环氧沥青混凝土桥面薄层铺装性能研究

杨 平 孔冬雷

(1.安徽省铜陵市公路管理局，安徽铜陵 244000;2.东南大学智能运输系统研究中心，江苏南京 210096)

近年来，随着交通量和轴载的增大，桥面铺装层的破坏日趋严重，影响正常行车，其主要原因是混合料均用热塑性材料作为结合料，在高温、重载条件下，粘结强度不能满足路面使用要求。环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂反应，形成不可逆的固化物，固化后可以形成不可逆、不熔化的空间三维网络体系，从根本上改变了沥青的热塑性质，赋予沥青全新的优良物理力学性质，该材料低温下表现出优异的柔韧性，高温下呈现独特的热固性。环氧沥青混凝土薄层铺装有很多优势:绿色环保、热固性、半刚性、长寿命和薄层，是当前非常重要的一种桥面铺装材料，具有很强的优势。所以，环氧沥青混凝土桥面薄层铺装性能研究有着重要的意义。

1 环氧沥青的固化反应

环氧沥青是一种热固性材料，其中，A组分是一种环氧树脂，B组分是顺酐改性的沥青类物质加上酸酐型高温类的固化剂。沥青顺酐化后，沥青分子上引入具有与环氧树脂能够进行交联反应的功能基团，保证沥青能够参与和环氧树脂的固化反应，形成三维立体互穿网络结构聚合物。此外，酸酐型固化剂与环氧树脂之间也能发生化学反应形成空间交联网络，因此可以从根本上改变普通沥青的热塑性，同时显著提高了材料的粘附力、拉伸强度、断裂延伸率和低温性能。而常用于沥青改性的SBS材料为线性大分子结构，两者之间存在显著性差异。

2 材料与试验方法

2.1 材料

2.1.1 沥青

环氧沥青为两组分，其中A组分为环氧树脂，B组分为基质沥青，其性能指标见表1。选择SBS改性沥青材料性能指标见表2。

表1 环氧沥青性能指标

2.1.2 集料

集料中10 mm～16 mm(1号料)、4.75 mm～10 mm(2号料)、2.36 mm ～4.75 mm(3 号料)为玄武岩，2.36 mm(4 号料)以下为石灰岩。矿粉为石英岩矿粉。试验中玄武岩粗集料基本性质见表3，矿粉的基本性质如表4所示。

表2 SBS改性沥青的技术要求

表3 玄武岩粗集料基本性质

表4 矿粉的基本性质

2.1.3 级配

沥青混凝土铺装层所用矿料级配是在传统规范级配的基础上，借鉴SMA和Superpave混合料设计的优点，并结合所用集料基本性质，桥面铺装不同层位的功能要求以及整个铺装层的防水效能，增加了矿料间的骨架性和密实性而设计。其目的是获得最适当的沥青用量而且具有较大的强度和密实性，来改善铺装层的荷载应力，并具有良好的耐久性和施工性能，方便铺筑。矿料级配既满足了交通部沥青路面施工技术规范所要求的级配范围，又满足了Superpave设计方法级配控制点、限制区等要求。

2.2 试验

将加热的环氧沥青与经烘箱预热的集料加入拌和机在120℃下拌合50 s，拌合后的混合料放入模具中正反击实75次，成型环氧沥青马歇尔试件EC-13;AC-13同样在120℃下成型马歇尔试件;而SMA-13在175℃下成型，且在拌合期间加入了3‰的纤维。对以上成型的马歇尔试件分别按照JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程，进行马歇尔稳定度试验(T 0709-2000)，分别在15℃和25℃进行沥青混合料劈裂试验(T 0716-1993)。

车辙板试件成型采用轮碾成型，车辙板长300 mm，宽300 mm，厚50 mm，在60℃中养生4 h，按照JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程，模拟10 t的车辆分别对SMA-13，AC-13，EC-13环氧沥青混合料进行1 h的车辙试验(T 0719-1993)。将轮碾成型的板块状试件(环氧沥青混合料的车辙板试件需要在120℃条件下固化4 h)切割制作棱柱体试件，尺寸为250 mm×30 mm×35 mm。试验温度15℃和－10℃，加载速率50 mm/min，做小梁弯曲试验(T 0715-1993)。

3 结果与分析

3.1 最佳油石比

本研究选用5种油石比进行马歇尔试验，从而确定三种沥青混凝土各自的最佳油石比。通过马歇尔测定的稳定度与流值，计算孔隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)。实验结果如表5所示。

表5 混合料马歇尔试验结果

由表5数据可以绘制相对毛体积密度、空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率及稳定度与油石比关系曲线图，确定沥青用量初始值1(OAC1)、确定沥青用量初始值2(OAC2)、综合确定最佳沥青用量OAC。经过计算发现，AC-13改性沥青混合料的最佳油石比确定为4.3%，SMA-13沥青玛脂混合料的最佳沥青用量为6.2%，EC-13环氧沥青混合料的最佳油石比确定为6.2%。

3.2 水稳定性

分别将AC-13，SMA-13，EC-13三种混合料浸泡水中30 min，48 h，96 h，进行浸水马歇尔试验，从而计算残留稳定度。计算结果见表6。

表6 铺装层水稳性试验结果

3.3 车辙

车辙试验能较好地反映车辙的形成过程，得到世界各国的广泛认可与采用，本研究采用在60℃下车辙试验来评价三种混合料的高温抗车辙能力。结果如表7所示。

从表7结果可以看出，SMA-13和AC-13具有相同数量级的动稳定，其中SMA的数值略高于AC，但是环氧沥青混合料EC-13的动稳定是SMA-13和AC-13的近10倍，说明环氧沥青混合料具有较SMA-13和AC-13更高抗车辙能力。

表7 60℃车辙试验结果

3.4 劈裂

在15℃和25℃下，劈裂试验的强度、拉伸应变见表8。

表8 劈裂试验结果

由表8可知，无论是15℃和25℃，环氧沥青混合料EC-13均具有较SMA-13和AC-13高的劈裂强度，其数值为后者的近两倍，同时具有与SMA-13和AC-13相近的破坏应变。

当温度从15℃升高至25℃时，则AC-13改性沥青混合料的劈裂强度降低约23.9%，SMA-13沥青玛脂混合料的劈裂强度降低约23.4%，EC-13环氧沥青混合料的劈裂强度降低约8.4%。显然，环氧沥青强度较高且受温度影响很小。

3.5 弯曲

用低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温性能，试验温度15℃和－10℃进行试验，实验结果如表9所示。

表9 弯曲试验结果

由表9可知，15℃条件下，EC-13环氧沥青混合料的抗弯拉强度大于SMA-13和AC-13，数值约为后二者5倍，而应变约为后二者20%;－10℃条件下，环氧沥青混合料的抗弯强度仍较SMA-13和AC-13高，是SMA-13的1.4倍，是AC-13的2倍，三者破坏应变大致相同。

温度从15℃降低－10℃时，SMA-13沥青混合料与AC-13沥青混合料的抗拉强度均明显增大，SMA-13沥青混合料增加了3倍，AC-13沥青混合料增加2倍;弯拉应变方面，SMA-13沥青混合料降低了约84.9%，AC-13沥青混合料降低约79.3%;环氧沥青混合料的抗弯拉强度与弯拉应变变化较小。因此，环氧沥青强度受低温影响很小。

4 结语

环氧沥青是热固性材料，固化后环氧沥青与集料之间的粘结强度比热塑性材料的粘结强度大，在集中力作用下，不易开裂和剥落，破坏路面;在高温条件下，环氧沥青与普通热塑性沥青不同，不易变软，更因为选用集料级配较密，压实度很高，抗车辙能力大大提高，车辙深度降低显著;在低温条件下，环氧沥青同样受温度影响很小，不会致使沥青混合料的劲度模量迅速上升，变硬，变脆，有效防止了低温开裂;环氧沥青良好的防水性能和高粘结力更是解决了水损害这一严重病害，延长了道路使用寿命，具有良好的路用性能。因此，环氧沥青经固化后特有的热固性使环氧沥青混合料强度很高，且强度受温度影响很小，满足了日益增长交通量对桥面铺装层强度的要求，是一种良好的桥面薄层铺装材料。

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