钢桥面铺装环氧沥青材料及其组合结构性能研究

刘 洋， 郝增恒， 刘 攀,， 李春扬， 王 涛， 李 凯

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 401336)

大跨径钢桥面铺装对材料的力学性能、界面粘结性能、变形能力、疲劳性能、高低温性能等要求苛刻。环氧沥青作为热反应型材料，其热稳定性良好、强度高、抗疲劳性优异、抗老化性好、性能稳定，这些优越性能相较其他铺装材料更有竞争力。环氧沥青作为铺装层时，不易发生车辙、推移、拥包等病害，极适宜用于高温重载地区[1-2]。21世纪以来，环氧沥青材料先后在我国的南京长江二桥、杭州湾跨海大桥(北航道桥)、天津富民桥、苏通长江公路大桥、重庆鱼嘴两江大桥、舟山金塘大桥、武汉天兴洲公铁两用长江大桥、荆岳长江大桥、泸州黄舣长江大桥等钢桥面铺装工程得到了广泛应用。

目前，国内在环氧沥青的开发与研究方面已取得一定的成果。周威等[3]结合DSC对比分析了癸二酸、甲基四氢苯与桐油酸酐3种固化剂的环氧沥青固化过程，认为以桐油酸酐作为固化剂更适用于环氧沥青的实际应用。丛培良等[4]以苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性环氧沥青，改善了环氧沥青的断裂伸长率与低温性能。张增平等[5]针对环氧沥青柔韧性差的缺点，选择环氧树脂与聚氨酯复配改性90#基质沥青，分析得出EP/PU复合改性沥青混合料具有良好的路用性能。黄维蓉等[6]选用双酚A型环氧树脂E44制备环氧沥青，并以硅藻土作为载体提高其经济性。陆学敏等[7]结合马来酸酐与引发剂过氧化二异苯丙与基质沥青接枝制备改性沥青后，对其掺入环氧树脂制备环氧沥青，并采用离析法与荧光显微镜研究改性沥青与环氧树脂相容性。

为满足钢桥面铺装层对材料性能的要求，并降低成本，项目组开发出了具有自主知识产权的环氧沥青材料。通过对自制环氧沥青材料(包括结合料、粘结剂及混合料)与国产、进口环氧沥青材料的技术性能进行对比分析，以评价不同环氧沥青材料钢桥面铺装组合结构的路用性能。

1 材料组成及试验

1.1 试验原材料

选择3种环氧沥青材料(包括结合料和粘结剂)，分别为自制环氧沥青(简称ZZEA)、进口环氧沥青(JKEA)和国产环氧沥青(GCEA)及其对应的粘结剂。

选择玄武岩集料，石灰岩矿粉，其各项技术指标符合规范要求，级配设计如图1所示。A组分加热温度80 ℃～90 ℃，B组分加热温度120 ℃～130 ℃，为保证其粘度较低，将A组分和B组分搅拌均匀，集料加热温度120 ℃～130 ℃，控制拌和温度120 ℃，油石比6.6%，相同条件下制备3种环氧沥青混合料EA-10。

图1 EA-10级配设计

1.2 试验方法

3种环氧沥青材料在120 ℃加速养护6 h即可形成最终强度，常温放置1 d即可进行性能试验。根据相关技术规范要求，针对不同指标，对环氧沥青材料进行下列试验：

1) 粘度试验和拉伸试验，分析评价环氧沥青材料的施工容留时间与拉伸性能。

2) 马歇尔试验、车辙试验、小梁弯曲试验和冻融劈裂试验，分析评价混合料路用性能，包括马歇尔稳定度、高温性能、低温性能和水稳定性。

3) 拉拔试验、组合结构车辙试验，分析评价环氧沥青混合料铺装结构的界面粘结性能和高温性能。

2 环氧沥青性能研究

2.1 基本性能

3种环氧沥青材料基本性能测试结果如表1所示。

表1 环氧沥青基本性能测试结果

由表1可知，完全固化后的3种环氧沥青材料均为黑色固体，在300 ℃下均不熔化，且基本不吸水，表现出优异的热固性和不吸水性。

2.2 容留时间

环氧沥青粘度随时增益，易导致摊铺困难及碾压不密实，出现废料较多，施工困难[8]。将初始粘度至粘度达到1 000 mPa·s的时间作为容留时间，在容留时间范围内，可满足顺利进行运输、施工碾压等需求[9]。采用布氏旋转粘度试验，研究环氧沥青粘度随时间的动态演变规律，120 ℃条件下，3种环氧沥青材料粘度测试结果如图2所示。

(a) 结合料

(b) 粘结剂

从图2可见，在120 ℃条件下，环氧沥青材料的结合料与粘结剂均存在“时间节点”。具体表现为：1) 在该时间节点前，粘度增长缓慢，无明显增益。反应初期，A、B组分混合后产生较高分子反应性齐聚物，环氧体系中存在不均匀微凝胶体，粘度较低。2) 随着反应时间的延长，环氧沥青中微凝胶体递增，融合成大凝胶体，粘度迅增，形成三维网状结构，粘度进一步增大，形成凝胶状聚合物，固化的环氧沥青不具有流动性[10]。3种环氧沥青结合料的容留时间长短顺序为：JKEA(64 min)>ZZEA(61 min)>GCEA(58 min)，均超过55 min；3种环氧沥青粘结剂容留时间均介于27 min～33 min之间，完全满足施工需求。综合比较而言，进口环氧沥青材料与自制环氧沥青材料的容留时间更具有优势。

2.3 拉伸性能

将3种环氧沥青成型为哑铃形试件，固化完全后测试其拉伸强度和断裂伸长率，试验温度23 ℃，试验结果如图3所示。

(a) 拉伸强度

(b) 断裂伸长率

从图3可以看出，JKEA、GCEA、ZZEA结合料拉伸强度分别为4.16 MPa、3.6 MPa、3.01 MPa，断裂伸长率分别为290.94%、250.35%、243.56%，ZZEA结合料与GCEA结合料断裂伸长率相差较小，但3种结合料断裂伸长率均大于240%；JKEA、GCEA、ZZEA粘结剂拉伸强度分别为7.05 MPa、6.31 MPa、6.5 MPa，断裂伸长率分别为260.61%、215.83%、220.72%，ZZEA粘结剂与GCEA粘结剂断裂伸长率差异性较小，但3种粘结剂断裂伸长率均大于210%。经加速养生固化成型后，3种环氧沥青结合料与粘结剂固化形成密实的三维网状结构，充分发挥了环氧树脂的优良性能，表现出优异的韧性和强度，具有良好的拉伸性能。

综上分析，3种环氧沥青结合料均具有较为优异的性能。在相同条件下，进一步研究环氧沥青混合料的路用性能。

3 环氧沥青混合料性能研究

3.1 马歇尔稳定度

进行EA-10的马歇尔试验，试验温度60 ℃，试验结果如表2所示。

从表2可见，3种环氧沥青混合料未固化试件的稳定度基本一致，环氧沥青还未反应阶段，环氧体系内仅有少部分微凝胶体，未形成三维网状结构，对集料的裹覆性差、粘聚性低，具体表现为环氧沥青混合料稳定度较小。当试件养护固化完全后，环氧沥青混合料马歇尔稳定度显著提升[11]。经对比，得出3种材料固化后稳定度大小依次为：JKEA>ZZEA>GCEA>50 kN，流值介于3.5 mm～4.0 mm之间，抗塑性变形能力优异。

表2 EA-10马歇尔试验结果

3.2 高温性能

进行EA-10的车辙试验，试验温度70 ℃，试验结果如表3所示。

表3 EA-10车辙试验结果

从表3可知，70 ℃下3种环氧沥青混合料的动稳定度均可达到60 000次/mm以上。不同于其他类型铺装材料，环氧沥青混合料具有热固性，在高温状态下依旧呈高强度固体状，温度敏感性低，因此在重载车轮重复加载的条件下，其车辙深度几乎没有变化，高温抗车辙性能十分优异。

3.3 低温性能

进行EA-10的小梁三点弯曲试验，试验温度-10 ℃，试验结果如表4所示。

在钢桥面铺装中，由于铺装材料能为钢桥面提供一定的复合刚度和足够的抗变形能力，因此，需铺装材料兼备较高的弯拉强度与较低的弯曲劲度模量[12]。从表4可知，3种环氧沥青EA-10在-10 ℃条件下极限抗弯拉强度均大于28 MPa，极限弯拉应变均高于4 000 με，弯曲劲度模量在7 000 MPa左右，说明3种混合料的低温性能差异较小，低温抗裂性能良好。

表4 EA-10小梁三点弯曲试验结果

3.4 水稳定性

进行EA-10的冻融劈裂试验，试验结果如表5所示。

表5 EA-10冻融劈裂试验结果

从表5可以看出，3种环氧沥青混合料经冻融劈裂后，抗劈裂强度变化较小，冻融劈裂强度比大小为：JKEA>ZZEA>GCEA>85%，满足钢桥面铺装规范的要求，说明3种环氧沥青均具有优异的水稳定性，能有效防止因水侵蚀引起钢桥面铺装层的破坏。

综上分析，3种环氧沥青混合料及粘结剂均具有优异的性能。在相同条件下，进一步研究双层环氧沥青混合料铺装组合结构的路用性能。

4 铺装结构性能研究

4.1 界面粘结性能

在钢桥面铺装体系中，防水粘结层承受汽车荷载水平及垂直应力的作用，在钢桥面铺装体系中是最薄弱的环节。钢桥面层间粘结强度一定程度上决定了钢桥面铺装体系的疲劳耐久性能[13]，主要通过拉拔剪切试验来评价。

1) 铺装结构与钢板间粘结强度

对钢板喷砂除锈涂覆防腐涂料，再涂覆环氧沥青粘结剂，经轮碾法成型对应粘结剂材料的环氧沥青混合料，钻心后粘结拉头。待养护完全后进行拉拔试验，试验结果如表6所示。

表6 不同铺装结构与钢板间的拉拔试验结果

从表6可见，当温度从25 ℃升至60 ℃时，环氧沥青粘结剂与钢板间的粘结强度下降了约70%，基于同种温度，3种环氧沥青铺装结构与钢板的粘结强度大小次序为JKEA>ZZEA>GCEA。在25 ℃条件下，与钢板粘结强度均介于3.6 MPa～3.9 MPa之间，在60 ℃高温条件下，则介于1.0 MPa～1.3 MPa之间，说明3种铺装结构与钢板均表现出良好的粘结性能，能够保护钢板，能有效防止铺装层与钢板间发生推移，给予铺装结构良好的界面安全性、变形协调能力[14]。

2) 铺装结构层间粘结强度

成型30 mm下面层3种环氧沥青材料EA-10，涂覆对应的环氧沥青粘结剂，再成型30 mm同种环氧沥青混合料，钻心后粘结拉头。待养护完全后进行拉拔试验，试验结果如表7所示。

表7 铺装结构层间拉拔试验结果

从表7可见，在25 ℃条件下，其粘结强度介于3.5 MPa～3.7 MPa之间，在60 ℃条件下，粘结强度则介于1.0 MPa～1.2 MPa之间。结合前述研究结果，3种铺装结构均具有十分优异的界面粘结性能。环氧沥青粘结剂优异的粘结性能可有效提升铺装体系的整体抗剪强度，使得铺装层上、下面层共同承担行车荷载，避免上面层与下面层间在承担荷载作用下产生应力集中，降低或避免脱层病害，进而提升铺装结构整体性能与使用寿命。

4.2 高温性能

按照“30 mm铺装下面层环氧沥青混合料+环氧沥青粘结剂+30 mm铺装上面层环氧沥青混合料”成型组合结构车辙板，并进行车辙试验，试验温度70 ℃，试验结果如表8所示。

表8 铺装结构车辙试验结果

从表8可见，3种铺装组合结构动稳定度均高于60 000次/mm，车辙深度低于0.3 mm。3种环氧沥青EA-10高温抗车辙性能优异，赋予其铺装结构同样优异的高温性能，在高温重载的服役条件下尤有优势[15]。

5 结论

本文研究了3种环氧沥青材料及其铺装结构的路用性能，主要结论如下：

1) 3种环氧沥青结合料容留时间高于55 min，其粘结剂容留时间介于27 min～33 min之间，完全满足施工要求。拉伸性能方面，JKEA结合料与粘结剂表现优异，ZZEA较2种环氧沥青材料差异性较小，表现出足够的韧性与强度。

2) 3种环氧沥青混合料EA-10完全固化后，马歇尔稳定度均超过50 kN，抗塑性变形能力优异，70 ℃条件下动稳定度均大于60 000次/mm，-10 ℃低温弯曲应变均大于4 000 με，冻融劈裂强度比均达到85%以上，路用性能优异。

3) 25 ℃下，3种环氧沥青铺装结构与钢板及层间粘结强度均大于3.5 MPa，60 ℃下均超过1 MPa，70 ℃动稳定度均大于60 000次/mm，表现出良好的界面粘结性能、高温性能，在高温重载条件下具有良好的服役性。

4) 自制温拌环氧沥青材料具有较为优异的使用性能，整体上达到了同类材料的技术标准，能够满足钢桥面铺装对材料苛刻的要求。