基于變i法級配設(shè)計的環(huán)氧瀝青混合料性能試驗研究

李帆

作者簡介：李 帆（1985—），工程師，主要從事交通工程監(jiān)理工作。

摘要：為研究環(huán)氧瀝青混合料級配變化對路用性能的影響，文章采用變i法級配設(shè)計理論計算合成級配曲線，利用貝雷法參數(shù)對關(guān)鍵控制篩孔進(jìn)行分析，并對不同級配環(huán)氧瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示：變i法設(shè)計級配曲線具備良好的嵌擠結(jié)構(gòu)，能夠滿足環(huán)氧瀝青混合料的特性要求，級配變化對抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變指標(biāo)影響不一致，在-15 ℃條件下，不同級配類型環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性能辨析性更精確;變i法設(shè)計的環(huán)氧瀝青混合料具有良好的高溫抗變形能力，且隨試驗溫度的增加，其動穩(wěn)定度指標(biāo)下降幅度遠(yuǎn)低于規(guī)范中值級配，同時采用車轍總變形量指標(biāo)也能夠良好地評價辨析高溫抗車轍能力;環(huán)氧瀝青混合料對凍融環(huán)境條件更為敏感，級配變化對其影響更為顯著;馬歇爾穩(wěn)定度值隨容留時間的增加呈先增加后減小變化，而空隙率指標(biāo)一直呈增長狀態(tài)，且隨拌和溫度的增加，環(huán)氧瀝青混合料性能指標(biāo)變化顯著。

關(guān)鍵詞：道路工程;環(huán)氧瀝青混合料;級配設(shè)計;變i法;容留時間

中國分類號：U416.03A170615

0 引言

環(huán)氧瀝青材料在我國鋼橋面鋪裝中得到了良好的推廣應(yīng)用，在一定程度上克服了鋼箱梁在運(yùn)營過程中溫度應(yīng)力集中，縱、橫向變形大的苛刻環(huán)境影響。與普通瀝青混合料相比，環(huán)氧瀝青材料顯著延長了橋面的壽命周期，減少了橋面的養(yǎng)護(hù)次數(shù)，降低了使用成本。但由于環(huán)氧瀝青原材料本身的特性，以及部分施工工藝不成熟的問題，嚴(yán)重阻礙了我國鋼橋面鋪裝技術(shù)的發(fā)展。如部分項目在設(shè)計和施工中過多參考國外經(jīng)驗，一味考慮橋面鋪裝層耐久性、抗疲勞特性等，造成橋面的抗滑性能偏低，在雨雪特殊天氣下的行車安全得不到充分保障。由此，開展上述幾方面的研究，對環(huán)氧瀝青混合料的級配設(shè)計優(yōu)化具有重要的意義。劉攀等研究了5種不同級配增韌型環(huán)氧瀝青混合料，提出了級配變化對增韌型環(huán)氧瀝青混合料的抗滑性能影響較大，對其他性能影響較小[1]。高松等系統(tǒng)分析了環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾級配設(shè)計方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對石家莊新樂高架橋橋面鋪裝進(jìn)行了工程實(shí)踐[2]。薛永超等分析了橡膠顆粒的粒徑、硬度等對環(huán)氧瀝青混合料各項路用性能的影響，提出了橡膠環(huán)氧瀝青混合料的最佳摻量，并制定了橡膠粉的技術(shù)指標(biāo)[3-4]。王水研究了聚酯纖維對環(huán)氧瀝青混合料的性能影響，結(jié)合施工和易性，提出聚酯纖維的最佳摻量為2%～3%[5]。冉武平等利用Super pave方法對機(jī)場跑道用環(huán)氧瀝青混合料開展系列研究，在考慮大飛機(jī)荷載的條件下，提出了最佳瀝青用量下的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)[6]。叢培良等利用體積設(shè)計法研究了環(huán)氧瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)，分析養(yǎng)護(hù)周期對其性能變化的影響，為后期施工和開放交通提供了技術(shù)參考[7]。

綜上所述，本文研究利用變i法對環(huán)氧瀝青混合料級配進(jìn)行設(shè)計，并開展相應(yīng)的路用性能試驗，分析級配變化對其性能的影響規(guī)律，為實(shí)體工程中推廣應(yīng)用提供良好的技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗材料

1.1 礦料

粗集料選擇輝綠巖，細(xì)集料選擇機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r磨制，均由廣西交科工程咨詢有限公司提供。試驗結(jié)果如表1、表2所示。

1.2 環(huán)氧瀝青

鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青由南通東南交通高新技術(shù)有限公司提供，其試驗結(jié)果如表3所示。

2 配合比設(shè)計

環(huán)氧瀝青混合料主要用于鋼橋面鋪裝，需要具備良好的抗疲勞性能和耐久性能。國內(nèi)外工程中一般采用較細(xì)的級配來滿足上述性能要求，但細(xì)級配瀝青混合料的表面粗糙度隨運(yùn)營時間的延長而逐漸下降，容易導(dǎo)致抗滑不足。本文研究從級配設(shè)計入手，采用變i法級配設(shè)計理論，利用貝雷法驗證分析。具體計算過程如下：

（1）借鑒國內(nèi)大型鋼橋面工程實(shí)踐經(jīng)驗，研究選擇集料最大公稱粒徑為13.2 mm，粗集料i值范圍為0.68～0.76，細(xì)集料i值范圍為0.66～0.76。變i法設(shè)計級配計算公式如式（1）、式（2）所示。

依據(jù)工程經(jīng)驗，研究選擇級配Ⅰ的粗、細(xì)集料篩孔通過率的遞減系數(shù)i值分別為0.70和0.68，級配Ⅲ的粗、細(xì)集料篩孔通過率的遞減系數(shù)i值分別為0.76和0.72，級配Ⅱ為“公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)指南”中推薦級配中值，作為對比級配。級配Ⅰ和Ⅲ的各篩孔計算值如表4所示。

依據(jù)表5可知：CA表示粗細(xì)集料的比例，F(xiàn)AC表示細(xì)集料在級配中的嵌擠情況，F(xiàn)AF表示更細(xì)集料的填充情況。級配Ⅰ的參數(shù)值最小，級配Ⅱ（中值）的參數(shù)值最大。說明級配Ⅰ中粗集料含量多，粗集料含量提高了約42%，細(xì)集料降低了21%（與級配Ⅱ相比）;級配Ⅱ偏細(xì)，基本處于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，超出了貝雷法合理參數(shù)的范圍，尤其是粗集料含量;級配Ⅲ趨于貝雷法參數(shù)的上限值，處于上述兩種級配中間。貝雷法計算參數(shù)與合成級配曲線描述相一致，變i法級配理論設(shè)計更具備精確性，尤其在粗細(xì)集料用量確定方面。

3 低溫抗裂性能分析

研究采用小梁彎曲試驗進(jìn)行低溫性能評價，試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知：

（1）級配Ⅰ的彎拉應(yīng)變值最大，但與級配Ⅱ、級配Ⅲ的差異性并不大，級配Ⅱ、級配Ⅲ的彎拉應(yīng)變值分別降低了2.5%和1.3%（與級配Ⅰ相比，-10 ℃）。說明變i法設(shè)計級配Ⅰ的低溫抗裂性能優(yōu)良，而推薦級配Ⅱ與設(shè)計級配Ⅲ的低溫抗裂性能也均能滿足規(guī)范要求。隨溫度下降，彎拉應(yīng)變顯著下降，其低溫抗裂性能均有所下降。在-15 ℃時，3種級配下降幅度規(guī)律為：級配Ⅲ>級配Ⅰ>級配Ⅱ，分別下降了4.8%、2.8%和1.5%（與-10 ℃相比），說明指南推薦級配對低溫敏感性較低，而變i法設(shè)計級配Ⅲ對低溫溫度敏感性強(qiáng)。

（2）對抗彎拉強(qiáng)度值分析發(fā)現(xiàn)，級配Ⅰ受溫度變化影響較低，級配Ⅱ影響最大，且溫度越低抗彎拉強(qiáng)度值越高，在-15 ℃時，3種級配抗彎拉強(qiáng)度值的變化更為顯著。說明在-15 ℃條件下，不同級配類型的環(huán)氧瀝青混合料低溫抗裂性能更適合評價辨析，3種級配的低溫抗裂性能變化與粗、細(xì)集料含量及級配嵌擠情況有密切關(guān)聯(lián)，尤其是關(guān)鍵篩孔13.2 mm、4.75 mm及0.075 mm的含量。

4 高溫抗車轍性能分析

研究采用車轍試驗，選擇溫度60 ℃和70 ℃進(jìn)行高溫性能驗證[7]，試驗結(jié)果如下頁圖3、圖4所示。

可以看出：

（1）不同級配的動穩(wěn)定度差異性較大。級配Ⅰ的高溫抗車轍能力最佳，級配Ⅱ的抗車轍能力最差，說明變i法設(shè)計的級配具有良好的高溫抗變形能力，均優(yōu)于推薦級配。隨環(huán)境溫度的增加，動穩(wěn)定度呈下降趨勢，3種級配的動穩(wěn)定度值下降約65%～70%，且三者之間差異性逐漸下降，說明環(huán)境溫度的增加，降低了級配變化對環(huán)氧瀝青混合料高溫性能的影響。如60 ℃時，級配Ⅱ、級配Ⅲ的穩(wěn)定度值分別降低了30.4%和10.8%（與級配Ⅰ相比），而70 ℃時，級配Ⅱ、級配Ⅲ的穩(wěn)定度分別下降了18.3%和8.3%。

（2）依據(jù)車轍總變形量指標(biāo)分析，3種級配的變形量為級配Ⅱ>級配Ⅲ>級配Ⅰ，且隨著溫度的增加，三者之間的差異性更為清晰，說明采用總變形量指標(biāo)能夠良好評價環(huán)氧瀝青混合料的高溫抗變形能力，尤其適用于鋼橋面運(yùn)營的特殊環(huán)境。

（3）高溫抗車轍能力與級配存在密切關(guān)系。級配Ⅰ和級配Ⅲ為骨架嵌擠型，二者的粗、細(xì)集料含量不同，級配Ⅰ偏粗，二者粒徑4.75 mm通過率相差2.8%，粒徑2.36 mm、1.18 mm分別相差8.7%和10.3%，兩個級配差異主要體現(xiàn)在0.6～2.36 mm。而級配Ⅱ為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，且最大公稱粒徑為13.2 mm，其抗車轍能力顯著下降，如粒徑2.36 mm的通過率為60%，4.75 mm的通過率為75%，顯然不能滿足橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層高溫抗車轍能力（依據(jù)工程經(jīng)驗，降低粗集料用量有助于提高環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞性能，但對其他路用性能存在顯著缺陷）。

5 水穩(wěn)定性能分析

選擇浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進(jìn)行抗水損害能力評價，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）[8]中相關(guān)要求，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知：

（1）級配Ⅰ的殘留穩(wěn)定度值最高，級配Ⅱ和級配Ⅲ的殘留穩(wěn)定度相接近，說明級配Ⅰ的抗水損害剝離能力較高，而級配Ⅱ和級配Ⅲ的抗水損害能力相接近。另外，環(huán)氧瀝青混合料的浸水抗剝離性能均高于規(guī)范要求，這與混合料設(shè)計空隙率較低有密切關(guān)系，一般環(huán)氧瀝青混合料空隙率<3%，水分很難進(jìn)入到混合料內(nèi)部，且環(huán)氧瀝青的粘附性高于普通改性瀝青。

（2）級配Ⅰ的凍融劈裂強(qiáng)度比最大，級配Ⅱ和級配Ⅲ的值相接近，二者相差3.6%，這與殘留穩(wěn)定度影響規(guī)律相一致，但對其劣化幅度不同。級配變化對凍融環(huán)境條件更為敏感，其影響更為顯著，如級配Ⅱ的凍融劈裂強(qiáng)度比下降了11%，殘留穩(wěn)定度下降了3.2%（與級配Ⅰ相比）。

6 容留時間變化分析

研究不同拌和溫度下，環(huán)氧瀝青容留時間變化對穩(wěn)定度、空隙率的影響具有重要意義。試驗溫度選擇110 ℃、120 ℃及130 ℃，容留時間選擇30 min、40 min、50 min、60 min及70 min，采用級配Ⅰ成型馬歇爾試件。試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知：

（1）容留時間延長對穩(wěn)定度、空隙率指標(biāo)均具有顯著影響，穩(wěn)定度指標(biāo)先增加后減小，空隙率指標(biāo)呈上升趨勢變化，且不同拌和溫度下各參數(shù)變化幅度具有一定差異。如在110 ℃時，穩(wěn)定度隨容留時間延長而持續(xù)增加，120 ℃和130 ℃的穩(wěn)定度最大值分別在容留時間40 min和50 min，說明不同拌和溫度下，環(huán)氧瀝青混合料的容留時間具有相應(yīng)的合理范圍。

（2）對于空隙率指標(biāo)，在拌和溫度為120 ℃和130 ℃，容留時間超過50 min時，其值均出現(xiàn)較大幅度變化，而在拌和溫度110 ℃條件下，其值變化幅度較小。在容留時間70 min時，3種不同拌和溫度下的空隙率分別增加了11.7%、171.7%、177.3%。由此可見，環(huán)氧瀝青混合料在容留時間內(nèi)容易碾壓成型，能夠達(dá)到最高強(qiáng)度和良好的密實(shí)度，超過最佳容留時間后，成型試件的空隙率無法達(dá)到最佳狀態(tài)。

7 結(jié)語

（1）利用變i法級配合成曲線理論設(shè)計的級配曲線，通過貝雷法參數(shù)對關(guān)鍵篩孔進(jìn)行有效驗證，篩選出具備良好嵌擠結(jié)構(gòu)的級配能夠滿足環(huán)氧瀝青混合料的特性要求。

（2）級配變化對抗彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變的影響不一致，在-15 ℃條件下，不同級配類型環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性能辨析性更精確。

（3）采用變i法設(shè)計的環(huán)氧瀝青混合料具有良好的高溫抗變形能力，優(yōu)于推薦級配，且隨試驗溫度的增加，推薦級配的動穩(wěn)定度指標(biāo)下降幅度大于變i法級配。車轍總變形量指標(biāo)也能夠良好評價辨析環(huán)氧瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

（4）級配變化對殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比影響規(guī)律相一致，但對二者的影響幅度不同。環(huán)氧瀝青混合料對凍融環(huán)境條件更為敏感，級配變化對其影響更為顯著。隨容留時間的增加，穩(wěn)定度值先增加后減小，空隙率呈上升趨勢變化，且不同拌和溫度下的容留時間均具有相適應(yīng)的范圍。

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