潘軍利，李德文，黎碧波

(陜西省交通建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075)

0 引 言

橋面鋪裝是橋梁結(jié)構(gòu)中直接承受車輛荷載的部分，質(zhì)量良好的橋面鋪裝層是行車安全與舒適度的重要保證。相對于普通的瀝青面層，橋面鋪裝受力更復(fù)雜，高溫和低溫等氣候條件更苛刻，而且通常不能采用大型振動壓路機(jī)壓實(shí)，容易出現(xiàn)開裂、坑槽、車轍等病害[1-2]。

目前，橋面鋪裝形式主要有SMA、環(huán)氧瀝青混凝土、澆注式瀝青混凝土3種類型[3]。近年來，國內(nèi)外相繼開展了不少針對這3種材料的研究。張銳等[4]研發(fā)澆注式瀝青混凝土兩階段級配設(shè)計(jì)方法，通過車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，證明該方法可以提高混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能。Chen 等[5]通過流動、壓痕、彎曲和車轍試驗(yàn)研究了加入特立尼達(dá)湖瀝青的澆注式瀝青混凝土的路用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)特立尼達(dá)湖瀝青使混合料的耐久性和剛度有所提高。Qiu等[6]提出了一種基于Bailey方法的混合設(shè)計(jì)方法，可以準(zhǔn)確地量化 SMA 混合料的骨料級配，更好地了解其對瀝青混合料承載力的影響，研究結(jié)果表明用該方法設(shè)計(jì)的 SMA 混合料具有良好的抗車轍特性。Ahmadinia等[7]對廢舊聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)加入SMA中的工程特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)聚酯對混合料的性能有顯著影響，可以促進(jìn)工業(yè)廢料的再利用。殼牌公司開發(fā)了一種A、B雙組分環(huán)氧樹脂改性瀝青，B組分為環(huán)氧樹脂和胺類固化劑，A組分為基質(zhì)瀝青。Cong等[8]通過間接拉伸疲勞試驗(yàn)和靜態(tài)蠕變試驗(yàn)研究了環(huán)氧樹脂對瀝青混合料的黏結(jié)性能和疲勞性能的影響，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂能夠提高瀝青混合料的黏結(jié)性能和疲勞性能，并且與基質(zhì)瀝青相比，具有更好的抗變形能力和恢復(fù)性能。Qian等[9]提出了一種適用于活動結(jié)構(gòu)橋面的輕量級環(huán)氧瀝青混合料，試驗(yàn)結(jié)果表明這種材料具有良好的抗水損害、永久變形和低溫開裂性能。東南大學(xué)陳志明教授和黃衛(wèi)教授課題組[10-13]利用順酐對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，以脂肪族二元酸為固化劑制備高性能環(huán)氧瀝青材料，并且在武漢天興洲大橋和上海閔浦大橋等工程中應(yīng)用。相對來說，固化反應(yīng)使環(huán)氧瀝青混合料可以形成一個致密的、低空隙率的整體，高溫性能、抗疲勞和抗水損害性能較好，但環(huán)氧瀝青剛性大，低溫柔性差，而且造價較高。

不飽和聚酯樹脂(UPR)與環(huán)氧樹脂有許多相似的化學(xué)性質(zhì)，并具有優(yōu)良的耐熱性、力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕和介電性能[14-15]。將 UPR加入瀝青中，經(jīng)固化反應(yīng)形成不可逆的固化物，有望使瀝青擁有更加優(yōu)秀的熱塑性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。

目前不飽和聚酯樹脂多用于涂料、填料、修補(bǔ)材料，或與混凝土、砂子等混合使用[16-18]；未將見不飽和聚酯樹脂應(yīng)用于改性瀝青橋面鋪裝的研究。本文通過一系列試驗(yàn)，研究用于橋面鋪裝的UPR改性瀝青的高低溫性能、水穩(wěn)定性、抗疲勞等路用性能。

1 瀝青混合料的制備

1.1 原材料

本研究采用的原材料主要有不飽和聚酯樹脂(UPR)、環(huán)氧樹脂(ER)、固化劑、相容劑、 偶聯(lián)劑、稀釋劑、瀝青、集料、礦粉。UPR為雙酚A型不飽和聚酯樹脂，分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示，性能指標(biāo)如表1所示。UPR固化劑為過苯甲酸叔丁酯，相容劑為順丁烯二酸酐(又稱馬來酸酐), 偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑 KH560，稀釋劑為UPR專用樹脂稀釋劑。選用殼牌90號瀝青，其性能指標(biāo)如表2所示。粗集料為陜西商洛興達(dá)石料廠生產(chǎn)的玄武巖碎石，要求干燥、無雜物以及表面粗糙，耐磨性能符合要求。細(xì)集料、礦粉為石泉縣池河鎮(zhèn)頂鑫石料廠提供的石灰?guī)r機(jī)制砂， 要求干燥、潔凈、無雜質(zhì)。

圖 1 UPR分子結(jié)構(gòu)

表1 不飽和聚酯樹脂技術(shù)指標(biāo)

表2 90號道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性瀝青制備

根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)氧瀝青研究經(jīng)驗(yàn)，UPR改性瀝青也采用雙組分的方法制備，即組分A(UPR)和組分B(瀝青和其他添加劑)。具體操作為：按照1∶0.074∶0.040∶0.024∶0.006∶2.456的比例準(zhǔn)備好UPR、相容劑、固化劑、偶聯(lián)劑和基質(zhì)瀝青。先將相容劑分多次加入 160 ℃的基質(zhì)瀝青中，并在加熱狀態(tài)下進(jìn)行高速剪切，攪拌速率為 200 r·min-1，溫度保持在160 ℃，直至白色煙霧消失。然后將稱量好的固化劑分多次加入瀝青中，混合均勻，再把偶聯(lián)劑和稀釋劑分別加入瀝青，攪拌10～20 min，形成混合乳液，即為B組分。然后將準(zhǔn)備好的A組分在80 ℃下預(yù)熱 5 min，加入調(diào)配好的B組分中，即形成不飽和聚酯樹脂改性瀝青。環(huán)氧改性瀝青由環(huán)氧樹脂、固化劑和瀝青組成，樹脂∶固化劑=1∶1，環(huán)氧樹脂摻量為瀝青用量的30%，也采用雙組分法制備。

1.3 礦料級配及最佳油石比

對AC-13瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)級配及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%五個油石比，相應(yīng)制作 5 組馬歇爾試件，每組4個，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。從表3得到 UPR改性瀝青混合料的最佳油石比為 6.5%?；|(zhì)瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料的最佳油石比分別為 6.5%。

表3 馬歇爾設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究UPR改性瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能，主要包括強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗老化性、抗疲勞性和耐油腐蝕性等，并與基質(zhì)瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料的性能進(jìn)行對比。

2.1 抗拉強(qiáng)度

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)(簡稱試驗(yàn)規(guī)程) 中的劈裂試驗(yàn)方法(T 0716—2011)，采用雙面擊實(shí)75次成型的馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率為 50 mm·min-1。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，雙酚A型UPR改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度雖然不及環(huán)氧瀝青混合料，但遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青混合料，是其強(qiáng)度的3.1倍。因此UPR改性瀝青混合料是一種力學(xué)性能優(yōu)良的材料。

2.2 抗彎拉強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，采用室內(nèi)小梁試件三點(diǎn)加載試驗(yàn)(T 0715—2011)測定瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度。小梁試件尺寸為長250 mm、寬30 mm、高35 mm，加載速率為50 mm·min-1，測試溫度為15 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果(15 ℃)

由表5可以看出，當(dāng)溫度為15 ℃時, UPR改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度優(yōu)于基質(zhì)瀝青, 但遠(yuǎn)低于環(huán)氧瀝青，且最大彎拉應(yīng)變也低于環(huán)氧瀝青, 說明UPR改性瀝青混合料的強(qiáng)度與環(huán)氧瀝青混合料相比稍有不足，但柔韌性良好。

2.3 高溫穩(wěn)定性

本文采用車轍試驗(yàn)對UPR改性瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行研究。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程的瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法(T 0719—2011)，采用輪碾法制作長300 mm、寬300 mm、高50 mm的車轍板試件，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓0.7 MPa，往返碾壓速度為42 次·min-1。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出，UPR改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度只有環(huán)氧瀝青混合料的40%，卻是基質(zhì)瀝青混合料的7.16倍，這說明在高溫性能方面，UPR改性瀝青混合料雖然與環(huán)氧瀝青混合料存在差距，但是遠(yuǎn)優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，因此仍不失為一種高溫性能優(yōu)良的材料。

2.4 低溫抗裂性

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，采用低溫彎曲試驗(yàn)(T 0728—2011)研究混合料的低溫抗裂性。本試驗(yàn)采用由輪碾法成型后的試件切成的小梁試件，尺寸為長250 mm、寬30 mm、高35 mm，加載速率為50 mm·min-1，測試溫度為-10 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可以看出：在溫度為-10 ℃時， UPR改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度是環(huán)氧瀝青的62%，是基質(zhì)瀝青混合料的119%；UPR改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變是環(huán)氧瀝青混合料的3.19倍，是基質(zhì)瀝青混合料的2.56倍，說明UPR改性瀝青混合料的柔韌性遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧瀝青混合料。

表7 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.5 水穩(wěn)定性

本研究利用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對比評價瀝青混合料的抗水損害能力。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程中的試驗(yàn)方法(T 0709—2011和T 0729—2011)分別進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表8。

表8 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，UPR改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料；UPR改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別是環(huán)氧瀝青混合料的1.13 倍、基質(zhì)瀝青混合料的1.09 倍，這說明UPR改性瀝青混合料經(jīng)凍融作用后的性能優(yōu)于其他2種瀝青混合料。因此，UPR改性瀝青混合料擁有優(yōu)異的水穩(wěn)定性。

2.6 抗疲勞性

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，本文采用四分點(diǎn)中點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)(T 0739—2011)對瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)。小梁尺寸為長250 mm±2 mm，寬40 mm±2 mm，高40 mm±2 mm，試驗(yàn)儀器為MTS-810型材料測試系統(tǒng)。采用正弦波形荷載進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度為15 ℃，應(yīng)力比為0.3、0.4、0.5、0.6四個等級。試驗(yàn)結(jié)果如表 9 、10所示。

表9 瀝青混合料的破壞應(yīng)力

在相同的應(yīng)力比下，UPR改性瀝青混合料的疲勞壽命大于基質(zhì)瀝青混合料、小于環(huán)氧瀝青瀝青混合料，但隨著應(yīng)力比的增大，與后者的疲勞壽命差距逐漸減小，說明UPR改性瀝青的抗疲勞性能雖略差于環(huán)氧瀝青，卻遠(yuǎn)優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

理論研究表明，應(yīng)力比與疲勞壽命在雙對數(shù)坐標(biāo)上表現(xiàn)為直線關(guān)系，通?？杀硎緸?/p>

表10 不同應(yīng)力比下的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

lgNf=K-nlgσt

(1)

式中：Nf為達(dá)到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)；σt為應(yīng)力；K為回歸常數(shù)，與材料組成和性質(zhì)有關(guān)；n為回歸常數(shù)，與試驗(yàn)條件和材料特性有關(guān)。

不同類型瀝青混合料的疲勞回歸方程見表11。在雙對數(shù)坐標(biāo)下，K為疲勞曲線的截距，K值越大，表明混合料的抗疲勞性能越好。由表11可以看出，UPR改性瀝青混合料的抗疲勞性能略遜于環(huán)氧瀝青混合料，但優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

表11 不同類型混合料的疲勞回歸方程

由表11可以發(fā)現(xiàn)，UPR改性瀝青和環(huán)氧瀝青混合料試件浸油后質(zhì)量變化極小，且試件顏色未發(fā)生變化，說明 UPR改性瀝青混合料的耐油腐蝕性優(yōu)良，與環(huán)氧瀝青混合料相當(dāng)。

3 成本分析

環(huán)氧瀝青由環(huán)氧樹脂、固化劑和瀝青組成，其配比為瀝青∶環(huán)氧樹脂∶固化劑=6∶2∶2。瀝青為90號殼牌瀝青，價格為3 000 元·t-1，環(huán)氧樹脂與固化劑的價格為55 000 元·t-1，可算得環(huán)氧瀝青的價格為12 800 元·t-1。

UPR改性瀝青配合比為雙酚A型不飽和聚酯樹脂∶馬來酸酐∶固化劑∶硅烷偶聯(lián)劑∶稀釋劑∶瀝青=1∶0.074∶0.040∶0.024∶0.006∶2.456。瀝青的價格為3 000 元·t-1，樹脂的價格為17 000 元·t-1，固化劑的價格為20 000 元·t-1，馬來酸酐的價格為16 000 元·t-1，硅烷偶聯(lián)劑的價格為35 000 元·t-1，稀釋劑的價格為9 500 元·t-1，可算得UPR改性瀝青的價格為7 567 元·t-1。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，UPR改性瀝青的價格優(yōu)勢明顯。

4 結(jié) 語

本研究開發(fā)了以UPR為瀝青改性劑的橋面鋪裝瀝青混合料，并通過室內(nèi)試驗(yàn)，將其與基質(zhì)瀝青、環(huán)氧瀝青作路用性能對比分析，得到以下結(jié)論。

(1)UPR改性瀝青混合料的強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能不如環(huán)氧瀝青混合料，但顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

(2)UPR改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變分別是環(huán)氧瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料的3.19倍和2.56倍，即低溫抗裂性明顯優(yōu)于環(huán)氧瀝青和基質(zhì)瀝青。浸水馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比也高于環(huán)氧瀝青。此外，UPR改性瀝青混合料與環(huán)氧瀝青混合料一樣，擁有良好的抗油腐性。

(3)通過成本分析發(fā)現(xiàn)，UPR改性瀝青的價格只有環(huán)氧瀝青的59%。結(jié)合其性能測試結(jié)果，UPR改性瀝青不失為一種兼具優(yōu)良性能和價格優(yōu)勢的橋面鋪裝材料。

(4)UPR改性瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫性能與環(huán)氧瀝青混合料的差距較大，應(yīng)進(jìn)一步探討增強(qiáng)的方法。 此外，可以建立一套完整的UPR改性混合料性能評價體系，指導(dǎo)UPR改性瀝青的推廣應(yīng)用。