1、廣東晶通公路工程建設(shè)集團有限公司 廣州市 510635；

2、廣東省高速公路發(fā)展股份有限公司 廣州市 510100；

摘要：分別對環(huán)氧瀝青混凝土的主要力學(xué)參數(shù)模量和強度進行了試驗、分析和討論。動態(tài)彎曲模量由于其試驗加載方式和鋪裝層實際受力狀態(tài)基本一致，而且測試方式模擬了荷載作用下材料應(yīng)力和應(yīng)變的實際過程，相對而言更適合作為橋面鋪裝力學(xué)分析時的模量。對于常溫下的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝，其力學(xué)分析計算的模量值變化幅度應(yīng)為500～15000Mpa。從安全取值、破壞模式的一致性考慮，推薦采用15℃彎拉破壞最大拉應(yīng)變作為其極限拉應(yīng)變。

目前人們對于普通瀝青路面這種半無限空間彈性層狀體系的參數(shù)確定、力學(xué)模型、強度理論已經(jīng)有了比較深刻的認(rèn)識，相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范也有明確而具體的規(guī)定。力學(xué)模型簡化為雙圓荷載作用下的半無限空間彈性層狀體系[1]，材料參數(shù)如模量和強度都有明確的測定辦法，設(shè)計規(guī)范[2]甚至還推薦了各個層次、各種材料結(jié)構(gòu)的模量和強度推薦值。

但對于環(huán)氧瀝青混凝土而言，要計算其荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變，除了受力情況復(fù)雜、無法獲得解析解外，其各種力學(xué)參數(shù)的選取或確定還沒有一個較為統(tǒng)一的認(rèn)識。

一般地，常規(guī)的力學(xué)性能參數(shù)主要有強度、彈性、塑性、韌性、硬度等主要，一種材料的力學(xué)參數(shù)選取和其受力和破壞模式有關(guān)[3]，對于鋼橋面鋪裝而言，其主要可能的破壞方式有：（1）車輛荷載作用導(dǎo)致的頂面負(fù)彎矩處疲勞開裂；（2）層間抗剪切強度不足而導(dǎo)致的層間推移；（3）高溫時材料抗剪強度不足的塑性變形過大即車轍；（4）低溫時抗拉強度不足或變形能力不好產(chǎn)生的裂縫。大量的工程實踐表明，環(huán)氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝產(chǎn)生的病害以（1）和（2）為主，其中第（1）種情況又占絕大多數(shù)。因此，研究環(huán)氧瀝青混合料的力學(xué)參數(shù)應(yīng)當(dāng)針對由于負(fù)彎矩導(dǎo)致的疲勞破壞過程的鋪裝層的受力特點進行分析。本文擬對表征環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝疲勞特性的材料力學(xué)參數(shù)---模量和強度進行試驗和研究。

1環(huán)氧瀝青混合料的模量強度試驗

由于瀝青混凝土這種各向異性的粘彈性材料而言，表征其彈性性能的模量依據(jù)不同的計算目的、測試條件可以分為許多種。按照受力方式的不同可以分為剪切模量、抗壓模量和抗拉模量；按照是否考慮時間因素可分為靜態(tài)模量和動態(tài)模量；按照測試方法可分為松弛模量和蠕變模量等等不一而足。對于同一種材料這些模量值相差很大，如果所用的模量類型不能很好的模擬其實際受力過程，則最終的計算或者分析結(jié)果將會有很大誤差或者錯誤，有時甚至?xí)窍喾吹慕Y(jié)論。因此，對于一種材料特別是環(huán)氧瀝青這種受時溫影響較大的粘彈性材料其彈性參數(shù)的選取必須結(jié)合其受力特點、時溫條件、破壞模式來綜合考慮。

我國現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范中，規(guī)定路面厚度計算時依據(jù)設(shè)計或驗算指標(biāo)的不同而分別選用20℃時和15℃下的抗壓回彈模量。是采取逐級加載卸載測試法下0.5倍破壞強度時材料的靜態(tài)模量值。這種測試方法雖然有其不足之處，如：用抗壓模量來進行拉應(yīng)力驗算，承受的是動態(tài)荷載卻用靜態(tài)模量進行計算等。但基本上反映了靜力荷載作用下瀝青混凝土路面的應(yīng)力應(yīng)變特性。對于環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝而言同樣存在選用合適的試驗條件和合適的試驗方法測試的問題。下面本文將對環(huán)氧瀝青混凝土常用的幾種模量進行測試和討論。

試驗采用美國ChemCo公司所生產(chǎn)的環(huán)氧瀝青，由兩部分組成：其中A組分為環(huán)氧樹脂，B組分為石油瀝青和固化劑組成的勻質(zhì)合成物。集料采用深圳平湖芙蓉石場的輝綠巖。礦料級配按表3-1，級配按照馬歇爾試驗法確定最佳油石比和礦料級配。然后分別按照不同的模量測試方法和規(guī)程成型試件。

表1 環(huán)氧瀝青混合料級配中值

Tab.1 Median gradation of epoxy asphalt mixture

篩孔尺寸/mm13.29.54.752.361.180.60.30.150.075

上限10010085756045332314

下限100956550352517127

使用級配10097.575554537.525.517.511

1.1 抗壓回彈模量

分別測試了-10℃、15℃和40℃條件下美國環(huán)氧瀝青混合料的抗壓回彈模量如表1所示。

試驗用試件按照現(xiàn)行交通部標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》中靜壓法試件成型方法，制備直徑和高度為均為100mm的圓柱體試件。試件壓實度控制為100±1%，然后按要求將試件在120℃條件下固化4個小時。

試驗儀器選用是美國MTS Systems Corporation 生產(chǎn)的MTS 810系列伺服液壓材料試驗機，可以方便地自動采集實驗過程中的施加的力和試件的變形等數(shù)據(jù)。試驗時將荷載分為7級，荷載范圍定為0.1～0.7倍的破壞荷載，采用逐級加載--卸載，加載速率采用2mm/min。按設(shè)定加載速率加到預(yù)定荷載后直接卸載，然后穩(wěn)定30S。作為對比，同時對一種AC9普通瀝青（AH-70）混合料進行了同樣試驗條件的回彈模量測定。試驗結(jié)果見表3-2和3-3。

表2 環(huán)氧瀝青混合料在不同溫度下抗壓回彈模量試驗結(jié)果

Tab.2 Compression modulus of epoxy asphalt mixture under different temperature

測試溫度/℃抗壓回彈模量測試值E'/Mpa標(biāo)準(zhǔn)差/Mpa臨界值K95%保證率E/Mpa

-1527539.482396.181.4624719.176

154952.07724.191.464099.698

40873.28108.441.46745.646

表3 普通瀝青混合料在不同溫度下抗壓回彈模量試驗結(jié)果

Tab.3 Compression modulus of asphalt mixture under different temperature

測試溫度/℃抗壓回彈模量測試值E'/Mpa標(biāo)準(zhǔn)差/Mpa臨界值K95%保證率E/Mpa

-1526231.8321761.4623670.68

151698.752191.461440.99

40387.39751.46299.11

從表2和表3可以看出，隨著溫度的降低，環(huán)氧瀝青混合料的抗壓回彈模量由40℃時的745Mpa迅速增加到-15℃時的24719Mpa，之間相差30倍。在低溫域環(huán)氧瀝青混合料與普通瀝青混合料回彈模量相差較小，而在常溫下，環(huán)氧瀝青混合料的回彈模量明顯高于普通瀝青混合料，約為其3倍。

1.2 動態(tài)剪切勁度模量

華南理工大學(xué)遲鳳霞等[4]對與本文同樣的瀝青混合料進行了動態(tài)剪切試驗，測得美國環(huán)氧瀝青混合料的動態(tài)剪切模量，試驗溫度分別取-20℃、20℃和60℃，試驗加載頻率設(shè)定為0.1Hz。試驗結(jié)果如表3-4所示。

表4 環(huán)氧瀝青混合料在不同溫度下動態(tài)剪切模量試驗結(jié)果

Tab.4 Dynamic shear modulus of epoxy asphalt mixture under different temperature

測試溫度/℃環(huán)氧瀝青混合料AC-10（AH-70）

復(fù)數(shù)模量/MPa相位角（o）復(fù)數(shù)模量/MPa相位角（o）

-2065555.9241976.69

20478.624.0410953.31

60113.5010.279.2023.55

從表4可看出，環(huán)氧瀝青混合料的動態(tài)剪切勁度模量隨溫度的變化與其抗壓回彈模量表現(xiàn)出相似的規(guī)律性。而反映其粘彈特性的相位角則從-20℃時的5.92o上升為20℃時的24.04o，然后又在60℃時降至10.27o，即環(huán)氧瀝青混合料在此溫度域內(nèi)表現(xiàn)出從接近彈性到粘彈性，又到接近彈性這樣一個過程。同時亦可看出，在常溫條件下（20℃）環(huán)氧瀝青混合料的剪切模量大約是AC-10（AH-70）混合料的3倍，而在低溫（-20℃）時相差不到20%，高溫時相差約10倍。高溫剪切模量可以在一定程度上反映材料的抵抗車轍能力，說明在高溫穩(wěn)定性方面環(huán)氧瀝青混合料比普通瀝青混合料要高出很多。

1.3 劈裂勁度模量

黃衛(wèi)等[5]利用成型好的馬歇爾試件分別在-15℃、0℃和15℃時進行劈裂試驗，測得了不同溫度下的環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強度和劈裂勁度模量。試件高度64.5mm，直徑100mm。加載速率50mm/min。試驗儀器采用MTS 810 系列伺服液壓材料試驗機。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 環(huán)氧瀝青混合料在不同溫度下劈裂模量試驗結(jié)果

Tab.5 Splitting modulus of epoxy asphalt mixture under different temperature

測試溫度/℃最大荷載時水平變形/mm破壞拉伸應(yīng)變/最大荷載/KN劈裂強度/Mpa劈裂模量/Mpa

-150.315267913112.93774

00.3152679939.042683

150.5695325606.011113

1.4 靜態(tài)彎拉勁度模量

有研究[6]在試驗溫度為20℃，通過對14mm厚鋼板（噴砂除銹后并噴涂60～80tam環(huán)氧富鋅漆）+0.68L/m2環(huán)氧瀝青粘結(jié)層+50mm環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層的簡支復(fù)合粱進行了加載測試。試驗荷載為5kN，按1kN的增量逐級加載。反算得鋼板試件的彈性模為194600MPa，環(huán)氧瀝青粘結(jié)層的粘結(jié)勁度為58.5MPa/mm，環(huán)氧瀝青混凝土的彈性模量為950MPa。這種方法雖然綜合考慮了整個橋面板的整體彈性性能，但不可避免的是整個試驗、反算過程由于各種假定和實驗誤差過多，將會對模量反算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

按照現(xiàn)行交通部標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》（T017-1993）中的瀝青混合料彎曲試驗規(guī)定和方法分別在-15℃、0℃和15℃溫度條件下對美國環(huán)氧瀝青混合料進行了彎曲試驗。試驗儀器采用臺灣鴻達公司生產(chǎn)的靜態(tài)壓力試驗機，試件為250X30X35mm棱柱體小梁，采用兩點支撐跨中加力的加載方式，跨徑為200mmm，試驗加載速率為50mm/min，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 環(huán)氧瀝青混合料在不同溫度下彎曲試驗結(jié)果

Tab.6 Bending test result of epoxy asphalt mixture under different temperature

測試溫度/℃彎拉強度/Mpa最大彎拉應(yīng)變/彎拉模量/Mpa

-1531.22268111641

026.1738796745

1514.2867742108

從表6可以看出，隨著試驗溫度的降低，彎拉模量由15℃時的2108Mpa增加到-15℃的11641Mpa，之間相差約5倍。顯然，彎拉模量對溫度的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于復(fù)數(shù)剪切模量，但與劈裂模量的變化基本一致。

1.5 動態(tài)彎曲勁度模量

為了獲得環(huán)氧瀝青混凝土的動態(tài)彎曲模量，采用英國Cooper Research Technology 有限公司生產(chǎn)的四點彎曲法疲勞試驗設(shè)備進行各溫度條件下的彎曲勁度模量試驗，試件尺寸為385mm×65mm×50mm，采用應(yīng)變控制加載，應(yīng)變水平為600，荷載為頻率10Hz的正弦波荷載。試驗結(jié)果取加載第100次基本穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果如表7。

表7 環(huán)氧瀝青混合料各溫度下動態(tài)彎曲勁度模量試驗結(jié)果

Tab.7 Dynamic bending stiffness modulus of epoxy asphalt mixture under different temperature

測試溫度/℃-150153060

彎曲勁度模量/Mpa環(huán)氧瀝青5636126328125785793743

AC-10（AH-70）494861298467352032324

環(huán)氧瀝青與普通瀝青混合料的模量在各種測試條件下表現(xiàn)出基本一致的規(guī)律性，（1）在常溫下，環(huán)氧瀝青混合料各種條件下的模量值約是普通瀝青混合料的3倍，具有較高的抵抗變形能力，對于鋼橋面鋪裝這種以應(yīng)變控制疲勞破壞的結(jié)構(gòu)，可有效降低其正常使用狀態(tài)下的應(yīng)變水平，提高疲勞壽命；（2）在低溫條件下，二者模量相差不大，說明環(huán)氧瀝青混合料有良好的低溫變形協(xié)調(diào)能力；（3）在高溫區(qū)域，環(huán)氧瀝青混合料模量約是普通瀝青混合料的2倍，特別是可以反映高溫穩(wěn)定性的高溫剪切模量相差達到10倍，有著非常良好的抗車轍能力。

上述幾種環(huán)氧瀝青混合料的勁度模量隨著試驗方法和條件的改變，其數(shù)值大小、對溫度的敏感性表現(xiàn)大相徑庭。其中數(shù)值范圍最大的是動態(tài)彎曲勁度模量（15787Mpa～56361Mpa），最小的是動態(tài)剪切勁度模量（113Mpa～6555Mpa）。對溫度敏感程度最大的是復(fù)數(shù)剪切模量，-20℃與20℃之間的模量值相差約15倍，其他模量則-15℃與15℃的模量值大約相差4～6倍。

作為一種橋面鋪裝材料，必須選取合適的、能真實反映其與橋面板結(jié)構(gòu)共同承受車輛荷載的材料參數(shù)，方可準(zhǔn)確分析其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變。作為鋼橋面鋪裝與普通的瀝青路面結(jié)構(gòu)層受力不同，主要承受的由于加勁肋處的負(fù)彎矩導(dǎo)致的彎拉應(yīng)力。顯然抗壓回彈模量和剪切模量其試驗加載模式與實際受力模式有很大差異。而劈裂模量和彎拉模量雖然在一定程度上反映了材料的抗拉性能，但均屬于靜態(tài)模量，其模量的計算都是通過破壞時的最大荷載和最大變形而得。事實上，對于粘彈性材料而言，應(yīng)力和應(yīng)變并不是同步發(fā)生的，這種模量的計算方法至少物理意義并不明確。

而動態(tài)彎曲模量一方面其試驗加載方式和鋪裝層實際受力狀態(tài)基本一致，同時通過動態(tài)測試的方式模擬了荷載作用下材料應(yīng)力和應(yīng)變的實際過程。相對而言更適合作為橋面鋪裝力學(xué)分析時的模量。有研究通過有限元分析認(rèn)為鋪裝層材料模量在500Mpa～2000Mpa之間時，對鋪裝層應(yīng)力或應(yīng)變的計算有較大影響，而在2000Mpa～7000Mpa時影響不是很明顯[7]。

綜合以上分析，對于常溫下的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝，其力學(xué)分析計算的模量值變化幅度應(yīng)為500～10000Mpa。

2 關(guān)于環(huán)氧瀝青混合料的強度

表征瀝青混合料的強度指標(biāo)主要有：劈裂強度、彎拉強度、抗剪切強度、抗壓強度等。各自反映不同受力條件和破壞模式下材料的結(jié)構(gòu)抗力。目前的瀝青路面設(shè)計規(guī)范中規(guī)定瀝青結(jié)構(gòu)層的容許拉應(yīng)力通過瀝青混凝土的15℃劈裂強度除以抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)Ks來確定。事實上，劈裂強度是一種間接抗拉強度，這種間接拉伸試驗基本和彈性層狀體系下的路面結(jié)構(gòu)層受拉破壞模式一致。但對于鋼橋面鋪裝層而言，其破壞模式更接近于小梁彎曲破壞。而且，通過本文上述試驗也可看出，劈裂試驗要比用小梁彎曲試驗測得的極限應(yīng)變值大約1個數(shù)量級，偏于不安全。因此，本文推薦采用15℃彎拉破壞最大拉應(yīng)變作為其極限拉應(yīng)變。

華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院對美國Chem Co環(huán)氧瀝青混合料采用與本文相同的集料級配，分別進行了600、800、1000應(yīng)變水平下的重復(fù)彎曲疲勞試驗，試驗溫度為15℃，加載頻率為10 Hz，以達到初始勁度的50%作為試件破壞的標(biāo)志。得出關(guān)于這種瀝青混合料的疲勞方程如公式（3）[8]。

=1.1431×1039 - 11.231 5 R=0.993 7 （3）

按照此疲勞方程可以方便地計算出這種混合料在任意應(yīng)變水平下的疲勞壽命，或者給定疲勞次數(shù)，可以算的混合料的容許拉應(yīng)變。

3 結(jié)論

通過對環(huán)氧瀝青混合料不同試驗方法下的模量比較分析和強度的研究得到以下主要結(jié)論：

（1）環(huán)氧瀝青與普通瀝青混合料的模量在各種測試條件下表現(xiàn)出基本一致的規(guī)律性：在常溫下，環(huán)氧瀝青混合料各種條件下的模量值約是普通瀝青混合料的3倍，具有較高的抵抗變形能力，對于鋼橋面鋪裝這種以應(yīng)變控制疲勞破壞的結(jié)構(gòu)，可有效降低其正常使用狀態(tài)下的應(yīng)變水平，提高疲勞壽命；在低溫條件下，二者模量相差不大，說明環(huán)氧瀝青混合料有良好的低溫變形協(xié)調(diào)能力；在高溫區(qū)域，環(huán)氧瀝青混合料模量約是普通瀝青混合料的2倍，特別是可以反映高溫穩(wěn)定性的高溫剪切模量相差達到10倍，有著非常良好的抗車轍能力。

（2）作為一種橋面鋪裝材料，必須選取合適的、能真實反映其與橋面板結(jié)構(gòu)共同承受車輛荷載的材料參數(shù)，方可準(zhǔn)確分析其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變。分別對環(huán)氧瀝青混凝土的主要力學(xué)參數(shù)模量和強度進行了試驗、分析和討論。動態(tài)彎曲模量一方面其試驗加載方式和鋪裝層實際受力狀態(tài)基本一致，同時通過動態(tài)測試的方式模擬了荷載作用下材料應(yīng)力和應(yīng)變的實際過程。相對而言更適合作為橋面鋪裝力學(xué)分析時的模量。

（3）對于常溫下的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝，其力學(xué)分析計算的模量值變化幅度應(yīng)為500～15000Mpa。

（4）從安全取值、破壞模式的一致性考慮，推薦采用15℃彎拉破壞最大拉應(yīng)變作為其極限拉應(yīng)變。

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作者簡介：

薛龍海（1988-），山西方山人，主要從事高速公路材料試驗、養(yǎng)護管理等工作。