热拌环氧沥青混合料压实特性试验评价与工程应用

徐 伟，耿 杰，许 龙

（1．华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640；2．广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510101）

0 引 言

环氧沥青在钢桥面铺装中应用较广泛，环氧沥青混合料胶结料黏度、级配与一般沥青混合料有较大差异；环氧沥青混合料属于热固型高分子复合材料［1－2］，压实效果直接影响环氧沥青铺装的强度、耐久性以及抗滑性能［3－7］。

本文基于旋转压实密实度曲线和压实特征参数对热拌环氧沥青混合料压实过程和规律进行研究，评价压实次数、混合料级配及压实温度等因素对环氧沥青混合料压实度的影响规律，为施工压实控制提供参考。

1 环氧沥青混合料压实特性参数

试验所用热拌环氧沥青的环氧树脂、固化剂、沥青配比为14∶11∶15［8］，热拌环氧沥青混合料级配各档筛孔通过率见表1，采用SGC旋转压实方法对热拌环氧沥青混合料压实性能和影响规律进行评价。

表1 五种级配各档筛孔通过率

以具代表性的Ⅰ型级配环氧沥青混合料压实为例，分析其压实过程，半对数坐标下密实度压实曲线见图1。图中曲线表明环氧沥青混合料的密实度曲线存在拐点，可分为2个压实阶段。半对数坐标下把环氧沥青混合料密实曲线转换成空隙率－压实次数的关系（图2），根据文献［9］可得

式中：Vm（N）为旋转压实N 次后的空隙率；V（1）为旋转压实1次后试件的空隙率；k为曲线的斜率；N为压实次数。

图1 两阶段密实曲线

图2 空隙率－压实次数密实曲线

利用式（1）对两段曲线分别进行拟合，得到密实曲线平均斜率k1、k2，见图2，k数值越大，表示空隙率减小速度越快。

一般热拌环氧沥青混凝土目标空隙率不大于3%，故定义热拌环氧沥青混合料密实能量指数CEI为：由混合料松散状态压实到密实度为97%，密实曲线下包络面积见图3。通过环氧沥青混合料密实曲线平均斜率k1、k2和CEI评价压实次数、级配和压实温度对环氧沥青混合料压实规律影响。

图3 环氧沥青混合料密实能量指数CEI

2 压实次数对环氧沥青混合料性能的影响

对受压实次数影响显著的骨架型级配Ⅰ进行评价，混合料在相应拌合温度统一放置60min后开始成型（以下相同），压实次数分别为100、125、160次［10－11］，试件直径为150mm，密实曲线见图4。图4曲线表明，密实度在压实初期增长较快，随着压实次数增加，密实度曲线趋于平缓。旋转压实40次后密实度基本达到97%，随后密实度增长平缓；旋转压实100、125、160 次的密实度分别为 98．53%、98．60%、98．57%，表明密实度达到98%后再增加压实次数对混合料密实度的影响较小［12－14］。

图4 不同压实次数的Ⅰ型级配密实曲线

将旋转压实的试件取芯并切割成标准100mm的马歇尔试件，进行马歇尔试验，试验结果见表2。表2中数据显示，压实次数在100～125次，稳定度略有提高；压实次数提升至160次，稳定度降低，表示过多增加压实次数，反而导致混合料强度下降。这主要由于过多增加压实次数会导致混合料的集料骨架结构受到影响，矿料间隙率降低，进而影响混合料强度。

表2 不同压实次数的马歇尔试验数据

3 级配对环氧沥青混合料压实特性的影响

采用5种级配对比评价级配对环氧沥青混合料密实曲线的影响，其中Ⅰ型级配为骨架型较粗级配，Ⅴ型级配为常用细级配，具体级配见表1，各级配分别选用相应最佳油石比，设计旋转压实125次。5种级配混合料密实曲线见图5，可见Ⅰ型级配与其他4种级配前40次的密实曲线存在明显差别，表明前40次Ⅰ型级配比其他4种级配混合料更难压实，但5种级配的最终密实度均比较相近。

将图5中曲线转换成半对数坐标下的压实次数－空隙率曲线，见图6，按公式（1）拟合，直线相关系数R介于0．94～0．99，5种级配压实参数见表3，密实曲线平均斜率k1、k2、CEI与级配关系见图7、8。图7表明，5种级配的k1＞k2，表明第1阶段压实速率大于第2阶段；表3中5个级配压实阶段拐点处密实度基本达到97%，表明压实主要发生在第1阶段。

图5 五种级配的密实曲线

图6 压实次数－空隙率曲线

表3 五种级配混合料的压实特性参数数据

图7表明，2阶段内5种级配密实曲线平均斜率k1、k2由大到小为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，说明粗级配环氧沥青混合料压实速率高于较细级配环氧沥青混合料压实速率。

图7 五种级配密实曲线平均斜率k1、k2

图8 五种级配密实能量指数

由图8可见，5种级配密实能量指数CEI由大到小为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，说明粗级配环氧沥青混合料比细级配更难压实，粗集料混合料需要更大压实功来克服集料之间的阻力［15］。

4 温度对环氧沥青混合料压实特性的影响

压实温度是影响沥青混合料压实效果、体积特性及稳定度的重要因素［16－17］。为评价成型温度对环氧沥青混合压实特性的影响，选择Ⅰ型、Ⅴ型级配进行分析，一般热拌环氧沥青混合料出料温度控制在165℃～185℃，故分别在165℃、175℃、185℃旋转压实125次成型试件。图9、10分别是Ⅰ型、Ⅴ型级配不同温度下成型的密实曲线，将图9、10中的旋转压实曲线转换为半对数坐标下的空隙率－压实次数曲线，见图11、12。按照公式（1）拟合，压实特征参数k1、k2、CEI与成型温度的关系分别见图13～15。

图9 Ⅰ型级配不同温度的密实曲线

图10 Ⅴ型级配不同温度的密实曲线

图11 Ⅰ型级配空隙率－压实次数曲线

图13 表明，随着压实温度提高到175℃，Ⅰ型和Ⅴ型环氧沥青混合料密实曲线的平均斜率k1明显下降，表现为压实速率下降，而表4中的数据表明，温度提高，达到97%密实度所需的压实次数明显减少。压实温度由175℃提高到185℃，Ⅰ型和Ⅴ型混合料密实曲线的平均斜率k1变化不明显。图14表明密实曲线平均斜率k2随温度变化较小，说明提高温度对于第2阶段压实特性影响较小。

图12 Ⅴ型级配空隙率－压实次数曲线

图13 压实温度与平均斜率k1关系

图15 表明，随着压实温度提高，密实能量指数CEI呈下降趋势，这是由于提高温度可以减小环氧沥青黏度，起到减小压实功的作用。温度由165℃升至175℃时压实效果提升更明显，175℃以上压实效果提升不显著，故推荐该热拌环氧沥青混合料施工最佳碾压温度为175℃。

图13～15表明，提高压实温度，Ⅰ型级配的k1、k2、CEI变化较Ⅴ型级配更显著，说明粗级配混合料压实特性对压实温度更敏感，提高压实温度对粗级配环氧沥青混合料压实效果改善更显著。

图14 压实温度与平均斜率k2关系

图15 压实温度与密实能量指数关系

5 工程应用

江顺大桥钢桥面铺装环氧沥青混合料矿料级配组成为：铺装上面层为表1中的级配I，铺装下面层为表1中的级配V。下面层级配V是典型连续密级配，压实工艺成熟。为了提高铺装表面抗滑性能，上面层采用了较粗级配，但缺乏相关压实经验。为确定上面层压实工艺，根据环氧沥青混合料压实规律，初压温度为175℃，压实度设计要求大于97%，设计了3种压实方案进行比较评价，见表4，表中数据显示，下面层铺装压实度达到了设计要求，上面层方案2、3的铺装压实度能满足要求，为了保证铺装质量的可靠性，在抗滑性能满足要求前提下，确定正式施工采用方案3进行压实。江顺大桥钢桥面铺装压实施工、铺装表面状态及通车3年后铺装状况照片见图16。

表4 压路机组合及碾压遍数

图16 江顺大桥钢桥面铺装施工及状况照片

6 结 语

（1）热拌环氧沥青混合料密实曲线约在97%处出现拐点，呈现出2阶段压实特性，第1阶段密实度增加较快，第2段密实度增加缓慢。过度压实会导致混合料强度下降，应该合理控制压实次数。

（2）热拌环氧沥青混合料压实速率k、密实能量指数CEI与级配类型具有显著相关性，粗级配参数值较高，细级配参数值较低，即粗级配环氧沥青混合料压实难度较大，但压实速率较快。提高粗级配环氧沥青混合料压实温度，比细级配混合料更能有效提高压实效果。

（3）压实温度从165℃提高到175℃，达到设计压实度的压实次数显著下降；压实温度从175℃提高到185℃，压实参数变化较小，压实性能改善不明显。该热拌环氧沥青混合料最佳碾压温度为175℃，最佳压实温度区间为165℃～175℃。

（4）试验确定了江顺大桥环氧沥青铺装压实工艺参数，经检测铺装层压实度、抗滑性能和平整度满足设计要求，3年通车运行检验表明，钢桥面铺装综合路用性能良好。