shí)。

5.2 環(huán)氧瀝青混合料斷裂機(jī)理

圖7是已固化環(huán)氧樹脂15 ℃劈裂后的外觀。在拉伸區(qū)域內(nèi),環(huán)氧樹脂破壞呈絮狀且不具有規(guī)整斷面,絮狀物方向大體與劈裂方向一致(與拉伸方向垂直),絮狀物表面粗糙不透明,說(shuō)明絮狀物的內(nèi)部已有損傷。這種呈區(qū)域而非面狀的劈裂破壞,大大增加了斷裂面的面積,是環(huán)氧樹脂具有高強(qiáng)度和一定韌性的內(nèi)在原因之一。

圖7 已固化環(huán)氧樹脂15 ℃劈裂后外觀Fig.7 Appearance of cured epoxy resin after splitting at 15 ℃

圖8是油石比6.73%的5#級(jí)配已固化環(huán)氧瀝青混合料5 ℃劈裂斷面。劈裂破壞區(qū)域?yàn)橐?guī)則斷面,幾乎整個(gè)斷面內(nèi)的輝綠巖粗集料(>4.75 mm礦料摻配量20%)都發(fā)生了斷裂,說(shuō)明5 ℃劈裂下環(huán)氧瀝青砂漿強(qiáng)度與粗集料接近(壓碎值11.5%),這是環(huán)氧瀝青混合料具有高劈裂強(qiáng)度且呈脆性斷裂的原因。劈裂面中的灰黑色部分為環(huán)氧瀝青斷裂面,即環(huán)氧瀝青砂漿的斷裂很少發(fā)生在細(xì)集料內(nèi)部,承受應(yīng)力作用的主要是環(huán)氧瀝青基體,這是環(huán)氧瀝青混合料具有一定韌性的原因。圖8中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)礦料-瀝青的界面(通常為棕褐色)斷裂,證明環(huán)氧瀝青與石料在5 ℃時(shí)黏結(jié)良好。

圖8 已固化環(huán)氧瀝青混合料5 ℃劈裂斷面Fig.8 Section of cured epoxy asphalt mixture split at 5 ℃

綜上所述,環(huán)氧瀝青在低溫時(shí)強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng),混合料斷裂中包括大量的粗集料斷裂,造成環(huán)氧瀝青混合料的脆性斷裂,而環(huán)氧瀝青砂漿中作為基體的環(huán)氧瀝青承受主要的拉伸應(yīng)力,是混合料的韌性來(lái)源。由此可知,提高環(huán)氧瀝青強(qiáng)度并匹配低壓碎值粗集料可以保證環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和模量,較高的環(huán)氧瀝青含量、細(xì)集料含量可以保證環(huán)氧瀝青混合料的韌性,兩者共同決定了環(huán)氧瀝青混合料的抗裂能力。

圖6中的環(huán)氧樹脂是在65 ℃壓碎的。大塊狀的環(huán)氧樹脂表面光滑,屬于低強(qiáng)度脆裂,甚至用手可以輕松掰斷、搓碎。鑒于環(huán)氧樹脂沒(méi)有自愈合能力,高溫下瀝青混合料又比較軟,因此常溫、高溫下環(huán)氧瀝青混合料的疲勞抗裂性能值得關(guān)注。

6 環(huán)氧瀝青混合料的抗滑性能

6.1 室內(nèi)試驗(yàn)可行性

環(huán)氧瀝青混合料一般鋪筑于特殊路段,行車安全需求更高,其初期構(gòu)造深度小[24],因此抗滑性能值得關(guān)注。路面抗滑性能是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),不同材料配合比的抗滑性能的對(duì)比較為困難,因此筆者考慮在室內(nèi)用馬歇爾試件進(jìn)行構(gòu)造深度試驗(yàn)和摩擦系數(shù)值試驗(yàn),如圖9所示。室內(nèi)試驗(yàn)的主要問(wèn)題是馬歇爾試件在成型時(shí)會(huì)有插搗的步驟,試件上下表面離析難以代表試件整體的抗滑性能。但是,環(huán)氧瀝青混合料最大公稱粒徑只有9.5 mm,且油石比、細(xì)集料含量高,插搗導(dǎo)致的上下表面差異較小,因此采用室內(nèi)試件試驗(yàn)具有可行性。馬歇爾試件的抗滑性能的部分試驗(yàn)結(jié)果見表8。

(a) 構(gòu)造深度試驗(yàn) (b) 摩擦系數(shù)值試驗(yàn)圖9 馬歇爾試件的抗滑性能試驗(yàn)Fig.9 Anti sliding performance test of Marshall specimen

表8 馬歇爾試件的抗滑性能Tab.8 Anti sliding performance of Marshall specimen

從表8可以看出:環(huán)氧瀝青混合料上下表面構(gòu)造深度差遠(yuǎn)小于AC-13和AC-20。所有試件上下表面構(gòu)造深度差值變化范圍0.01～0.12 mm,均值0.06 mm,大于0.1 mm試件占比僅7.7%,可以將7.7%的試件去除后,以上下表面均值作為試件的構(gòu)造深度。

環(huán)氧瀝青混合料試件上下表面擺值差與AC-13相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。所有試件擺值(20 ℃)差值變化范圍為1.1～12.3,均值5.8。如果以上下表面擺值差小于5、小于6作為標(biāo)準(zhǔn),則分別要排除64%、55%的試件。按相互垂直的4個(gè)不同方向檢測(cè)同一試件同一表面的擺值,極差達(dá)4.8,這說(shuō)明上下表面擺值差較大的主要原因并非構(gòu)造深度的不同,而是試件上下表面不水平;按不同方向擺放時(shí),表面坡度的變化影響擺值。

室內(nèi)抗滑試驗(yàn)結(jié)果見表9。為驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)方法的可靠性,采用5#級(jí)配,油石比6.61%進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間是施工完成后第7天。按“先膠后鋼”碾壓時(shí),構(gòu)造深度均值0.17 mm,擺值(20 ℃)均值53.2;按“先鋼后膠”碾壓時(shí),構(gòu)造深度均值0.18 mm,擺值(20 ℃)均值58.8。由于試驗(yàn)段鋪筑在水泥地面上,壓實(shí)的基面條件優(yōu)于鋼橋面板,而室內(nèi)試件成型采用模擬鋼橋面壓實(shí)的50×2次擊實(shí),因此室內(nèi)試件的密實(shí)度應(yīng)小于現(xiàn)場(chǎng)密度,試件的構(gòu)造深度只是略大于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造深度。試件的擺值與“先鋼后膠”碾壓的擺值相差2,與“先膠后鋼”的擺值相差8,而規(guī)范推薦的表面層碾壓方式即為“先鋼后膠”。因此,抗滑性能室內(nèi)試驗(yàn)方法是可靠的。

表9 室內(nèi)抗滑試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Results of indoor skid resistance test

6.2 抗滑性能試驗(yàn)

環(huán)氧瀝青混合料的構(gòu)造深度變化范圍0.18～0.21 mm,遠(yuǎn)小于AC-20、AC-13和規(guī)范對(duì)表面層構(gòu)造深度的要求。在較大的級(jí)配變動(dòng)范圍內(nèi),構(gòu)造深度極差僅0.03 mm,相對(duì)而言,1#—3#級(jí)配較粗,構(gòu)造深度略大。環(huán)氧瀝青混合料的擺值滿足規(guī)范要求,擺值與細(xì)集料含量的關(guān)系明確,即級(jí)配越細(xì)擺值越大。

環(huán)氧瀝青混合料2.36 mm通過(guò)率高達(dá)50%～70%,油石比通常在6.60%左右,瀝青砂漿體積率遠(yuǎn)高于常規(guī)瀝青混合料,因此構(gòu)造深度對(duì)抗滑性能的調(diào)控很有限。多個(gè)試件的同一表面的構(gòu)造深度與擺值的關(guān)系如圖10所示。由圖10可見:擬合優(yōu)度僅為0.22,構(gòu)造深度與擺值兩者并無(wú)相關(guān)性,它們是兩個(gè)獨(dú)立的抗滑能力來(lái)源,增強(qiáng)抗滑性能應(yīng)主要基于擺值的提高。當(dāng)級(jí)配越細(xì)、油石比越低時(shí),瀝青砂漿的面積率、粗糙度就越大,與膠片滑動(dòng)摩擦的面積也越大,所以擺值越大。

圖10 同一表面構(gòu)造深度與擺值的關(guān)系Fig.10 The relationship between texture depth and BPN on the same surface

在試驗(yàn)段施工完成17 d后,再次檢測(cè)“先鋼后膠”碾壓段相同點(diǎn)位的擺值,結(jié)果為54.8,較養(yǎng)生7 d時(shí)降低了4.0。試驗(yàn)段并未開放交通,因此擺值降低主要與環(huán)氧瀝青的固化有關(guān)。固化度增加使路面整體模量提升,導(dǎo)致摩擦接觸面積減少[25],擺值降低。開放交通后,隨著瀝青和集料磨耗的損失,環(huán)氧瀝青混合料的擺值會(huì)增加約10個(gè)擺值,但構(gòu)造深度會(huì)進(jìn)一步損失。

7 結(jié)論

1)60 ℃針入度可表征環(huán)氧樹脂的固化度。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下,環(huán)氧樹脂前2 d快速固化,第7天后仍在繼續(xù)固化;經(jīng)過(guò)高溫施工條件的環(huán)氧瀝青混合料前4 d快速固化,第9天后仍在繼續(xù)固化。環(huán)氧瀝青混合料在170 ℃可容留超過(guò)4 h,也可二次加熱使用,具有較好的操作性。

2)固化過(guò)程中的環(huán)氧瀝青黏度變化顯著,因此采用實(shí)測(cè)法測(cè)定最大相對(duì)理論密度的時(shí)機(jī)難以把握:當(dāng)瀝青黏度過(guò)小時(shí),會(huì)造成瀝青膜的破壞;當(dāng)黏度過(guò)大時(shí),膠漿內(nèi)的氣泡又難以溢出,導(dǎo)致實(shí)測(cè)法試驗(yàn)結(jié)果變異性很大。若采用計(jì)算法,礦料瀝青吸收系數(shù)C大于1。因此,建議采用飽水率來(lái)推算其空隙率。

3)環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的大小主要取決于環(huán)氧樹脂的性能及其用量,而配合比、空隙率的影響較小,但較粗的級(jí)配或不合理的油石比會(huì)導(dǎo)致初期穩(wěn)定度較低,影響路面開放交通的時(shí)間或造成路面早期損傷。穩(wěn)定度的增長(zhǎng)速度變化滯后于氣溫變化約5 d,氣溫日較差小時(shí)更有利于穩(wěn)定度的穩(wěn)定增長(zhǎng),一定時(shí)長(zhǎng)的日照積累可使穩(wěn)定度快速增長(zhǎng)。若固化時(shí)間較長(zhǎng),應(yīng)進(jìn)行固化過(guò)程中和固化完成后的水穩(wěn)定性試驗(yàn),以判斷服役初期和最終的水穩(wěn)定性。環(huán)氧瀝青混合料的高強(qiáng)度來(lái)源于環(huán)氧樹脂與瀝青的混溶后的共同固化,已固化環(huán)氧樹脂顆粒的物理填充無(wú)法大幅提高穩(wěn)定度。

4)環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和韌性優(yōu)于普通改性瀝青混合料,但劈裂應(yīng)變相對(duì)較小。當(dāng)基面剛度較小時(shí),如鋼橋面,環(huán)氧瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度是表征其抗裂性能的最佳指標(biāo)。空隙率增大、容留時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)降低環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性能。環(huán)氧瀝青較高的低溫強(qiáng)度使其混合料的低溫?cái)嗝嬷邪舜罅康拇旨蠑嗝?粗集料斷裂增加了環(huán)氧瀝青混合料的脆性,而較高的環(huán)氧瀝青含量、細(xì)集料含量又可以增加韌性,兩者聯(lián)合影響環(huán)氧瀝青混合料的抗裂能力。此外,環(huán)氧瀝青混合料在高溫時(shí)的開裂值得關(guān)注。

5)可以用馬歇爾試件的構(gòu)造深度和擺值評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混合料的抗滑性能。不同配合比時(shí)構(gòu)造深度變化較小,抗滑性能的改善主要依靠擺值指標(biāo)的提升。級(jí)配越細(xì)、瀝青砂漿越粗糙時(shí),擺值越大。環(huán)氧瀝青固化會(huì)使擺值降低,但路面磨損又會(huì)使擺值提高。