玻璃纤维改性环氧沥青混合料路用性能试验研究

李艳丽

（平顶山市公路工程质量检测中心， 河南 平顶山467000）

0 引言

环氧沥青主要由环氧树脂、 固化剂、 石油沥青等混配而成， 因环氧树脂的热固性优赋予了环氧沥青有更好的物理及力学性能［1-2］。 相较于普通沥青混合料路面， 环氧沥青路面的刚度强度、 变形协调能力、 高温抗车辙能力、 抗剪能力及抗疲劳损伤能力更加优异， 因此被广泛的应用于重载道路、 钢桥面铺装等工程建设中［3-4］。 尽管环氧沥青混合料的使用性能良好， 但在我国复杂环境下的重载道路沥青路面使用中表现仍有些不足， 而如何改善多因素耦合作用下环氧沥青混合料的性能已成为现阶段道路研究者需要重点关注的课题。

近年来， 国内学者在环氧沥青混合料性能改善方面进行了不少研究， 如刘勇［5］研究了不同矿料含水率条件下冷拌环氧沥青混合料的力学强度及路用性能变化规律， 研究表明矿料含水率过高会削弱混合料的路用性能； 顾晓燕等［6］采用低温弯曲试验与疲劳试验， 系统评价了不同掺量聚酯纤维改性环氧沥青混凝土的低温抗裂性及抗疲劳性， 结果表明0.3%聚酯纤维能够有效提升混合料的柔性与韧性； 孙文成等［7］采用马歇尔、 强度追踪、 黏度等室内试验， 针对冷拌环氧沥青混合料的性能影响施工因素进行了分析； 郝增恒等［8］对5种不同70＃基质沥青的高韧性环氧沥青混合料进行了路用性能比较分析， 研究表明基质沥青对混合料性能的影响较小。 本文通过采用车辙、 小梁弯曲、 浸水马歇尔、 冻融劈裂及疲劳弯曲试验， 重点考察了玻璃纤维掺量对不同AC 级配环氧沥青混合料的路用性能影响规律， 旨为高性能环氧沥青混合料的设计及应用提供技术支撑。

1 试验材料及方案

1.1 原材料

（1） 环氧沥青： 采用河南某沥青厂家生产的环氧树脂沥青， 经检测各项性能指标如表1 所示。

表1 环氧树脂沥青的性能指标Table 1 Performance indexes of epoxy resin asphalt

（2） 集料： 粗、 细集料均采用玄武岩， 其中粗集料吸水率＜1%， 针片状颗粒含量＜3%， 压碎值为8.2%， 磨耗值为13.5%； 细集料表观密度为2.727g／cm-3， 吸水率为1.36%， 砂当量为78.9%，棱角性为20.7 s， 集料的各项技术指标满足相关规范要求。

（3） 矿粉： 采用石灰岩矿粉， 其主要技术指标如表2 所示。

（4） 纤维： 选用白色的无碱短切玻璃纤维，其主要技术性能指标如表3 所示。

表3 玻璃纤维技术指标Table 3 Technical indicators of dlass fiber

1.2 试验方案

试验采用AC-10、 AC-13、 AC-20 三种类型级配， 矿料级配如表4 所示。 根据相关文献［9-11］分别采用0、 0.1%、 0.2%、 0.3%、 0.4%的玻璃纤维掺入环氧沥青混合料中， 然后分别采用高温车辙试验、 低温小梁三点弯曲试验、 浸水马歇尔试验、 冻融劈裂试验及四点弯曲试验来评价环氧沥青混合料的路用性能， 其中车辙试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度为70℃； 小梁三点弯曲试件尺寸为250 mm×35 mm×30 mm， 试验仪器为万能材料试验机（ UTM）， 试验温度为-10℃； 浸水马歇尔和冻融劈裂试件尺寸为Φ101.6 mm×63.5 mm， 试验温度为水浴60℃， 冻融-10℃； 四点弯曲试件尺寸为350 mm×70 mm×70 mm， 试验温度为10℃。

表4 环氧沥青混合料设计级配Table 4 Design grading of epoxy asphalt mixture

2 试验结果及分析

2.1 高温稳定性

玻璃纤维改性AC-10、 AC-13、 AC-20 级配环氧沥青混合料的高温车辙试验结果如图1 所示。

图1 环氧沥青混合料高温车辙试验结果Fig.1 High-temperature rut test results of epoxy asphalt mixture

由图1 可知， 不同级配玻璃纤维改性环氧沥青混合料的动稳定度指标均符合规范要求； 在相同玻璃纤维掺量条件下， 级配公称最大粒径越大， 环氧沥青混合料的动稳定度也就越大， 即说明环氧混合料的高温稳定性随着级配公称最大粒径的增大逐渐升高。 随着玻璃纤维掺量的增加，各级配环氧沥青混合料的动稳定度均呈先增大后减小变化趋势， 其中当玻璃纤维掺量为0 时，AC-10、 AC-13、 AC-20 级配环氧沥青混合料的动 稳 定 度 分 别 为9755 次／mm、 11083 次／mm、12791 次／mm， 而当玻璃纤维掺量为0.3%时， 三种级配环氧沥青混合料的动稳定度分别增至13555 次／mm、 14669 次／mm、 16158 次／mm， 即分别提高了39%、 32.4%、 26.3%， 说明玻璃纤维能够有效改善环氧沥青混合料高温抗车辙变形的能力， 原因是玻璃纤维的弹性模量、 抗拉强度较高且具有一定的韧性， 将其掺入环氧沥青混合料内能够形成三维网状结构， 并在沥青胶浆与集料之间起到良好的加筋作用， 从而有效抑制了集料间的滑移能力， 因此增强了环氧沥青混合料的高温抗变形性能。

2.2 低温抗裂性

玻璃纤维改性AC-10、 AC-13、 AC-20 级配环氧沥青合料的低温弯曲试验结果如图2 所示。

图2 环氧沥青混合料低温弯曲试验结果Fig.2 Low-temperature bending test results of epoxy asphalt mixture

根据图2 可以看出， 三种级配玻璃纤维改性环氧沥青混合料的最大弯拉应变指标均满足规范要求， 在相同纤维掺量情形下， 级配公称最大粒径越大， 环氧沥青混合料的最大弯拉应变也就越小， 即环氧混合料的低温抗开裂性随着级配公称最大粒径的增大逐渐降低。 随着玻璃纤维掺量的增加， 三种级配玻璃纤维改性环氧沥青混合料的最大弯拉应变均呈先增大后减小的发展趋势， 其中当玻璃纤维掺量由0 增至0.3%时， 最大弯拉应变呈逐渐增大变化， 而当玻璃纤维继续增至0.4%时， 最大弯拉应变则呈逐渐减小变化； 在玻璃纤维掺量为0.3%时， 三种级配混合料的最大弯拉应变都达到了峰值， 相较于未掺纤维分别增长了41.1%、 44.1%、 38.9%， 说明玻璃纤维能够明显提升环氧沥青混合料低温抗开裂能力， 原因是玻璃纤维具有一定的加筋、 阻裂及增韧的作用， 其在环氧沥青混合料中均匀分布形成三维空间网状结构， 更有利于应力的分散和传递， 因此可有效抑制低温、 荷载耦合作用下裂缝的产生与发展。

2.3 水稳定性

玻璃纤维改性AC-10、 AC-13、 AC-20 级配环氧沥青合料的抗水损害性能采用浸水马歇尔试验MS0与冻融劈裂试验TSR进行评价， 水稳定性试验结果如图3 所示。

图3 环氧沥青混合料水稳定性试验结果Fig.3 Water stability test results of epoxy asphalt mixture

由图3 可知， 三种级配玻璃纤维改性环氧沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比指标均远超规范的最低要求， 在相同纤维掺量情形下， 级配公称最大粒径越大， 混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比也就越小， 即环氧混合料的抗水损害性能随着级配公称最大粒径的增大逐渐降低。 随着玻璃纤维掺量的增加， 各级配玻璃纤维改性环氧沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈先增大后减小变化， 其中当玻璃纤维掺量由0 增至0.3%时， 浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈逐渐增大变化， 而当玻璃纤维继续增至0.4%时， 浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比则均有所减小； 掺入玻璃纤维能够一定程度的提升环氧沥青合料的抗水损害能力， 原因是玻璃纤维比表面积较大， 能够吸附一定的自由沥青， 使得粗集料的沥青膜厚度增大， 从而增强了沥青胶浆与集料间的粘附性， 因此抗水损害性能有所提升。

2.4 抗疲劳性能

试验采用600με、 800με、 1000με 三种应变控制水平进行弯曲疲劳试验， 不同级配玻璃纤维改性环氧沥青混合料的疲劳试验结果如图4 所示。

图4 环氧沥青混合料疲劳试验结果Fig.4 Fatigue test results of epoxy asphalt mixture

由图4 可知， 随着应变控制水平或级配公称最大粒径的增大， 玻璃纤维改性环氧沥青混合料的疲劳寿命次数呈减小变化， 但均远大于相关规范的最低要求。 随着玻璃纤维掺量的增加， 不同应变水平、 级配的环氧沥青混合料疲劳寿命次数均呈先增大后减小变化， 其中当玻璃纤维掺量由0增至0.3%时， 疲劳寿命次数呈逐渐增大， 而当玻璃纤维继续增至0.4%时， 疲劳寿命次数则有所减小； 在600με、 800με、 1000με 应变控制水平下，掺加0.3%玻璃纤维环氧沥青混合料的疲劳寿命次数较于未掺都提高了36%以上， 说明玻璃纤维可以有效改善环氧沥青混合料抗疲劳破坏能力， 原因是玻璃纤维均匀分散于环氧沥青混合料中形成三维网状结构， 起到了良好的加筋、 增韧及阻裂等作用， 有利于结构应力的分散与传递， 故抗疲劳性能得到显著提升。

3 结论

（1） 随着玻璃纤维掺量的增加， 环氧沥青混合料的动稳定度、 最大弯拉应变、 浸水残留稳定度、 冻融劈裂强度比及疲劳寿命次数均逐渐增大；玻璃纤维有加筋、 增韧、 阻裂的作用， 通过掺加玻璃纤维能够有效提升环氧沥青混合料的路用性能， 其中高温抗稳定性、 低温抗裂性以及抗疲劳性的提升效果比较显著。

（2） 环氧沥青混合料的动稳定度随着级配公称最大粒径的增大逐渐增大， 而最大弯拉应变、浸水残留稳定度、 冻融劈裂强度比及疲劳寿命次数则随之逐渐降低； 级配公称最大粒径越大， 环氧沥青混合料仅高温稳定性表现越好， 而低温抗裂性、 水稳定性及抗疲劳性则表现越差， 因此环氧沥青混合料不建议选择公称最大粒径过大的级配。

（3） 综合玻璃纤维环氧沥青混合料的各项路用性能试验结果可知， 推荐采用掺量为0.3%的玻璃纤维改性， 有利于提升环氧沥青混合料的服役质量及使用寿命。