环氧树脂沥青混合料的温度适应性研究

2021-12-28王保生

山西交通科技 2021年5期

王保生

（山西交控路网应急指挥中心，山西太原 030006）

受大风影响较多地区的桥梁，如其跨径比较大，加上桥梁自身整体刚度不大，台风或者地震作用下，其桥面板以及路面都会产生很大的变形，同时铺装的普通沥青路面由于其韧性不足，极易产生破坏，桥梁对沥青路面的各项技术指标要求更为苛刻[1-2]。环氧树脂沥青由于强度高，韧性好，适应桥面变形和抗化学物质侵蚀能力强，常作为桥面铺装的良好材料[3-5]。王新明、赵锋军、闵召辉、黄卫[6-8]对环氧树脂沥青的黏弹性能进行了系统研究。为了改善环氧树脂沥青混合料的路用性能，延长其寿命周期，本文结合MTS加载、车辙和拉拔等室内试验，对不同温度条件下环氧树脂添加剂量对性能影响进行研究，从而确定最佳环氧树脂掺量，为桥面铺装环氧沥青材料的推广应用提供参考。

1 原材料

试验中采用的试验原材料主要包括环氧沥青树脂、70号A级道路石油沥青、集料和矿粉等。参照规范[9]，原材料技术性能见表1～表4所示。

表1 环氧树脂技术性能指标

表2 70号A级道路石油沥青检测结果表

表3 集料常规指标检测结果

表4 矿粉常规指标检测结果

基于以上原材料选择和性能结果，进行集料筛分试验和级配选择。表5为集料的百分通过率表，图1为相应级配图。

表5 集料的百分通过率/%

图1 集料级配图

当油石比为6.5%时，3种级配的沥青混合料的各项马歇尔体积指标见表6。

表6 各级配马歇尔体积性质

由表6中的数据可知，a、b、c三种级配均满足要求，因此采用更接近于目标空隙率的级配b作为最终试验的设计级配，具体级配结果为AC-25C。

2 试验方案

为确定最优环氧沥青掺量，拟研究10℃、0℃和-5℃三种不同温度条件下，环氧树脂的添加剂量对沥青混合料的黏弹性能、抗疲劳性能、高温性能，以及桥面铺装层与桥面板之间的黏结性能的影响。其中高温性能车辙试验汇总，采用45℃、60℃和75℃三种不同的温度。45℃模拟的是常温状态，阳光照射下，沥青路面的温度；60℃在车辙试验中通常用来模拟沥青路面的极限高温状态，作为一个对比试验组；75℃模拟的是国内夏季高温地区，在高温天气时，黑色路面吸热达到的极端温度。结合工程经验，试验试件采用油石比均为6.5%，图2为方案设计流程图。

图2 试验方案流程图

3 试验结果及分析

3.1 黏弹性能试验结果与分析

采用小梁弯曲蠕变来测试试件的黏弹性能。以蠕变试验弯拉应变为检测指标，通过蠕变试验研究环氧树脂混合料在10℃、0℃和-5℃三种温度条件下，不同的环氧树脂添加剂量对环氧树脂混合料的黏弹性能影响。试验设备为MTS试验机，有效试验时间为60 min。每组试验的平行试验有效试件个数不得小于3个，记录平行试验所有试件的蠕变弯拉应变，取其均值作为最终试验结果。其试验结果如图3所示。

图3 弯拉应变与环氧树脂掺量的关系

由图3可知，在温度为10℃的环氧树脂沥青混合料试件的弯拉应变，随着环氧树脂掺量的增加而逐渐增大。温度为-5℃和0℃的环氧树脂沥青混合料试件的弯拉应变，随着环氧树脂掺量的增加而逐渐减小。这是因为环氧树脂在温度低于0℃的情况下是一种易脆性材料。当沥青混合料的试验温度在0℃以下时，随着沥青混合料中环氧树脂添加剂量的增加，其低温易脆性材料在混合料中的比重越来越大，因此环氧树脂沥青混合料的弯拉应变就会越来越小。相反，如果在0℃以上，沥青混合料随着环氧树脂材料添加剂量的增加，能够有效增强整体结构的柔韧性和流变性。因此10℃的环氧树脂沥青混合料具有较强的适应桥面板变形能力，性能表现更为优良。

3.2 高温稳定性试验结果与分析

采用车辙试验来测试不同环氧树脂添加剂量的试件高温性能。在车辙试验中采用45℃、60℃和75℃三种不同的温度。以动稳定度为检测指标，对比研究45℃、60℃和75℃三种温度条件下，不同改性剂掺量对混合料高温性能影响。其试验结果如图4所示。

图4 动稳定度与环氧树脂掺量的关系

由图4中可知，3种不同温度的试件在不添加环氧树脂的条件下其动稳定度均不满足规范中桥梁路面大于等于3 000次/mm的要求。当加入环氧树脂15%以上时，均满足规范要求。在45℃、60℃和75℃三种温度条件下，环氧树脂添加剂量的增加，其动稳定度也随之提高。说明适当剂量的环氧树脂能够有效提高试件的高温性能。在环氧树脂掺量为0～35%时，环氧树脂沥青混合料在3种温度条件下的动稳定度提高非常明显。当环氧树脂添加剂量达到35%以上时，45℃试件的动稳定度提高0.2%，60℃试件的动稳定度提高0.7%，75℃试件的动稳定度提高0.7%，提高不明显，甚至呈现出下降趋势。由此说明，当环氧树脂的添加剂量为35%时，此时3种温度条件下的沥青混合料动稳定度增长速率达到最大值。在实际工程中，如果采用70号A级道路石油沥青来制备环氧树脂沥青混合料，建议环氧树脂材料的添加剂量为35%。

3.3 抗疲劳性能试验结果与分析

参照规范[9]，采用小梁弯曲试验，以试验加载次数为评价指标，加载方式为三分点加载，应力比（疲劳应力/破坏强度）采用0.4，对比研究环氧树脂混合料在10℃、0℃和-5℃三种温度条件下，不同的环氧树脂添加剂量对环氧树脂混合料的抗疲劳性能影响。每组试验的平行试验有效试件个数不得小于3个。其试验结果如图5所示。

由图5中可知，在10℃、0℃和-5℃三种温度条件下，环氧树脂沥青混合料的疲劳寿命，随着环氧树脂添加剂量的增加而升高。在环氧树脂掺量为0～35%时，沥青混合料的疲劳寿命提高速率均很大。当环氧树脂添加剂量达到35%以上时，10℃试件的疲劳寿命提高0.2%，0℃试件的疲劳寿命提高0.1%，-5℃试件的疲劳寿命提高0.1%。由此可知，当环氧树脂的添加剂量为35%时，此时3种温度条件下的沥青混合料疲劳寿命增长速率同时达到最大值。在桥面铺装材料中，建议环氧树脂材料的添加剂量为35%，此时环氧树脂沥青混合料的疲劳寿命能够达到较优水平，可以有效降低维修养护的次数，一定程度节省建设成本。

图5 疲劳寿命与环氧树脂掺量的关系

3.4 黏结性能试验结果与分析

参照规范[9]，通过拉拔试验对比研究环氧树脂混合料在10℃、0℃和-5℃三种温度条件下，不同的环氧树脂添加剂量对环氧树脂混合料与桥面板间的黏结性能影响。将试件放入10℃、0℃和-5℃三种温度的冰箱中保温2.5 h，随后进行拉拔试验。试验结果如图6所示。

图6 拉拔强度与环氧树脂掺量的关系

由图6可知，在10℃、0℃和-5℃三种温度条件下，环氧树脂沥青混合料与桥面板间的黏结性能，随着环氧树脂添加剂量的增加而升高。且拉拔强度均满足以往工程设计经验大于等于1.2 MPa的要求。在环氧树脂掺量为0～35%时，铺装层与桥面板间的黏结性能提高速率均很大。当环氧树脂添加剂量达到35%以上时，10℃试件的黏结性能提高0.3%，0℃试件的黏结性能提高0.6%，-5℃试件的黏结性能提高0.7%，均不足1%。由此可知，当环氧树脂的添加剂量为35%时，此时3种温度条件下的铺装层与桥面板间的拉拔强度增长速率同时达到最大值。在桥面铺装材料中，建议环氧树脂材料的添加剂量为35%。