水泥混凝土橋面環氧瀝青混合料性能研究

李國明 韓明祥 夏爭志 張全敏 王向圓 楊拯 沈平 劉磊

摘要：簡要回顧環氧瀝青的發展歷史；提出拌制環氧瀝青混合料所需的結合料和集料的技術要求和級配要求；通過評價環氧瀝青混合料的溫度穩定性、水穩定性、抗疲勞性能和線收縮系數等指標，反應了其優越的綜合性能，有助于解決水泥混凝土橋面鋪裝因材料自身性能不足引起的推移、波浪、車轍、開裂、松散、坑槽等病害。

關鍵詞：水泥混凝土橋面；環氧瀝青混合料；綜合性能；耐久性

Cement Concrete Bridge Deck Epoxy Asphalt Mixture

Performance Study

LI Guo-min1,HAN Min-xiang1,XIA Zheng-zhi1, ZHANG Quan-min2,

WANG Xiang-yuan2,YANG Cheng1,SHEN Ping1,LIU Lei1

（1. Chongqing Road and Bridge Construction Fucheng FengShi Highway Overall Contracting Units，ChongQing 401147；2. Shanxi Luxiang traffic science and Technology Consulting Co., Ltd.，Taiyuan 030006）

摘要：A brief review of the history of development of epoxy asphalt; request Mixing Epoxy Asphalt Mixture required based on technical requirements for material and aggregate and gradation; By the index of temperature stability, evaluation of epoxy asphalt mixture water stability, fatigue resistance and coefficient of linear contraction, the reaction of the excellent comprehensive performance, help to solve the cement concrete bridge deck pavement because of the lack of material itself arising out of the performance of rutting, cracking, over time, the wave, loose, pits and other diseases.

關鍵詞：Cement concrete bridge deck; Epoxy asphalt mixture; Comprehensive performance; Durability

中圖分類號：U444文獻標志碼：A

1.前言

在20世紀60年代后期，環氧瀝青混合料已經開始研究和應用于鋼橋面鋪裝工程，至今已經得到了較為廣泛的推廣與應用。近年來，環氧瀝青混合料在水泥混凝土橋面鋪裝工程中也做了一些嘗試，并取得了良好的效果。

普通瀝青及改性瀝青均屬于熱塑性材料，具有高溫變軟、低溫變脆的特性，所形成的瀝青混合料亦具有此種特性。環氧瀝青屬熱固性材料，無論在高溫還是低溫條件下均為穩定的固態形式，因此，環氧瀝青混合料也是如此。本文通過環氧瀝青與其他熱塑性材料綜合性能對比研究，得出環氧瀝青及混合料的優越性能。

2.原材料

2.1環氧瀝青

環氧瀝青材料是由多個組分組成，首先，由4~6種組分（其中包含基質瀝青）在一定的溫度和時間條件下發生化學反應，使原本處于化學穩定狀態的基質瀝青變為具有一定活性的環氧瀝青B組分，再通過與環氧瀝青A組分（即環氧樹脂）之間發生化學反應，最終形成一種高強度的熱固性材料。研究選用TPM-JH-H（結合料）型的環氧瀝青材料。技術指標要求見表1。

表1 環氧瀝青物理力學指標

技術指標 檢測結果 技術要求 試驗方法

拉伸斷裂強度（23℃，MPa） 1.55 ≥1.0 Q/140000HLX

斷裂延伸率（23℃，％） 178.22 ≥150 Q/140000HLX

吸水率（7天，20℃，％） 0.10 ≤0.3 Q/140000HLX

粘度增加至1.0Pa·s的時間（120℃，min) 38 ≥30 T0625-2011

耐熱性（300℃） 不熔化 不熔化 Q/140000HLX

耐酸性（2%H2SO4，浸15d） 無異常 無異常 Q/140000HLX

耐堿性（2%NaOH，浸15d） 無異常 無異常 Q/140000HLX

耐鹽性（NaCl，浸15d） 無異常 無異常 Q/140000HLX

耐油性（柴油，浸15d） 無異常 無異常 Q/140000HLX

注：Q/140000HLX為某環氧瀝青生產單位企業標準。

2.2 集料

環氧瀝青混合料對集料的類型和質量要求相對嚴格，類型主要以玄武巖和石灰巖為主，上面層必須采用玄武巖集料，下面層采用玄武巖和石灰巖均可。

集料的質量技術指標需滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中高速公路表面層對集料的相關技術要求。

3.環氧瀝青混合料級配要求

瀝青混合料分為三個大類：即骨架空隙類、骨架密實類和懸浮密實類（見圖1）。骨架空隙類和骨架密實類的強度形成原理依賴于集料的最緊密排列原則和礦料之間的嵌擠作用，石油瀝青和聚合物改性瀝青混合料多采用此種結構；而懸浮密實類的強度來源主要是瀝青之間的高強粘結作用，環氧瀝青是一種熱固性的高強度粘結材料，因此，環氧瀝青混合料亦采用此種結構。環氧瀝青混合料級配范圍見表2和圖2。

a）b）c）

a-懸浮密實結構，b-骨架空隙結構，c-骨架密實結構

圖1 瀝青混合料結構組成示意圖

表2 環氧瀝青混合料級配范圍

級配

類型 通過下列篩孔（mm）的百分率（%）

16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

HLH-13-1 100 90-100 68-83 40-58 24-40 17-30 12-23 8-18 6-12 4-8

HLH-13-2 100 90-100 80-90 58-73 42-53 30-40 21-30 13-22 10-17 6-12

注：HLH-13-1適用于上面層， HLH-13-2適用于下面層。

圖2環氧瀝青混合料礦料級配曲線

4.環氧瀝青混合料綜合性能

目前，國內應用較為普遍的瀝青混合料有密級配瀝青混合料（AC類）和聚合物改性瀝青混合料（SBS改性）等。環氧瀝青混合料綜合性能分析通過與傳統瀝青混合料對比，綜合評價各種瀝青混合料的溫度穩定度性、水穩定性、抗疲勞性等技術指標。

4.1 溫度穩定性

（1）高溫穩定性分析

高溫車轍試驗是評價瀝青混合料高溫穩定性的主要方法。室內在120℃條件下成型養護（養護時間為6h）環氧瀝青混合料車轍試件，再與SBS改性瀝青混合料車轍試件同時置于60℃和70℃條件下進行車轍對比試驗。試驗結果見表3。

表3瀝青混合料車轍試驗結果

混合料類型 試驗溫度（℃） 動穩定度(次/mm) 總變形（mm） 備注

SBS改性瀝青 60 4370 2.55

70 3150 2.83

環氧瀝青 60 4050 1.57 未固化

60 45000 0.04 固化后

70 21000 0.70 固化后

從試驗結果可以看出：環氧瀝青混合料未固化時的動穩定度與SBS改性瀝青相當，固化完成后，其動穩定度可達到SBS改性瀝青的6倍以上，而變形不足1mm，說明環氧瀝青混合料具有極佳的高溫穩定性。

（2）低溫變形能力

評價瀝青混合料的低溫變形能力，通常通過混合料彎曲試驗進行。評價過程選擇環氧瀝青、AC改性瀝青和SMA三種瀝青混合料進行比較。試驗結果見表4。

表4 各類瀝青混合料彎曲試驗結果

混合料名稱 試驗溫度

（℃） 荷載PB

（N） 應變εB

（×10-3） 強度RB

（MPa） 彎曲勁度模量SB（MPa）

環氧瀝青 15 1804 4.01 13.90 3225

-10 2686 3.46 21.93 6344

-15 2561 2.60 20.30 7808

AC改性瀝青 15 780 10.56 5.95 563

-15 944 1.11 7.20 6486

SMA 15 624 13.25 4.73 355

-15 1161 1.25 8.80 7040

傳統瀝青混合料隨著環境溫度的降低，強度和勁度都有明顯增大，變形能力卻隨之降低，這一規律在表4中得到了充分的體現；而環氧瀝青混合料屬化學反應型熱固性材料，分子間化學反應一旦完成，溫度降低對其變形能力影響較小，從表4中可以看出，溫度從15℃降低至-15℃，環氧瀝青混合料應變僅減小35%，而其他瀝青混合料應變減小達90%；同時，在-15℃時，AC改性瀝青和SMA的低溫彎曲應變僅為環氧瀝青混合料的一半。由此可以得出：環氧瀝青混合料的不僅低溫變形能力對溫度影響不敏感，而且在低溫下，其變形能力較傳統瀝青混合料亦有較大優勢。

4.2 水穩定性

混合料水穩定性評價是瀝青混合料的一項重要指標，是避免瀝青路面發生水損壞的先決條件。瀝青混合料水穩定性常用的評價指標是浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比。

浸水馬歇爾殘留穩定度試驗用試件在120℃下成型并養護（6h以上）馬歇爾試件，并根據現行規范要求的試驗方法進行檢測。凍融劈裂試驗為在規定條件下對瀝青混合料進行凍融循環，測定混合料試件在受到水損害前后劈裂破壞的強度比。試件結果見表5。

表5 各種瀝青混合料水穩定性試驗結果

混合料類型 殘留穩定度（%） 劈裂強度比（%） 備注

AH-70瀝青混合料 84.5 83.2

SBS瀝青混合料 88.4 90.9

環氧瀝青混合料 94.3 93.8

由表5可以看出，各種瀝青混合料的殘留穩定度和劈裂強度比均滿足規范要求，但環氧瀝青混合料的各項指標最高，抗水損壞能力最佳。

4.3 抗疲勞性能

混合料的抗疲勞性能是評價橋面鋪裝層耐久性能的重要指標之一?？蛊谛阅芡ㄟ^在MTS試驗儀上進行劈裂疲勞試驗進行測試，得出的試驗結果如表6所示。

表6 混合料疲勞試驗結果（15℃）

試件類型 荷載(kN) 頻率(Hz) 加載次數 備注

AC改性瀝青 6 8 7344 試件表面出現縱向開裂

SMA 6 8 8079 試件表面出現縱向開裂

環氧瀝青 6 8 >30000 試件未破壞

18 5 18133 試件表面出現縱向開裂

由表6可看出：常溫下，在相同荷載（6kN）和頻率（8Hz）下，改性瀝青和SMA試件的平均劈裂疲勞壽命分別只有7344和8079多次，而環氧瀝青混合料的劈裂疲勞壽命遠遠大于它們（加載30000次未破壞）。環氧瀝青混合料試件在18kN、5Hz的條件下劈裂疲勞壽命達18133次，可見環氧瀝青混合料在超大荷載作用下也具有很高的疲勞壽命。

4.4線收縮系數

橋面鋪裝層的溫度變化幅度和速度遠大于路面。如鋪裝層與底部橋面板混凝土的脹縮系數相差過大，在鋪裝層內部及鋪裝層和混凝土界面上分別產生拉應力和層間剪應力?？赡軐е落佈b開裂或層間滑移，因此，研究環氧瀝青混合料的線收縮性能是非常必要的。試驗結果如表7所示。表中還分別列出了SMA和AC改性瀝青混合料在各溫度區間內的線收縮系數。

表7各類混合料在各降溫區間的線收縮系數（℃-1）

溫度范圍

混合料類型 5℃~ 0℃ 0℃~ -5℃ -5℃~ -10℃ -10℃~ -15℃ 平均

環氧瀝青 2.52×10-5 1.69×10-5 1.46×10-5 1.27×10-5 1.74×10-5

SMA 3.46×10-5 3.48×10-5 2.27×10-5 2.16×10-5 2.84×10-5

AC改性瀝青 4.89×10-5 2.789×10-5 3.14×10-5 2.62×10-5 3.36×10-5

在各溫度區間內，環氧瀝青混合料的線收縮系數都最小?？梢钥吹?，在-15℃~ 5℃范圍內值在1.3~2.5×10-5（℃-1）內變化。水泥混凝土的線性收縮系數大約為1.0~1.3×10-5（℃-1）。環氧瀝青混合料的線收縮系數與水泥混凝土最接近。尤其在低溫情況下，兩者幾乎相等。因此，由溫度引起的鋪裝層和橋面混凝土板之間的剪應力，在采用環氧瀝青混合料作為鋪裝材料時最小。

5 結語

與傳統瀝青混合料鋪裝材料相比，環氧瀝青混合料的溫度穩定性、水穩定性、耐疲勞能力和溫變線收縮系數等方面，均具有較好的表現?？山鉀Q現有水泥混凝土橋面鋪裝因材料自身性能不足引起的推移、波浪、車轍、開裂、松散、坑槽等病害，一方面可延長橋面鋪裝的耐久性和使用壽命，另一方面可減少了維修養護的次數，進而減少了由于維修而帶來的交通事故和環境污染，保持了良好的交通運輸秩序與和諧的社會環境。

參考文獻

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[9]山西華路祥交通科技有限公司.《TPM環氧瀝青結合料企業標準》[S]，2007.

項目名稱：大跨徑連續剛構橋環氧瀝青橋面鋪裝技術研究

申報單位：路橋建設重慶涪-豐-石高速公路總承包部、北京華路祥交通技術有限公司、東南大學