不同固化度下环氧沥青混合料的疲劳特性研究

纪更占 孔二春 郑亚奇

(1.中国民航机场建设集团有限公司 北京 100101; 2.中交机场勘察设计院有限公司 广州 510000; 3.上海民航龙华机场 上海 200232)

环氧沥青混合料是采用环氧沥青和集料拌和而成的热固性材料，从本质上改变了传统沥青混凝土热塑特性，具有抗松散能力强、材料强度高、耐久性好、环境适应性强等优点，在大跨度桥面铺装领域已经得到系统研究和广泛工程应用，并成为高等级道面的一种重要铺装材料[1]。环氧沥青混合料强度增长过程本质上是混合料由热塑性向热固性转化的过程，同时也是黏弹性发生质变的过程[2]，但由于机场道面工作环境特殊，考虑工程的实际需要，在环氧沥青混凝土道面强度尚未达到最大时，需要开放交通，此时环氧沥青混合料未完全固化，其疲劳特性尚未得知，因此，研究不同固化度下环氧沥青混合料疲劳特性，对于揭示环氧沥青混合料的材料属性和工程应用具有双重意义。

基于此，本文采用劈裂试验和三点弯曲疲劳试验，在环氧沥青混合料强度发展规律研究的基础上，分析不同固化程度下环氧沥青混合料疲劳特性，将其结果作为初期荷载作用下的环氧沥青混合料疲劳损伤分析的依据。

1 试验材料

试验所用集料为上海宝山生产的道面专用玄武岩集料，按照粒径分为以下4档：1号(4.74 mm以下)、2号(2.36～4.74 mm)、3号(4.5～9.5 mm)、4号(9.5～16 mm)，各档集料的基本性能和筛分结果与文献[3]相同。根据配合比计算，1～4号集料以及矿粉的用量分别为53%，5%，17%，22%和3%，配合比曲线见图1。试验采用句容环氧沥青，A组分为透明的环氧树脂，B组分为添加了固化剂的沥青，对工业配合比例分别为1∶2.9，性能与文献[3]相同。

图1 环氧沥青混合料级配曲线

2 试验方法与条件

空隙率、油石比和摊铺等待时间是环氧沥青混合料设计过程和成型过程中影响疲劳性能的重要因素[3]。环氧沥青混合料在养生的过程中逐渐固化，不同养生条件下的混合料固结程度不同。夏季时沥青混凝土道面的温度可高达60 ℃，因此将60 ℃作为固化温度来研究环氧沥青混合料的强度增长行为，在劈裂试验之前对马歇尔试件进行养生时，试验温度定为15 ℃，以尽量减小养生对环氧沥青混合料强度的影响。

分别选择未养生(成型之后自然冷却)、60 ℃养生6,12,24,48,96 h的车辙板切割成标准尺寸的小梁进行三点弯曲疲劳试验，采用15 ℃作为本次小梁疲劳弯曲试验的试验温度。加载波形为接近于实际路面所受的正弦荷载波形，荷载频率为10 Hz，加载应力水平选择6个，间隔为10%(n=30%～80%)，从较大的加载水平开始，再向低选取。试验期将将小梁试件放入15 ℃恒温保温箱中保温6 h后利用MTS-810材料测试系统进行强度试验，得到小梁准静载条件下的破坏荷载P。根据破坏荷载和应力水平计算各条件下的荷载值。以试件断裂破坏作为疲劳试验结束的标志，对应的加载次数为疲劳寿命。

3 试验结果与分析

3.1 环氧沥青混合料强度发展规律

在固化温度为60 ℃时，环氧沥青混合料马歇尔试件劈裂抗拉强度与时间的关系见图2。

图2 15 ℃劈裂抗拉强度与时间的关系

由图2可见，环氧沥青混合料的强度初期增长速度较慢，随着养生时间的延续，强度增长速率不断提高，当强度达到一定的值之后，增长变慢，最后强度不再显著增长，劈裂抗拉强度最终达到5.5 MPa。

由于初期环氧沥青混合料强度较低，无法使用切割的小梁进行强度增长过程研究，根据强度发展的相似性，可将环氧沥青混合料马歇尔试件劈裂抗拉强度的增长过程转换为小梁抗弯拉强度的增长过程，可得到弯拉强度增长曲线见图3，则在未养生和60 ℃养生6，12，24，48和96 h后的环氧沥青混合料弯拉强度分别为0.66，1.56，4.06，8.63，15.56，19.1 MPa，根据小梁抗弯拉强度发展规律进行环氧沥青混合料未完全固化疲劳特性研究。

图3 15 ℃抗弯拉强度与时间关系

3.2 不同固化程度下环氧沥青混合料疲劳性能

分别选择未养生(成型之后自然冷却)、60 ℃养生6，12，24，48，96 h的车辙板切割成标准尺寸的小梁进行三点弯曲疲劳试验，不同养生条件下环氧沥青混合料应力-疲劳寿命双对数曲线见图4。

图4 不同强度环氧沥青混合料应力-疲劳寿命双对数曲线

由图4可见，环氧沥青混合料疲劳寿命与应力的双对数呈线性关系，疲劳性能随强度的增长显著增长，且随应力变化的敏感性增强。根据图4中回归得到的疲劳方程参数，利用文献[4-6]中沥青混合料非线性疲劳损伤模型，分别计算各强度下疲劳动载强度修正系数m和临界疲劳损伤度D，计算方法如式(1)和(2)所示。

m=r(Nf)1/α

(1)

(2)

式中：r为应力水平；Nf为疲劳寿命；α为在不同应力下的应力-疲劳寿命直线的斜率。

根据式(1)、(2)计算结果，与普通热塑性沥青混合料计算结果[7]进行对比，见图5和图6。

图5 不同强度疲劳动载强度修正系数

图6 不同强度下临界疲劳损伤度包络线

由图5和图6可见，环氧沥青混合料固化过程中，随着强度的增长，其疲劳动载强度修正系数逐渐减小，完全固化后疲劳动载强度修正系数分布在2左右；初期未固化时，环氧沥青混合料疲劳动载强度修正系数与普通热塑性沥青混合料相近，分布在10左右；环氧沥青混合料固化过程中，随着强度的增长，其临界疲劳损伤度逐渐降低，其数值随应力水平的提高而减小，强度越高，临界损伤度与应力之间的敏感性越高。

综上所述，环氧沥青混合料固化过程本质是其黏弹性变化的过程，随着强度的增长，环氧沥青混合料抗变形能力减弱，在高应力水平下，易发生脆性断裂，导致其损伤累积在较低水平时发生疲劳破坏。因此，在环氧沥青混合料铺装层养护期间需要封闭交通，以避免对铺装造成早期损坏，待强度达到要求范围后才可开放交通。

4 结论

1) 环氧沥青混合料的强度增长速度在初期较慢，随着养生时间的延续，强度增长速率不断提高，当强度达到一定的值之后，强度增长变慢，最后强度不再显著增长，劈裂抗拉强度最终达到5.5 MPa。

2) 环氧沥青混合料固化过程本质是其黏弹性变化的过程，随着强度的增长，环氧沥青混合料抗变形能力减弱，在高应力水平下，易发生脆性断裂，导致其损伤累积在较低水平时发生疲劳破坏。