钢桥面铺装用环氧沥青混合料抗反射裂缝性能试验

郑 祯 牟压强 郭大进 徐默楠 王永俊 刘维娟 郭荣鑫* 封基良

(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1) 昆明 650504)(楚雄彝族自治州自然资源和规划局2) 楚雄 675000) (云南省交通规划设计研究院有限公司3) 昆明 650000)(昭通昭乐高速公路投资开发有限公司4) 昭通 657000) (云南畅坦科技有限公司5) 昆明 650500)

0 引 言

常用评价沥青混合料抗裂性能的试验方法主要有：劈裂试验、四点弯曲试验和半圆弯曲试验等，这些试验方法与沥青混合料实际服役过程中受力情况存在较大差异，导致试验测试结果存在不客观性，进而导致沥青路面结构设计的不合理性，严重影响了沥青路面的耐久性与可靠性[1-2]．而overlay tester(OT)试验可模拟沥青铺装层受下部水平拉应力情况下的抗裂性能，与实际沥青铺装层反射裂缝发展过程的受力状况比较吻合，且试验试件制备方法简单、用时短，可较好地评价加铺在旧沥青路面、原有水泥混凝土路面及钢桥面板沥青混合料面层的抗反射裂缝性能[3-4]．

美国德克萨斯州交通研究中心已颁发的TEX-248-F规范，对OT试验参数做了一些规定,其中要求采用水平位移控制模式，目标位移值为0.635 mm(没有给出任何解释)．文献[5]利用有限元程序对规范目标位移值是否适用于评价钢桥面铺装层材料抗反射裂缝性能进行了验证，结果得出规范目标位移值不适用于评价钢桥面铺装层材料抗反射裂缝性能，并推荐0.063 mm作为目标位移值．

为验证规范要求目标位移0.635 mm及文献[5]推荐目标位移值0.063 mm是否适用于分析钢桥面铺装用环氧沥青混合料的抗反射裂缝性能，同时为探究外界环境因素对其抗反射裂缝性能的影响．设置0.063，0.135，0.235和0.635 mm四个目标位移值．根据确定的最佳目标位移值，测定环氧沥青、SBS改性沥青混合料在常规条件下及长期老化、冻融后的抗反射裂缝性能，揭示环氧沥青混合料的抗反射裂缝性能衰变规律．

1 试件制备

1.1 原材料

采用FY环氧沥青[6]和SBS改性沥青，其中FY环氧沥青A/B组分质量比例为100∶705，密度为1.081 g/cm3,断裂伸长率为246%，FY环氧沥青B组分配方由某科技有限公司提供，具体技术参数见文献[6]；SBS改性沥青为壳牌基质SBS I-D型改性沥青，其技术指标测试结果见表1．

表1 壳牌基质SBS Ι-D型改性沥青技术指标

选择SAC系列中的SAC-10作为试验用沥青混合料的矿料级配，混合料的粗集料选用玄武岩，细集料选用石灰岩，矿粉选用石灰岩矿粉,粗细集料和矿粉的技术性能均能满足文献[7]要求，SAC-10矿料级配见表2．环氧沥青和SBS改性沥青混合料的最佳油石比分别为5.0%、5.3%，两种沥青混合料的马歇尔试验结果见表3．

表2 SAC-10设计级配

表3 两种沥青混合料马歇尔试验结果

1.2 OT试件制备

1) 制备环氧沥青混合料OT试件 采用“后掺法”施工工艺拌制环氧沥青混合料，通过ZY-4型振动压实成型机成形尺寸为直径×厚度为150 mm×150 mm的试件(不断改变振动时间和振动频率，以目标空隙率为设计指标，最终确定击实频率为28 Hz，击实时间为50 s，一个试件所需的用量为6 649 g,分两层压实成型)，然后将成型好的试件带模放入120 ℃恒温烘箱中养生4 h，常温放置24 h．使用ZDQ95-8型油浸式连体切割机切割固化后的试件，得到尺寸为150 mm×76 mm×38 mm(长×宽×高)的标准OT试件．

2) 制备SBS改性沥青混合料OT试件 采用常规工艺拌和，拌和温度为175 ℃，压实温度为170 ℃，且成形后不需要养生，其余步骤均同上．

2 试件加载

试验参数见表4．加载前，需将切割好的标准OT试件用AB胶黏结在拉伸底盘上，每个试件上放置0.8 kg的配重块，待24 h后认为强度足够，即可将整个试件安装在OT试验机上，试件需保温4 h以上才可开始加载．

表4 OT试验参数设置

OT试验机在加载过程中可自动记录第一个周期拉伸荷载峰值F、每个周期的拉伸荷载峰值、试验周期数N、荷载损失率R、位移L和温度T等参数．引入总断裂能G和第一周期断裂能Gf来进一步评价钢桥面铺装用材料的抗反射裂缝性能，其中总断裂能由每个周期拉伸荷载峰值-周期数关系曲线下所包围的面积(即整个周期内所有荷载的总和)表示混合料开裂的总断裂能，见图1.试件第一周期开裂所需断裂功W，见图2．

图1 总断裂能示意图

图2 第一周期断裂功W

第一周期断裂能Gf评价试件初期抗裂性能，即

Gf=W/t×b

(1)

式中：Gf为断裂能，J/m2；W为断裂功，J；t为试件厚度，m；b为试件宽度，m．

3 试验结果分析

3.1 不同目标位移值下的OT结果

常规条件下，环氧沥青混合料OT试件在0.063，0.135，0.235及0.635 mm四个目标位移值下的OT试验结果见表5，相应的拉伸荷载峰值-周期数关系曲线见图3．通过Origin对关系曲线进行拟合，拟合结果见表6．

表5 四个目标位移值OT试验结果

图3 四个目标位移值对应的拉伸荷载峰值-周期数关系曲线

表6 四个目标位移值对应的拉伸荷载峰值-周期数关系曲线拟合结果

综合考虑四个目标位移值条件下重复试验结果的标准差、拉伸荷载峰值与试验循环周期数关系曲线拟合公式的拟合逼近程度(对数函数或幂函数拟合)及试验过程试件的损伤程度，最终推荐0.135 mm作为环氧沥青混合料OT试验的目标位移值．

3.2 常规条件下的OT结果

常规条件下，环氧沥青及SBS改性沥青混合料OT试验结果见表7．

由表7可知:两种沥青混合料的试验周期数N均能达到1 200次，且荷载损失率R值均小于93%；当周期数达到1 200次时，环氧沥青混合料的荷载损失率R仅为SBS改性沥青的一半；环氧沥青混合料总断裂能G是SBS改性沥青的3倍；环氧沥青混合料第一周期拉伸荷载峰值F、第一周期开裂所需断裂功W及断裂能Gf均大于SBS改性沥青混合料，说明环氧沥青混合料在初期形成反射裂缝需要更多的力和能量．

表7 常规条件下两种沥青混合料OT试验结果

3.3 长期老化后的OT结果

将试件放入85 ℃烘箱中进行高温老化，在强制通风条件下连续加热5 d，之后关闭烘箱，经自然冷却16 h后，开展OT试验，试验结果见表8．

表8 长期老化后两种沥青混合料OT试验结果

由表8可知：长期老化对环氧沥青混合料的破坏较为明显，而对SBS改性沥青混合料的破坏则影响较小．即便环氧沥青混合料荷载损失率较SBS改性沥青大，但在裂纹起裂、发展、扩展三个阶段的破环所需的断裂能仍比SBS改性沥青多，说明环氧沥青混合料具有良好的抗反射裂缝性能．

3.4 冻融后的OT结果

在97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)条件下真空饱水15 min，然后在(-18±2) ℃温度下冷冻(16±1) h，最后在(60±0.5) ℃恒温水槽中保温24 h，作为一次冻融循环．两种沥青混合料在经过冻融破坏后的OT试验结果见表9．

由表9可知:冻融破坏对环氧沥青混合料的破坏较为明显，而对SBS改性沥青混合料的破坏则影响较小，这与混合料的空隙率有关，致密的结构会降低水对混合料结构的影响．即便环氧沥青混合料荷载损失率较SBS改性沥青大，但在裂纹起裂、发展、扩展三个阶段的破环所需的断裂能仍比SBS改性沥青多，说明环氧沥青混合料本身具有良好的抗反射裂缝性能．

在不同条件下两种沥青混合料OT指标变化规律见图4[8-9]．

图4 在不同条件下两种沥青混合料OT指标变化规律

3.5 OT曲线拟合

采用式(2)～(3)对常规条件下及长期老化、冻融破坏后两种沥青混合料的拉伸荷载峰值-周期数关系曲线进行(幂函数或对数函数)拟合，拟合结果见表10．

表10 不同环境条件下OT拉伸荷载峰值-周期数关系曲线拟合结果

y=a×xb

(2)

y=A×lnx+B

(3)

式中：系数a为第一周期拉伸荷载峰值，表征初始荷载的大小；b为反射裂缝扩展速率；A为荷载梯度，表征荷载速率变化的快慢；B代表第一周期拉伸荷载峰值，表征初始荷载的大小．

由表10可知:在3种情况条件下，环氧沥青混合料的拉伸荷载峰值-周期数关系曲线变化规律十分符合对数函数的变化规律，变异系数R2均达到0.95以上，根据对数函数的参数A可发现环氧沥青混合料在3种环境下反射裂缝扩展速率的顺序为：冻融(-0.332)>长期老化(-0.311)>常规(-0.212)；而SBS改性沥青混合料的拉伸荷载峰值-周期数关系曲线变化规律比较符合幂函数的变化规律，根据幂函数的参数a可发现SBS改性沥青混合料在3种环境下反射裂缝扩展速率相差不大，进而推断出长期老化、冻融破坏对SBS改性沥青混合料抗反射裂缝性能影响较小．

4 结 论

1) OT试验可以有效评价钢桥面铺装用环氧沥青混合料的抗反射裂缝性能．针对钢桥面铺装用环氧沥青混合料的OT试验，0.135 mm目标位移值与0.063，0.235，0.635 mm目标位移值相比具有以下特点：试验结果标准差最小、拉伸荷载峰值与试验循环周期数关系曲线拟合公式拟合程度最高、试验过程拉伸荷载峰值与试验循环周期数关系曲线与OT试验测试常规材料时的变化规律最为接近，推荐0.135 mm作为钢桥面铺装用环氧沥青混合料OT试验的目标位移值．

2) 环氧沥青混合料相较于SBS改性沥青混合料具有较强的抗反射裂缝性能．长期老化、冻融破坏处理对环氧沥青混合料抗反射裂缝性能影响较为显著，对SBS改性沥青混合料的影响则较小．冻融破坏对两种沥青混合料抗反射裂缝性能的影响较长期老化大．

3) 环氧沥青混合料的拉伸荷载峰值-周期数曲线符合对数函数变化规律，SBS改性沥青混合料的最大荷载-周期数曲线符合幂函数变化规律．

4) 文中通过室内试验，推荐了钢桥面铺装用环氧沥青混合料OT试验的目标位移值，但该目标位移值与钢桥面铺装材料受力变形特点的关联性有待验证，还需从钢桥面受力结构、受力状态，裂缝成因，应力/应变等方面开展更深入的研究．