趙正偉

（韶關(guān)市住宅建筑工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512026）

0 引 言

隨著我國(guó)路橋建設(shè)水平的迅速發(fā)展，大跨徑橋梁在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪裝材料、施工技術(shù)等方面均發(fā)生了較大的變化[1-2]。20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)典型的橋面鋪裝材料主要為改性瀝青混合料。21 世紀(jì)以來(lái)，環(huán)氧瀝青混合料逐漸應(yīng)用于各類(lèi)跨江大橋橋面建設(shè)中，長(zhǎng)期的鋪裝使用效果得到驗(yàn)證[3-4]。近年來(lái)，隨著交通流和交通荷載的持續(xù)增大，傳統(tǒng)鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料鋪裝材料往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的疲勞損傷和剪切開(kāi)裂問(wèn)題[5]。薛永超[6]、錢(qián)振東[7]等將橡膠材料與環(huán)氧瀝青進(jìn)行調(diào)配，研究改性環(huán)氧瀝青混合料路用性能。結(jié)果表明，橡膠材料可以改善環(huán)氧瀝青的低溫變形能力。郭忠寶[8]研發(fā)了高模量瀝青混合料鋪裝材料，并對(duì)其高韌性能進(jìn)行了研究。相關(guān)研究[9-10]均表明，添加外摻改性材料可在一定程度上改善環(huán)氧瀝青鋪裝材料性能，但已有研究對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝材料的抗疲勞性能研究較少。左惠宇[11]、馬洪忠[12]等將玄武巖纖維外摻瀝青混合料，并對(duì)路用性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，玄武巖纖維具有高抗韌性，可增強(qiáng)瀝青路面的抗疲勞性能。本研究采用外摻玄武巖纖維的方式對(duì)環(huán)氧瀝青橋面鋪裝材料的路用性能進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步探究鋼橋面環(huán)氧瀝青混合料鋪裝技術(shù)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

（1）環(huán)氧瀝青。研究采用的環(huán)氧瀝青產(chǎn)自山東，有A 組分環(huán)氧樹(shù)脂和B 組分瀝青與固化劑構(gòu)成，摻配比例為1∶5。環(huán)氧瀝青主要性能見(jiàn)表1。

表1 環(huán)氧瀝青技術(shù)性能

（2）集料。研究采用的粗細(xì)集料均為玄武巖，集料表觀干凈無(wú)雜塵，粗集料針片狀率為8.7%，壓碎值為14.2%，軟石含量低于1.5%。細(xì)集料表觀密度為2.65 g·cm-1，吸水率為1.3%。粗細(xì)集料各項(xiàng)性能均符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）要求。

（3）玄武巖纖維。研究采用河南產(chǎn)短切玄武巖纖維，長(zhǎng)度為6 mm，單絲直徑為12 μm。相關(guān)技術(shù)性能見(jiàn)表2。

表2 玄武巖纖維技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方案

研究采用的玄武巖纖維摻量從0%、0.2%、0.4%～1.0%不等，將玄武巖纖維摻入環(huán)氧瀝青混合料中進(jìn)行路用性能測(cè)試?；旌狭系募?jí)配采用SMA-13，油石比為5.8%，級(jí)配曲線如圖1 所示。如圖2～圖4 所示，采用車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、三點(diǎn)疲勞試驗(yàn)分別測(cè)試?yán)w維改性環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性能。

圖1 SMA-13 級(jí)配曲線

圖2 車(chē)轍試驗(yàn)

圖3 低溫小梁試驗(yàn)

圖4 疲勞性能試驗(yàn)

2 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料性能研究

2.1 高溫穩(wěn)定性

大跨徑橋梁鋼橋面在夏季高溫環(huán)境下鋪裝層溫度可達(dá)到55～70℃。為真實(shí)模擬高溫環(huán)境下瀝青面層的抗車(chē)轍變形能力，試驗(yàn)采用的加載溫度為70℃。考慮到重載交通對(duì)鋼橋面鋪裝應(yīng)力影響，分別采用0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa 三個(gè)不同應(yīng)力加載等級(jí)進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 環(huán)氧瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

研究將不同玄武巖纖維摻量和不同應(yīng)力加載條件下混合料的車(chē)轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度繪制成圖，如圖5、圖6 所示。

圖5 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料車(chē)轍深度

圖6 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

由以上圖表可知，玄武巖纖維和不同應(yīng)力加載等級(jí)均會(huì)對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的車(chē)轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度產(chǎn)生影響。70℃溫度、0.7 MPa 應(yīng)力加載條件下，不同玄武巖纖維摻量下環(huán)氧瀝青混合料的車(chē)轍深度均小于1 mm，動(dòng)穩(wěn)定度值達(dá)到1.2 萬(wàn)次/mm。其中，車(chē)轍深度隨纖維摻量增大呈先減小后增大，動(dòng)穩(wěn)定度值呈先增大后減小的趨勢(shì)。0.8 MPa 和0.9 MPa 應(yīng)力控制條件下，混合料的車(chē)轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度隨纖維摻量變化均呈相應(yīng)趨勢(shì)。不同應(yīng)力控制條件下，0.6%玄武巖纖維環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定值整體最優(yōu)。以0.7 MPa 應(yīng)力加載等級(jí)為例，0.6%玄武巖纖維摻量下混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較于普通環(huán)氧瀝青混合料提升36.6%，表明0.6%玄武巖纖維對(duì)環(huán)氧瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的性能提升效果最明顯。玄武巖纖維分散在環(huán)氧瀝青混合料中，纖維通過(guò)瀝青膠漿能夠有效地搭骨架集料，纖維在混合料中能夠形成網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步增強(qiáng)骨料嵌擠作用，在一定程度上限制了高溫環(huán)境下集料位移和膠漿變形，從而提高環(huán)氧瀝青混合料整體的高溫穩(wěn)定性。

2.2 低溫抗裂性

環(huán)氧瀝青常溫環(huán)境下柔韌性低、勁度模量較大，在低溫環(huán)境下易造成瀝青鋪裝層開(kāi)裂破壞。研究采用低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 環(huán)氧瀝青混合料低溫抗裂結(jié)果

研究將不同玄武巖纖維摻量混合料的抗彎強(qiáng)度和極限破壞強(qiáng)度繪制成圖，如圖7、圖8 所示。

圖7 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料抗彎強(qiáng)度

圖8 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料極限破壞應(yīng)變

由以上圖表可知，玄武巖纖維外摻改性環(huán)氧瀝青混合料可以顯著增強(qiáng)抗彎強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變，抗彎強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變隨纖維摻量增加呈先上升后下降趨勢(shì)。纖維摻量為0.6%時(shí)，瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變分別達(dá)到36.89 MPa 和3 854×10-6，較普通環(huán)氧瀝青混合料分別提升31.2%和50.8%。玄武巖纖維以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交織搭接瀝青膠漿和骨料，進(jìn)一步增強(qiáng)混合料內(nèi)部的穩(wěn)定性和黏結(jié)性，增強(qiáng)混合料在低溫環(huán)境下抵抗開(kāi)裂損傷的能力。但纖維摻量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致纖維的集聚，從而造成混合料的不均勻分布，在外部荷載作用下會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在一定程度上降低混合料的抗開(kāi)裂能力。

2.3 抗疲勞性能

鋼橋面瀝青混合料的抗疲勞性能直接影響鋪裝層的耐久性能。隨著重載交通的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)橋面鋪裝瀝青混合料的抗疲勞性能要求也更高。研究采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行疲勞性能研究，試驗(yàn)溫度為20℃，應(yīng)變控制水平分別為800×10-6～1 200×10-6不等。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命結(jié)果

鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層一般設(shè)計(jì)使用壽命不低于15 a，在長(zhǎng)期的交通流和溫度荷載持續(xù)作用下，瀝青面層會(huì)出現(xiàn)一定的老化和性能削減，從而造成開(kāi)裂損傷和耐久性降低。研究采用三類(lèi)不同應(yīng)變控制水平對(duì)不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著應(yīng)變控制水平的增大，混合料的疲勞壽命逐漸減小，如圖9 所示。以800×10-6應(yīng)變控制水平為例，0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%玄武巖纖維摻量下環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命較普通環(huán)氧瀝青混合料分別提升了36.83%、59.78%、73.28%、81.25%、85.46%。當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)0.6%以上時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命增長(zhǎng)速率減緩。玄武巖纖維以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形式可有效增強(qiáng)混合料內(nèi)部穩(wěn)定，增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐久性，延長(zhǎng)材料使用壽命。

圖9 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料疲勞壽命

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用外摻玄武巖纖維的方式來(lái)研究其對(duì)環(huán)氧瀝青混合料技術(shù)性能的影響規(guī)律。通過(guò)高溫車(chē)轍、低溫抗裂、疲勞試驗(yàn)研究可知：

（1）環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨玄武巖纖維摻量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，纖維摻量為0.6%時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最高，較未摻玄武巖纖維瀝青混合料提升36.6%。

（2）玄武巖纖維的摻入可大幅提升環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性，玄武巖纖維摻量為0.6%時(shí)，瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變較普通瀝青混合料分別提升31.2%和50.8%。

（3）玄武巖纖維可有效提升混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和材料耐久性。玄武巖纖維摻量為0.6%時(shí)，混合料抗疲勞性能較未摻纖維瀝青混合料提升73.28%。

（4）通過(guò)對(duì)玄武巖纖維摻量對(duì)環(huán)氧瀝青混合料性能的系統(tǒng)研究，認(rèn)為0.6%摻量下玄武巖纖維可綜合提升環(huán)氧瀝青混合料路用性能。