后摻法環(huán)氧瀝青SAC-10混合料性能研究及對(duì)比分析

牟壓強(qiáng) 馬 永 郭大進(jìn) 趙雁斌 張林艷 郭榮鑫

(楚雄彝族自治州自然資源和規(guī)劃局1) 楚雄 675000) (云南賓南高速公路有限公司2) 大理 671000)(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 昆明 650504) (云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院4) 昆明 650504)

0 引 言

環(huán)氧瀝青混合料不僅抗滑衰減慢，強(qiáng)度高，耐疲勞性能和水穩(wěn)定性能優(yōu)異，而且具有優(yōu)良的高、低溫穩(wěn)定性[1-2]，被廣泛地應(yīng)用于大型橋梁橋面鋪裝工程中[3].超薄磨耗層作為一種路面養(yǎng)護(hù)材料，可鋪筑于路面的預(yù)防性和矯正輕微病害的養(yǎng)護(hù)中，也可應(yīng)用于新建路面的磨耗層.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)環(huán)氧瀝青超薄磨耗層性能分析及材料優(yōu)化方面的研究已經(jīng)取得較為豐碩的成果，文獻(xiàn)[4]通過試驗(yàn)證明了環(huán)氧瀝青超薄磨耗層在性能方面確實(shí)可行.然而，環(huán)氧瀝青混合料施工容許時(shí)間短導(dǎo)致其施工難度大的難題，嚴(yán)重阻礙了其大范圍地推廣使用[5-6].

為解決環(huán)氧瀝青混合料因容留時(shí)間短導(dǎo)致其施工難度大的難題，課題組創(chuàng)新性地提出了“后摻法”施工工藝，該工藝可將環(huán)氧瀝青混合料施工流程中的拌和、裝料、運(yùn)輸及待料時(shí)間從施工容留時(shí)間中剔除，在容留時(shí)間內(nèi)只需進(jìn)行攤鋪和碾壓施工，質(zhì)量可控性顯著提升，使環(huán)氧瀝青混合料擁有了大規(guī)模推廣及應(yīng)用的可能.為評(píng)價(jià)“后摻法”自主研發(fā)環(huán)氧瀝青超薄磨耗層的性能，本文采用多碎石SAC-10礦料級(jí)配和自主研發(fā)的環(huán)氧瀝青材料，通過“后摻法”工藝制備混合料試件，開展了系統(tǒng)的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性等路用性能測(cè)試，并引入了傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青SAC-10混合料[7]進(jìn)行對(duì)比分析.此外，還使用UTM-30液壓伺服多功能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了不同應(yīng)力比條件下的“后摻法”自主研發(fā)環(huán)氧瀝青與SBS改性瀝青SAC-10混合料試件的疲勞壽命,通過Origin數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)兩種瀝青混合料間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，建立經(jīng)典疲勞方程，并選取了綜合修正系數(shù)K值對(duì)經(jīng)典疲勞方程進(jìn)行修正，計(jì)算兩種材料的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，為環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)提供參考.

1 原材料性質(zhì)與設(shè)計(jì)級(jí)配

1.1 原材料性能

采用的環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)程要求,其中環(huán)氧瀝青A、B組分質(zhì)量比為100∶750，主要性能指標(biāo)見文獻(xiàn)[6].試驗(yàn)采用的粗、細(xì)集料均產(chǎn)自昭通市鎮(zhèn)雄縣石子溝采石場(chǎng)，粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，填料采用石灰?guī)r磨細(xì)得到的礦粉，由瀝青拌和站加工生產(chǎn).按照J(rèn)TJ E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，測(cè)試的粗、細(xì)集料及礦粉的主要物理性能指標(biāo)見表1.

表1 粗細(xì)集料及礦粉試驗(yàn)結(jié)果

1.2 超薄磨耗層礦料級(jí)配選擇及設(shè)計(jì)

多碎石SAC-10從1988年開發(fā)到現(xiàn)在，經(jīng)過接近30年的適用和完善，應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟，根據(jù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用技術(shù)成熟程度判斷[8]，最終采用中斷型多碎石SAC-10作為超薄磨耗層瀝青混合料的礦料級(jí)配，選擇其中值作為設(shè)計(jì)級(jí)配，多碎石SAC-10礦料級(jí)配范圍見表2，最佳油石比為5.5%.

2 路用性能檢驗(yàn)試驗(yàn)及對(duì)比分析

2.1 試件制備

在室內(nèi)采用“后摻法”制備工藝，成型試驗(yàn)測(cè)試試件，環(huán)氧瀝青混合料分兩次拌和：第一次，將加熱到120 ℃的環(huán)氧瀝青B組分、粗細(xì)集料及填料倒入瀝青混合料拌鍋中攪拌180 s;第二次，按A∶B=100∶750的比例添加環(huán)氧瀝青A組分，再攪拌180 s.將該工藝制備的環(huán)氧瀝青SAC-10混合料按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中相關(guān)試驗(yàn)方法成型試件，將成型后的試件置于120 ℃的恒溫烘箱中養(yǎng)生4 h,然后室溫條件靜置24 h.測(cè)試的路用性能指標(biāo)包括空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度及低溫彎拉應(yīng)變，試驗(yàn)結(jié)果見表3.為反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果所處水平，列出相同級(jí)配類型SAC-10的傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青混合料性能結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

表3 不同膠結(jié)料SAC-10混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由表3可知：與SBS改性瀝青SAC-10混合料相比，“后摻法”自主研制環(huán)氧瀝青SAC-10混合料馬歇爾穩(wěn)定度提升了7.78倍，浸水殘留穩(wěn)定度提升了0.74%，凍融劈裂強(qiáng)度比降低了7.07%，動(dòng)穩(wěn)定度提升了4.6倍，-10 ℃低溫彎拉應(yīng)變下降了8%.這主要是因?yàn)榄h(huán)氧瀝青不同于熱塑性的SBS改性瀝青，其屬于熱固性材料，環(huán)氧瀝青A組分與B組分混合料拌和均勻后，在高溫養(yǎng)生的促進(jìn)作用下，環(huán)氧樹脂與固化劑會(huì)快速發(fā)生固化反應(yīng)，生成具有不溶不熔的特性的立體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，瀝青作為分散相均勻地填充于立體互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，因而具有更優(yōu)越的力學(xué)性能[10]，但由于其空隙率稍大，導(dǎo)致其凍融劈裂強(qiáng)度比和低溫彎拉應(yīng)變較SBS改性瀝青SAC-10混合料稍低.由表3可知，與傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青SAC-10混合料相比，“后摻法”自主研制環(huán)氧瀝青SAC-10混合料馬歇爾穩(wěn)定度提升了1.15倍，浸水殘留穩(wěn)定度提升了3.23%，動(dòng)穩(wěn)定度提升了14%，但凍融劈裂強(qiáng)度比及低溫彎曲應(yīng)變比傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青SAC-10混合料略低.這主要是因?yàn)樽灾餮兄骗h(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度較高，相應(yīng)地就會(huì)導(dǎo)致其低溫脆性變大.

綜合各性能指標(biāo)，“后摻法”制備的自主研制環(huán)氧瀝青SAC-10混合料與傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青SAC-10混合料在路用性能方面處于同一水平，且顯著優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，主要性能指標(biāo)均滿足GB/T30598—2014《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》中鋼橋面用環(huán)氧瀝青鋪裝層混合料使用性能要求.

3 間接拉伸疲勞試驗(yàn)及結(jié)果分析

選擇SBS改性瀝青SAC-10混合料進(jìn)行對(duì)比.采用“后摻法”工藝，通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法，成型直徑為(101±0.25)mm，高為(63.5±1.3)mm的自主研發(fā)環(huán)氧瀝青混合料試件，試件空隙率為3.0%，將成型后的試件置于120 ℃的恒溫烘箱中養(yǎng)生4 h,然后室溫條件靜置24 h.參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》成型標(biāo)準(zhǔn)尺寸的SBS改性瀝青混合料試件，試件空隙率為2.8%.

3.1 混合料劈裂強(qiáng)度

在進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)前，參照規(guī)程(E20)瀝青混合料劈裂試驗(yàn)中的相關(guān)方法，利用CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定兩種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，為下一步應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)各應(yīng)力水平的計(jì)算提供基礎(chǔ)，兩種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表4所示.根據(jù)規(guī)程[7]中(瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值與平均值之差應(yīng)小于等于標(biāo)準(zhǔn)差的1.46倍)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行異常值篩選，以消除試驗(yàn)結(jié)果誤差，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)均合格，同時(shí)通過表4可以看出“后摻法”自主研發(fā)環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度是SBS改性瀝青混合料的2.58倍.

表4 兩種瀝青混合料劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.2 混合料間接拉伸疲勞試驗(yàn)

使用UTM-30在恒溫15 ℃、應(yīng)力控制模式、無間歇時(shí)間及正弦波條件下，對(duì)“后摻法”自主研發(fā)環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青SAC-10混合料進(jìn)行應(yīng)力水平分別為0.4～0.7的間接拉伸疲勞試驗(yàn)，同一應(yīng)力水平下平行試驗(yàn)數(shù)為4個(gè)，使用UTM-30測(cè)試材料疲勞過程見圖1，兩種瀝青混合料在相應(yīng)應(yīng)力水平下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 兩種瀝青混凝土間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，應(yīng)力水平對(duì)疲勞壽命有顯著影響，當(dāng)應(yīng)力水平由0.4增加到0.7時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命由1 551 740次降低到153次，降幅接近100%；SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命由5 629次降低到538次，降幅達(dá)90.4%.可見，加強(qiáng)交通管控，嚴(yán)格限制重載、超載車輛通行，將大大提高路面的疲勞壽命，延長(zhǎng)路面使用年限.當(dāng)應(yīng)力比為0.4時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的循環(huán)荷載為15.108 kN，SBS改性瀝青混合料的循環(huán)荷載為4.397 kN(僅為環(huán)氧瀝青混合料循環(huán)荷載的29.1%)，而環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命卻是SBS改性瀝青的275.7倍，可知環(huán)氧瀝青混合料擁有優(yōu)異的疲勞性能.

3.3 疲勞壽命回歸方程的建立

研究資料表明[11]，瀝青混合料間接拉伸疲勞性能試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式時(shí)，疲勞壽命對(duì)數(shù)與施加的循環(huán)荷載應(yīng)力值對(duì)數(shù)呈線性分布規(guī)律，由此建立典型的回歸方程為

lnNf=-n·lnδ0+lnK

(1)

式中：Nf為疲勞壽命，次；δ0為試件施加應(yīng)力值，kPa;K,n為疲勞特征待定系數(shù).

根據(jù)表5可知：建立環(huán)氧瀝青混合料及SBS改性瀝青混合料的lnNf-lnδ0關(guān)系曲線，見圖2.由圖2可知:恒溫15 ℃條件下，環(huán)氧瀝青混合料間接拉伸疲勞性能與SBS改性瀝青混合料變化趨勢(shì)一致，即隨著循環(huán)荷載應(yīng)力值的增大，混合料的疲勞壽命逐漸減小，同時(shí)可以看出循環(huán)荷載應(yīng)力值對(duì)數(shù)與疲勞壽命對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系.

圖2 疲勞壽命曲線

兩種瀝青混合料經(jīng)典疲勞方程的回歸系數(shù)K和n,結(jié)果見表6，表6中的R2為相關(guān)系數(shù).由表6可知，兩個(gè)疲勞壽命回歸方程均有較高的精度，但從理論上來講，循環(huán)荷載應(yīng)力值決定間接拉伸疲勞壽命的大小，因此回歸方程(1)中，以循環(huán)荷載應(yīng)力值對(duì)數(shù)為自變量，以疲勞壽命對(duì)數(shù)為因變量，與疲勞理論相符，具有較高的合理性.此外，該回歸方程相比經(jīng)典疲勞方程，更適用于利用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件分析回歸曲線和系數(shù).

表6 兩種瀝青混合料經(jīng)典疲勞方程及相應(yīng)的系數(shù)

參照文獻(xiàn)[11]，選取瀝青混合料室內(nèi)應(yīng)力控制模式疲勞試驗(yàn)綜合修正系數(shù)K值(K=1 216.7)對(duì)所得經(jīng)典疲勞方程進(jìn)行修正，見式(2)，修正后兩種瀝青混合料的疲勞方程及回歸系數(shù)見表7.

表7 修正后瀝青及環(huán)氧瀝青混合料疲勞方程及回歸系數(shù)

Ne=K·Nf

(2)

式中：Ne為修正瀝青混合料疲勞壽命；K為綜合修正系數(shù)；Nf為試驗(yàn)測(cè)試出的疲勞壽命.

3.4 抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)

瀝青混合料的極限劈裂強(qiáng)度與容許拉應(yīng)力之比稱之為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)[12-13]，對(duì)修正后的疲勞方程計(jì)算抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)如下.

將劈裂疲勞試驗(yàn)得到的疲勞方程N(yùn)f=K·δ-n進(jìn)行變換.

(3)

(4)

由于室內(nèi)試驗(yàn)試件的受力情況與實(shí)際道路間存在差異而采用綜合修正系數(shù)，室內(nèi)重復(fù)荷載Nf與實(shí)際路面累計(jì)荷載當(dāng)量軸次Ne之間關(guān)系為Ne=K·Nf，則關(guān)系式(4)變?yōu)?/p>

(5)

(6)

利用式(3)～(6)，計(jì)算兩種材料的KS值，假設(shè)設(shè)計(jì)交通量為1×108，計(jì)算得到的環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)見表8.

表8 兩種瀝青混合料抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)

由表8可知，SBS改性瀝青混合料抗拉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)為4.82，環(huán)氧瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)為2.18，為普通瀝青混合料的45%，所以采用環(huán)氧瀝青混合料鋪筑瀝青面層時(shí)，可以大大降低結(jié)構(gòu)層的厚度.因此，環(huán)氧瀝青混合料更適用于鋼橋面鋪裝應(yīng)用，它可以降低橋面鋪裝層的厚度，提高鋪裝層的高溫性能和疲勞性能.

4 結(jié) 論

1)采用“后摻法”制備的自主研制環(huán)氧瀝青SAC-10混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性等路用性能均高出規(guī)范規(guī)定值，滿足GB/T 30598—2014規(guī)范中鋼橋面鋪裝層混合料用環(huán)氧瀝青材料的各項(xiàng)指標(biāo)要求.

2)通過路用性能試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析得出：采用“后摻法”制備的自主研發(fā)環(huán)氧瀝青SAC-10混合料與傳統(tǒng)環(huán)氧瀝青SAC-10混合料處于同一水平，顯著優(yōu)于SBS改性瀝青SAC-10混合料，可滿足重載交通的使用需求.

3)采用“后摻法”制備的自主研發(fā)環(huán)氧瀝青SAC-10混合料與SBS改性瀝青SAC-10混合料的間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)氧瀝青SAC-10混合料擁有優(yōu)異的疲勞性能，且環(huán)氧瀝青混合料更適用于鋼橋面鋪裝應(yīng)用，可適當(dāng)降低鋪裝厚度，同時(shí)也可以提高鋪裝層的高溫性能和疲勞性能.