后掺法环氧沥青SAC-10混合料性能研究及对比分析

牟压强 马 永 郭大进 赵雁斌 张林艳 郭荣鑫

(楚雄彝族自治州自然资源和规划局1) 楚雄 675000) (云南宾南高速公路有限公司2) 大理 671000)(昆明理工大学建筑工程学院云南省土木工程防灾重点实验室3) 昆明 650504) (云南大学建筑与规划学院4) 昆明 650504)

0 引 言

环氧沥青混合料不仅抗滑衰减慢，强度高，耐疲劳性能和水稳定性能优异，而且具有优良的高、低温稳定性[1-2]，被广泛地应用于大型桥梁桥面铺装工程中[3].超薄磨耗层作为一种路面养护材料，可铺筑于路面的预防性和矫正轻微病害的养护中，也可应用于新建路面的磨耗层.

目前，国内外学者针对环氧沥青超薄磨耗层性能分析及材料优化方面的研究已经取得较为丰硕的成果，文献[4]通过试验证明了环氧沥青超薄磨耗层在性能方面确实可行.然而，环氧沥青混合料施工容许时间短导致其施工难度大的难题，严重阻碍了其大范围地推广使用[5-6].

为解决环氧沥青混合料因容留时间短导致其施工难度大的难题，课题组创新性地提出了“后掺法”施工工艺，该工艺可将环氧沥青混合料施工流程中的拌和、装料、运输及待料时间从施工容留时间中剔除，在容留时间内只需进行摊铺和碾压施工，质量可控性显著提升，使环氧沥青混合料拥有了大规模推广及应用的可能.为评价“后掺法”自主研发环氧沥青超薄磨耗层的性能，本文采用多碎石SAC-10矿料级配和自主研发的环氧沥青材料，通过“后掺法”工艺制备混合料试件，开展了系统的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性等路用性能测试，并引入了传统环氧沥青及SBS改性沥青SAC-10混合料[7]进行对比分析.此外，还使用UTM-30液压伺服多功能材料试验机测定了不同应力比条件下的“后掺法”自主研发环氧沥青与SBS改性沥青SAC-10混合料试件的疲劳寿命,通过Origin数学计算软件，对两种沥青混合料间接拉伸疲劳试验结果进行线性拟合，建立经典疲劳方程，并选取了综合修正系数K值对经典疲劳方程进行修正，计算两种材料的抗拉强度结构系数，为环氧沥青钢桥面铺装的结构设计与施工技术提供参考.

1 原材料性质与设计级配

1.1 原材料性能

采用的环氧沥青和SBS改性沥青指标均符合相关规程要求,其中环氧沥青A、B组分质量比为100∶750，主要性能指标见文献[6].试验采用的粗、细集料均产自昭通市镇雄县石子沟采石场，粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，填料采用石灰岩磨细得到的矿粉，由沥青拌和站加工生产.按照JTJ E42—2005《公路工程集料试验规程》相关规定，测试的粗、细集料及矿粉的主要物理性能指标见表1.

表1 粗细集料及矿粉试验结果

1.2 超薄磨耗层矿料级配选择及设计

多碎石SAC-10从1988年开发到现在，经过接近30年的适用和完善，应用技术已趋于成熟，根据国内应用技术成熟程度判断[8]，最终采用中断型多碎石SAC-10作为超薄磨耗层沥青混合料的矿料级配，选择其中值作为设计级配，多碎石SAC-10矿料级配范围见表2，最佳油石比为5.5%.

2 路用性能检验试验及对比分析

2.1 试件制备

在室内采用“后掺法”制备工艺，成型试验测试试件，环氧沥青混合料分两次拌和：第一次，将加热到120 ℃的环氧沥青B组分、粗细集料及填料倒入沥青混合料拌锅中搅拌180 s;第二次，按A∶B=100∶750的比例添加环氧沥青A组分，再搅拌180 s.将该工艺制备的环氧沥青SAC-10混合料按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[9]中相关试验方法成型试件，将成型后的试件置于120 ℃的恒温烘箱中养生4 h,然后室温条件静置24 h.测试的路用性能指标包括空隙率、马歇尔稳定度、浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度及低温弯拉应变，试验结果见表3.为反应试验结果所处水平，列出相同级配类型SAC-10的传统环氧沥青及SBS改性沥青混合料性能结果进行对比.

表3 不同胶结料SAC-10混合料性能试验结果

2.2 性能试验结果对比分析

由表3可知：与SBS改性沥青SAC-10混合料相比，“后掺法”自主研制环氧沥青SAC-10混合料马歇尔稳定度提升了7.78倍，浸水残留稳定度提升了0.74%，冻融劈裂强度比降低了7.07%，动稳定度提升了4.6倍，-10 ℃低温弯拉应变下降了8%.这主要是因为环氧沥青不同于热塑性的SBS改性沥青，其属于热固性材料，环氧沥青A组分与B组分混合料拌和均匀后，在高温养生的促进作用下，环氧树脂与固化剂会快速发生固化反应，生成具有不溶不熔的特性的立体互穿网络结构，沥青作为分散相均匀地填充于立体互穿网络结构中，因而具有更优越的力学性能[10]，但由于其空隙率稍大，导致其冻融劈裂强度比和低温弯拉应变较SBS改性沥青SAC-10混合料稍低.由表3可知，与传统环氧沥青SAC-10混合料相比，“后掺法”自主研制环氧沥青SAC-10混合料马歇尔稳定度提升了1.15倍，浸水残留稳定度提升了3.23%，动稳定度提升了14%，但冻融劈裂强度比及低温弯曲应变比传统环氧沥青SAC-10混合料略低.这主要是因为自主研制环氧沥青混合料强度较高，相应地就会导致其低温脆性变大.

综合各性能指标，“后掺法”制备的自主研制环氧沥青SAC-10混合料与传统环氧沥青SAC-10混合料在路用性能方面处于同一水平，且显著优于SBS改性沥青混合料，主要性能指标均满足GB/T30598—2014《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》中钢桥面用环氧沥青铺装层混合料使用性能要求.

3 间接拉伸疲劳试验及结果分析

选择SBS改性沥青SAC-10混合料进行对比.采用“后掺法”工艺，通过标准马歇尔试验方法，成型直径为(101±0.25)mm，高为(63.5±1.3)mm的自主研发环氧沥青混合料试件，试件空隙率为3.0%，将成型后的试件置于120 ℃的恒温烘箱中养生4 h,然后室温条件静置24 h.参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型标准尺寸的SBS改性沥青混合料试件，试件空隙率为2.8%.

3.1 混合料劈裂强度

在进行间接拉伸疲劳试验前，参照规程(E20)沥青混合料劈裂试验中的相关方法，利用CSS-44100电子万能试验机测定两种沥青混合料的劈裂强度，为下一步应力控制疲劳试验各应力水平的计算提供基础，两种沥青混合料的劈裂强度测试结果如表4所示.根据规程[7]中(沥青混合料劈裂强度值与平均值之差应小于等于标准差的1.46倍)对试验结果进行异常值筛选，以消除试验结果误差，结果显示数据均合格，同时通过表4可以看出“后掺法”自主研发环氧沥青混合料的劈裂强度是SBS改性沥青混合料的2.58倍.

表4 两种沥青混合料劈裂试验结果

3.2 混合料间接拉伸疲劳试验

使用UTM-30在恒温15 ℃、应力控制模式、无间歇时间及正弦波条件下，对“后掺法”自主研发环氧沥青及SBS改性沥青SAC-10混合料进行应力水平分别为0.4～0.7的间接拉伸疲劳试验，同一应力水平下平行试验数为4个，使用UTM-30测试材料疲劳过程见图1，两种沥青混合料在相应应力水平下的疲劳试验结果见表5.

表5 两种沥青混凝土间接拉伸疲劳试验结果

由表5可知，应力水平对疲劳寿命有显著影响，当应力水平由0.4增加到0.7时，环氧沥青混合料的疲劳寿命由1 551 740次降低到153次，降幅接近100%；SBS改性沥青混合料的疲劳寿命由5 629次降低到538次，降幅达90.4%.可见，加强交通管控，严格限制重载、超载车辆通行，将大大提高路面的疲劳寿命，延长路面使用年限.当应力比为0.4时，环氧沥青混合料的循环荷载为15.108 kN，SBS改性沥青混合料的循环荷载为4.397 kN(仅为环氧沥青混合料循环荷载的29.1%)，而环氧沥青混合料的疲劳寿命却是SBS改性沥青的275.7倍，可知环氧沥青混合料拥有优异的疲劳性能.

3.3 疲劳寿命回归方程的建立

研究资料表明[11]，沥青混合料间接拉伸疲劳性能试验采用应力控制模式时，疲劳寿命对数与施加的循环荷载应力值对数呈线性分布规律，由此建立典型的回归方程为

lnNf=-n·lnδ0+lnK

(1)

式中：Nf为疲劳寿命，次；δ0为试件施加应力值，kPa;K,n为疲劳特征待定系数.

根据表5可知：建立环氧沥青混合料及SBS改性沥青混合料的lnNf-lnδ0关系曲线，见图2.由图2可知:恒温15 ℃条件下，环氧沥青混合料间接拉伸疲劳性能与SBS改性沥青混合料变化趋势一致，即随着循环荷载应力值的增大，混合料的疲劳寿命逐渐减小，同时可以看出循环荷载应力值对数与疲劳寿命对数呈线性关系.

图2 疲劳寿命曲线

两种沥青混合料经典疲劳方程的回归系数K和n,结果见表6，表6中的R2为相关系数.由表6可知，两个疲劳寿命回归方程均有较高的精度，但从理论上来讲，循环荷载应力值决定间接拉伸疲劳寿命的大小，因此回归方程(1)中，以循环荷载应力值对数为自变量，以疲劳寿命对数为因变量，与疲劳理论相符，具有较高的合理性.此外，该回归方程相比经典疲劳方程，更适用于利用数学计算软件分析回归曲线和系数.

表6 两种沥青混合料经典疲劳方程及相应的系数

参照文献[11]，选取沥青混合料室内应力控制模式疲劳试验综合修正系数K值(K=1 216.7)对所得经典疲劳方程进行修正，见式(2)，修正后两种沥青混合料的疲劳方程及回归系数见表7.

表7 修正后沥青及环氧沥青混合料疲劳方程及回归系数

Ne=K·Nf

(2)

式中：Ne为修正沥青混合料疲劳寿命；K为综合修正系数；Nf为试验测试出的疲劳寿命.

3.4 抗拉强度结构系数

沥青混合料的极限劈裂强度与容许拉应力之比称之为抗拉强度结构系数[12-13]，对修正后的疲劳方程计算抗拉强度结构系数如下.

将劈裂疲劳试验得到的疲劳方程Nf=K·δ-n进行变换.

(3)

(4)

由于室内试验试件的受力情况与实际道路间存在差异而采用综合修正系数，室内重复荷载Nf与实际路面累计荷载当量轴次Ne之间关系为Ne=K·Nf，则关系式(4)变为

(5)

(6)

利用式(3)～(6)，计算两种材料的KS值，假设设计交通量为1×108，计算得到的环氧沥青及SBS改性沥青抗拉强度结构系数见表8.

表8 两种沥青混合料抗拉强度结构系数

由表8可知，SBS改性沥青混合料抗拉结构强度系数为4.82，环氧沥青混合料的抗拉强度结构系数为2.18，为普通沥青混合料的45%，所以采用环氧沥青混合料铺筑沥青面层时，可以大大降低结构层的厚度.因此，环氧沥青混合料更适用于钢桥面铺装应用，它可以降低桥面铺装层的厚度，提高铺装层的高温性能和疲劳性能.

4 结 论

1)采用“后掺法”制备的自主研制环氧沥青SAC-10混合料的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性等路用性能均高出规范规定值，满足GB/T 30598—2014规范中钢桥面铺装层混合料用环氧沥青材料的各项指标要求.

2)通过路用性能试验结果的对比分析得出：采用“后掺法”制备的自主研发环氧沥青SAC-10混合料与传统环氧沥青SAC-10混合料处于同一水平，显著优于SBS改性沥青SAC-10混合料，可满足重载交通的使用需求.

3)采用“后掺法”制备的自主研发环氧沥青SAC-10混合料与SBS改性沥青SAC-10混合料的间接拉伸疲劳试验结果表明，环氧沥青SAC-10混合料拥有优异的疲劳性能，且环氧沥青混合料更适用于钢桥面铺装应用，可适当降低铺装厚度，同时也可以提高铺装层的高温性能和疲劳性能.