【大跨径钢桥桥面铺装中环氧沥青混凝土优良性能的研究】 大跨径桥面铺装技术

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  【摘要】本文研究了环氧沥青混凝土的路用性能,并就其强度、高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳和抗腐蚀性等力学性能与AC 改性沥青混凝土和SMA做了对比,表明了环氧沥青混凝土在大跨径钢桥桥面铺装中具有其他类沥青混凝土不可比拟的优异性。   【关键词】环氧沥青混凝土;强度;高温稳定性;水稳定性   中图分类号:TU37文献标识码:A 文章编号:      引言   环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中, 经与固化剂发生固化反应, 形成不可逆的固化物, 这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质, 而赋予了沥青全新的优良物理力学性质。用环氧沥青拌制的沥青混合料, 其路用性能比普通沥青混合料优异得多。   1.环氧沥青混凝土优良性能   1.1强度高, 刚度大   热拌环氧沥青混凝土的马歇尔稳定度可以达到40 kN~60kN, 冷拌的环氧沥青混凝土也能达到25 kN~30kN, 而一般的沥青混凝土稳定度仅为8 kN~12kN。由此可见, 它是一种高强的铺面材料。壳牌石油公司( SHELL) 所配制的环氧沥青混凝土, 其马歇尔稳定度超过45kN, 而普通沥青混凝土的稳定度仅为8 kN~12kN, 相差达4倍~5倍。冷拌环氧沥青混凝土的抗压强度在10MPa 以上, 虽然比热拌环氧沥青混合料的低, 但它与普通热拌沥青混凝土相比仍高出很多, 是其的4倍~5倍。常温下, 环氧沥青混凝土的弯拉劲度模量(12 000MPa)是普通沥青混凝土弯拉劲度模量(3 000MPa)的4倍。可见, 环氧沥青混凝土不但强度高, 刚度大, 而且还有很高的抗变形能力。      1.2良好的高温稳定性   钢桥面铺装在炎热的夏季其表面和内部温度有时可以达到70度 左右, 因此, 这要求桥面铺装材料要有良好的高温稳定性。在60℃和70℃下进行环氧沥青混凝土、AC 改性沥青混凝土和SMA 的轮辙试验。   车辙试验结果         结果表明, 在60℃时, AC 改性沥青混凝土和SMA 的动稳定度( 次/mm- 1) 都在2 000多, 而环氧沥青混凝土几乎没有变形。在70℃时, 环氧沥青混凝土的动稳定度在5 500 左右, 接近是另两者的8 倍。可见,环氧沥青混凝土在高温下的累积变形远小于其他沥青混合料, 动稳定度远大于其他类型的沥青混合料。这说明环氧沥青混凝土具有优良的高温稳定性, 抵抗车辙变形和拥包等病害的能力更强, 比其他沥青混合料更适用于在高温条件下的道路和桥面的铺装。   1.3低温抗裂性好   (1)小梁弯曲试验。分别对环氧沥青混凝土、AC 改性沥青混凝土、SMA 在15℃和- 15℃下的梁式试件(30mm *35mm*250mm)进行弯曲试验, 评价它们的低温性能。从弯曲试验结果可以看出, 在15℃时, 环氧沥青混凝土的弯曲强度比另外2 种沥青混合料的弯曲强度要大得多,而最大的应变比较接近。在- 15℃时, 虽然环氧沥青混凝土的最大应变有所降低, 但仍同15℃保持在同一数量级上, 而AC 改性沥青混凝土和SMA两者的最大应变随着温度的降低而迅速降低, 仅为15 ℃时的8 %左右。   (2)脆点试验。对不同环氧树脂掺量制成的混凝土时间进行小梁弯曲试验, 发现随着环氧树脂掺量的增加, 环氧沥青混凝土的劲度增大,一般来说, 沥青混合料的劲度越高, 诱发开裂的可能性越大。同时, 测量60℃下固化3 d 制成沥青结合料的脆点, 结果表明,尽管随着结合料中环氧树脂含量的增大环氧沥青结合料劲度越高, 但是其脆点变得越低。因此, 环氧沥青具有良好的低温抗裂性能。   综上可见, 在低温环境下, 环氧沥青混凝土不但有较高的强度, 而且有很好的变形能力,环氧沥青混凝土的线收缩系数与钢板的比较接近, 当温度变化时只会在层间产生微小的剪应力,因此低温时不会发生铺装层的破坏。   1.4良好的疲劳性和抗腐蚀性   环氧沥青混凝土由于强度高, 在同样的应力水平下, 表现出极其优良的耐疲劳特性, 几乎是普通沥青混凝土疲劳寿命的10 倍~ 30 倍。澳大利亚西门大桥( West Gate Bridge) 管理局所做的疲劳试验表明, 环氧沥青混凝土的疲劳寿命为5 *106 次, 而普通沥青混凝土仅仅为0. 29*106 次, 两者相差17.2 倍。   环氧沥青混凝土弯曲疲劳寿命         SHELL 公司疲劳试验的结果   由此可见, 环氧沥青混凝土拥有良好的耐疲劳特性, 用于重交通路面和钢桥桥面的铺装, 可以大大延长铺面的使用寿命。   普通沥青混凝土如果有柴油等燃油渗入, 会使沥青失去粘结力而松散。而环氧沥青混凝土却不怕燃油的浸蚀。壳牌公司曾经将环氧树脂沥青混凝土和普通沥青混凝土放入柴油中浸泡, 普通沥青混凝土24 h 后即泡软, 棱角松散脱落, 而环氧沥青混凝土经过一个月的浸泡仍然完好无损。   1.5优良的水稳定性   沥青混合料的水稳定性是指抵抗受水浸蚀后逐渐产生的沥青膜剥离、掉粒、坑槽等破坏的能力。对于钢桥面铺装的沥青混合料, 其防水要求更高, 以防止水分渗入, 影响粘结层与钢板的粘结性能。沥青混合料在泡水的情况下强度降低越小说明其水稳定性越好。采用最佳油石比成型的环氧沥青混凝土试件和SMA试件进行泡水48 h 的马歇尔试验。试验发现, 环氧沥青混凝土的稳定度是SMA 的13 倍; 流值( 0. 1 mm) 在30( 0. 1 mm) 以下, 仅为SMA 的一半; 残留稳定度在90 %以上, 为SMA 的1. 15 倍。成型条件相同的环氧沥青混凝土试件泡水96 h, 进行相同试验, 同泡水48 h 的环氧沥青混凝土试件对比发现: 流值仅仅增长了30 % ,而残留稳定度几乎没有发生改变。从沥青混合料的残留稳定度试验结果不难看出,环氧沥青混凝土的残留稳定度要比其他类型的沥青混合料要高得多, 而且稳定度的数值也大很多, 说明环氧沥青混凝土抗水侵蚀的能力很好. 从浸泡不同时间的试验结果看出, 环氧沥青混凝土96 h 和48 h 的残留稳定度没有什么区别, 亦即水对环氧沥青混凝土基本无侵蚀现象   2.结束语   环氧沥青混凝土铺装层的主要优点是: 强度高、刚度大,高温时抗塑性和永久变形能力强,低温抗裂性和抗腐蚀性好,并且由于环氧沥青混凝土强度高, 在同样应力水平下, 表现出极好的抗疲劳性能,因此,环氧沥青混凝土是大跨径钢桥桥面铺装中比较理想的铺装材料。      参考文献:   [ 1] 王 晓, 程 刚, 黄 卫. 环氧沥青混凝土性能研究[ J] . 东南大学学报, 2001( 11) : 62- 63.   [ 2] 杨若冲, 程 刚. 环氧沥青混合料性能及其应用[ J] . 中外公路, 2004( 4) : 40- 41.   [ 3] M. Dinitz, Michael S. Stenko.The Successful Use of Thin Polysulfide Epoxy Polymer Concrete Overlays on Concrete and Steel Orthotropic Bridge Decks. 2010 Structures Congress © 2010 ASCE.   注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。