（材料学专业论文）环氧沥青混合料及其在桥面铺装上的应用研究.pdf

摘要 论文根据当今国内外环氧沥青混合料在桥面铺装中的应用现状以及路用性能研究 发展，针对环氧沥青物理化学性能的试验分析，在进一步验证环氧沥青混合料优越路用 性能的基础上，研究分析环氧沥青混合料作为水泥混凝土桥桥面铺装上层材料的性能特 点。 通过对环氧沥青制备初步试验，选择出适合环氧沥青的环氧树脂固化剂，解决环氧 树脂与基质沥青的相容问题，以此作为环氧沥青制备过程中进一步加以改性的思路；在 环氧沥青性质试验分析中，认为环氧沥青的粘度和时温性是关键的影响因素，并且提出 采用针入度指标来反映环氧沥青的固化程度。通过马歇尔试件试验，根据固化时间对各 指标变化的影响，确定环氧沥青混合料的最佳成型时间以及最佳油石比。并通过相应试 验，进一步证明了环氧沥青具有高强度、高抗变形、高温稳定性、强水稳定性、耐腐蚀 性、以及强抗疲劳性等，能够较好地满足混凝土桥面对铺装材料的要求。 通过设计的环氧沥青混合料与其他沥青混合料相结合的组合材料结构，采用分级疲 劳试验，验证环氧沥青混合料优良的抗疲劳性能，以及作为上层材料对整体抗疲劳作用 中所起到的作用；验证这种组合结构铺筑在水泥混凝土桥的可靠性和合理性。 对比普通沥青混合料的施工工艺，阐述了环氧沥青混凝土的施工的特殊要求以及在 施工过程中应强调的关键技术问题。 关键词：环氧沥青；环氧沥青混凝土；桥面铺装；组合材料；环氧沥青施工工艺 a b s t r a c t a c c o d i n gt o t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd e c ks u r f a c i n gw i t he p o x ya s p h a l ta n di t s d e v e l o p m e n ti nc h i n aa n da b r o a d ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ef e a t u r eo ft h ef u n c t i o no f e p o x ya s p h a l tu s e do ns u r f a c ep a v e m e n to fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g et h r o u g ha n a l y z i n gt h e p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fe p o x ya s p h a l ta n df u r t h e rt e s t i n gt h es u p e r i o r i t yo f e p o x ya s p h a l ti nt h er o a dc o n s t r u c t i o n t h r o u g ht h ep r i m a r yt e s to fe p o x ya s p h a l t ，t h ef i t f u lc o n s o l i d a t i o na g e n to fe p o x y h a s b e e ns e l e c t e dt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a te p o x yi sn o te a s yt om i xw i t ha s p h a l t ，a n dan e w i d e at oi m p r o v et h ee p o x ya s p h a l ti sg i v e n t h ev i s c o s i t ya n dt i m e t e m p e r a t u r es e n s i b i l i t y a r ei m p o r t a n tp r o p e r t i e so fe p o x ya s p h a l ti nt h et e s to fa n a l i z i n ge p o x ya s p h a l t a s u g g e s t i o ni s a l s og i v e nt or e f l e c tt h ec o n s o l i d a t i n gd e g r e eo fe p o x yb yp e n e t r a t i o n p r o p e r t y t h eo p t i m u mt i m eo ff o r m i n gt h ee p o x ya s p a l tm i x t u r ea n dt h eo p t i m u ma s p h a l t c o n t e n ts h o u l db ec o n f i n e db ym a r s h a lt e s ta n dt h ep r o p e r t i e sr e l a t e dt os o l i d a t i n gt i m e i t i sd e e p l yd e m o n s t r a t e dw i t hf i t i f u lt e s t st h a te p o x ya s p h a l th a ss u c hp r o p e r t i e sa sh i g h s t r e n g t h ，h i g ha n t i d e f o r m a t i o n ，s t a b i l i t yi nh i g h e rt e m p e r a t u e ，h i g ha n t i - w a t e rp r o p e r t y , a n t i - p o l u t i o np r o p e r t y , e t c t h ee p o x ya s p h a tc a nm a k et h en e e d so fc o n c r e t eb r i d g ed e c k s u r f a c i n gc o m p l e t e l y t h r o u g ht h ed e s i g n e ds t r u c t u r eo fc o m p o u n d i n gm a t e r i a lw i t he p o x ya s p h a l ta n dt h e o t h e ra s p h a l tm i x t u r e ，t h ed u r a b i l yo fe p o x ya s p h a l tm i x t u r ea n df o u n c t i o nt ot h ee n t i r e d u r a b i l i t yo fu p p e rl a y e rf o r m e db ye p o x ya s p h a l tm i x t u r ea r ei n s p e c t e ds u c ht e s t sa s g r a d a t i n gd u r a b i l i t yt e s t ，t e s tf o ri n s p e c t i n gt h en i c ed u r a b i l yo fe p o x ya s p h a l tm i x t u r e a t t h es a m et i m e ，t h et r u s t n e s sa n dr e a s o n a b i l i t yo ft h ec o m p o u n d i n gm a t e r i a lu s i n gf o r c o n c r e t eb r i d g ed e c ks u r f a c i n ga r ei n s p e c t e d c o m p a r e dw i t ht h ec o n s t r u c t i o nc r a f to fc o m m o na s p h a l tm i x t u r e ，s o m es p e c i a l r e q u i r m e n t sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t ea n di m p o r t a n tt e c h n i c a lp o i n t s i nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o na r ee l a r i f l e d k e y w o r d ：e p o x ya s p h a l t ，e p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ，d e c ks u r f a c i n g ，c o m p o u n dm a t e r i a l ， t h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o no fe p o x ya s p h a l t i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：李纯是一 p g 年乡月涉日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 名姒 考阻丝 醌年只2 1e t b 鑫年其弓e t 长安大学硕上学位论文 1 1 沥青概述 第一章：绪论 石油沥青具有优良的防水性能和粘结性能，而且资源相对丰富，价格适宜，因此长 期以来被广泛地用作筑路材料、防水材料和密封材料等。但由于沥青相对分子质量较低 且其分布较宽，力学性能对温度敏感性较大，低温易变脆，高温易流淌，几乎无弹性， 耐老化性能差等不足，所以其应用大大受到了限制。随着现代经济的高速发展，各个区 域之间的政治、经济、文化交往日益密切，这就对交通设施提出越来越高的要求。在现 阶段公路建设的进行中，面对于日益繁重的交通需求来说，普通道路石油沥青难以满足 实际需要，产生大量道路病害，造成严重的经济损失。这一方面是由于车辆的超载现象 较为严重，另一方面也是因为道路材料自身的性质缺陷。为了解决这一问题，在治理超 载现象的同时，对于铺装材料的改性研究日益引起了交通和材料领域的广泛关注，成为 当今道桥研究方向的一大热点。采用高分子材料对沥青改性是提高沥青性能的最佳途 径。 在道路路面铺装材料的选择上，目前主要有水泥混凝土和沥青混凝土两种形式，由 于沥青混凝土有水泥混凝土不可替代的优异性能，沥青混凝土成为世界各国公路行业首 选的路面和桥面铺装材料。但是，沥青具有粘性和弹性，其表现为流动性和抗流动性。 在高温环境下，粘性占主导地位，沥青易流动；低温下，弹性占主导地位，沥青表现出 抗流动性。这些特性表现为采用沥青铺设的路面，在夏天高温季节、重载荷作用下易出 现车辙，拥包和推挤等不可恢复路面变形；而在冬天寒冷季节易出现温缩裂缝、龟裂等 病害。这主要是沥青对温度的敏感性的原因所致。另外石油沥青的耐久性也较差，经过 几个季节交替，其延伸率、软化点和针入度等指标都有不同程度的降低、相应的路用性 能也明显变差。 沥青的改性是指在普通的基质沥青中添加外加剂，从而达到提高沥青普通性能、克 服其使用缺陷的目的。长久以来，现代发达的化学工业为沥青的改性提供了多种改性的 材料，从路用的各个性能要求出发，寻找适当的化学物质改性剂。目前，改性沥青常指 聚合物改性沥青，用于改性的聚合物种类很多，一般常用的有天然橡胶呷t ) 、丁苯橡胶 ( s b r ) 、苯乙烯丁二烯嵌段共聚物( s b s ) 、聚乙烯( p e ) 、乙烯一醋酸乙烯共聚物( e v a ) 及 环氧树脂( e p ) 等。这些改性沥青，在使用的过程中，可以看出在很大程度上改善了普通 第一章：绪论 沥青的多种缺陷。 1 2 道路沥青的发展概况及其特性 1 2 1 沥青混合料及其发展 由于石油沥青混合料在路面使用上有其他材料无比的优越性，随着现代交通的高速 发展，普通沥青混合料应用技术得到了很大的发展。沥青在路面上的使用历史可以追溯 到公元- 自i i 6 0 0 年，巴比伦铺建了人类历史上的第一条沥青路面。但是这项技术不久就失 传了，当人类再次使用沥青混合料作为铺筑材料的时候已经到了公元1 9 世纪。使用初期， 沥青和碎石一起使用，后来出现了被稀释的沥青，这都是沥青应用的早期情况。在美国 人提出针入度作为沥青的等级指标和德国人提出沥青组分分析方法后，沥青的使用技术 才逐渐成熟起来。 随着交通等级的不断提高，简单的沥青表面处理并不能满足实际应用要求，因此而 出现了拌制沥青混合料。上个世纪4 0 年代，美国密西西比州道路局的马歇尔工程师提出 了著名的马歇尔稳定度试验方法，同时提出马歇尔稳定度的评定标准。这是沥青作为路 面的材料的历史中的一个重大的飞跃，这些标准一直沿用至今。 随后在6 0 年代，美国a a s h o 试验路的铺筑和大量的实验研究成果的发表，使得沥青 路面从设计、施工到结构、材料都发生了根本的变化。a a s h o 试验路的研究成果集当 时研究成果之大成，并因此而形成了一系列具体的路面设计指南和规范。 9 0 年代初，美国s h r p ( 战略公路计划) 研究项目的提出和进行开创了沥青研究的新 纪元。国际上对沥青材料的研究开始得到了前所未有的重视。这一项目的成果冲击和挑 战了已经延用半个世纪以来的沥青标准和规范。这个项目的基本思路是将沥青的化学性 质和物理性质分别与其路用性能的研究联系起来，整个研究项目由实验设计、协调和材 料控制等几个方面组成，其基本发展方向是经济和技术的可行性，这一项目一直研究至 今尚未完全完成。 目前国际上关于沥青的重要研究方向和课题有沥青的高温稳定性问题、低温抗裂性 问题和耐久性问题，由此而产生了沥青混合料结构和沥青改性等热点研究方向。 1 2 2 沥青铺筑路面在我国的发展 改革开放以来，我国经济高速发展，各地区间经济、政治、文化交往更加频繁，对 交通条件的要求更加“苛刻”。交通的发展有更为广阔的发展空间。我国自“七五”以 2 长安人学硕：学位论文 来，交通得到了长足发展，而且对交通等级的要求提高到一个新的高度。高等级路面和 一级的路面铺装使得沥青路面的使用所占的比重越来越大，我国沥青路面和水泥路面的 发展状况如表1 1 ： 表1 1 我国各年份不同路面建设里程 年份 1 9 9 01 9 9 i1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 0 沥青 2 6 4 6 7 92 6 3 9 9 62 8 0 3 3 02 9 9 2 5 73 1 7 5 5 33 4 0 6 5 53 6 9 1 6 13 9 8 7 5 04 2 0 0 0 0 4 7 9 7 5 8 路面 水泥 1 1 3 7 31 5 2 3 42 1 3 2 l2 8 0 4 93 5 5 8 94 6 1 7 25 6 6 2 56 8 7 4 08 4 0 0 01 1 5 7 5 4 路面 从上表可以看出，我国沥青路面的增长迅速，所占比重逐年增加。同时，在我国新 建和旧路改造过程中均需要沥青原料，因此，对沥青原料的需求量无法估计。就目前来 讲，我国每年新建公路所需6 0 多万吨沥青原料，再加上旧路改造以及路面修复所需要的 沥青用量已经超过了4 0 0 万吨。 1 3 桥面铺装结构以及环氧沥青混合料使用现状 1 3 1 桥面铺装现状 桥梁是交通网中的瓶颈节点，它在整个交通领域中也起着举足轻重的作用。而桥面 铺装是桥梁建设的重要组成部分，它的好坏直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁构 造的耐久性以及投资效益和社会效益等方面。桥面铺装各方面性质的体现终归是铺装材 料，铺装材料是桥面铺装的基础。大跨径桥梁上的沥青混凝土铺装层的使用条件和受力 状态十分恶劣，它要求铺装层不仅要有良好的追随桥梁变形的适应能力，同时还要在高 温和汽车荷载作用下不能产生过大的推移变形。另外，还要求铺装结构要具有良好的不 透水性，以防止铺装层渗水导致下层桥梁结构受到水侵蚀。在满足这些要求的同时，它 还要求铺装层要有较长的使用寿命和较强耐疲劳开裂等特性。 而作为桥面铺装层粘结材料的沥青胶结料性能，是影响整体质量的重要因素。由于 桥面铺装层直接铺设在水泥混凝土或正交异性钢板上，在行车荷载、风载、温度变化及 地震等因素影响下，受力和变形远比普通沥青路面复杂的多。桥面沥青铺装材料在抵抗 高温变形和低温开裂能力，以及抗疲劳、抗老化、抗水损坏性能上、保持与桥面良好的 粘结性及变形适应性上，比路面沥青材料的在性能上的要求要高得多。因此，普通沥青 及普通沥青混合料是很难完全达到这样的高要求。 第一章：绪论 目前世界各国在桥面铺装上大多采用的方法有：一是以德国和同本为代表的浇注式 沥青混凝土；二是以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土；三是以德国和日本为代表的改性 沥青s m a ；四是以美国为代表的环氧沥青混凝土。 1 、浇筑式沥青混凝土( g u s s a s p h a l t ) 二十世纪五十年代源于德国，当时主要应用于 高速公路的修复。浇注式沥青混凝土指在高温状态下( 约2 0 0 i 一- 2 4 0 ) 进行拌和及 摊铺的一种特殊沥青混合料。该混合料中沥青、矿粉含量较大，在高温状态下流动性很 大，应用特殊的滑板摊铺具有流动性的高温混合料，也可以象水泥混凝土一样人工摊铺， 不需要碾压，在摊铺的浇筑式沥青混凝土表面上撒布石屑，并用轻型碾压机把石屑压入 热沥青混凝土表面。在重交通条件下，浇筑式沥青混凝土可以作为基层，上面加铺改性 沥青混凝土面层。在浇注沥青混凝土上层撒布的石屑增加了材料的整体效能，可以提高 铺装层稳定性及力学性能。浇筑式沥青混凝土整体性好，防水性能优良，期望使用寿命 为2 0 年以上，在服务期内性能表现良好，维修量很小。浇筑式沥青混凝土桥面铺装初期 投资较高，但其寿命周期成本及优良的路用性能，与普通铺装材料相比则具有优越性。 成型后混凝土中的空隙率很小，理论上为零，工程实践中一般小于1 。 现如今世界范围内钢桥面铺装应用浇注式沥青混凝土的工程以日本最多。由于浇注 式沥青混凝土中沥青含量较多而使其高温稳定性差，故在桥面铺装中一般将其用作结构 下层。上层则一般采用抗高温性能更好的改性沥青密级配混凝土，或者采用细粒式沥青 混合料，有时也采用粗粒式沥青混合料。总铺装厚度一般在6 0 - - 8 0 m m 之间。 黢恪沥舒勿缀配混凝二f 3 0 4 0 嘲 丁鼍_ _ ? ：? 三_ 1 乏- 弋：孓亨= 互。预拌沥街辞否 ；籀；粤蔓弼街混糍。3 0 4 0 悯， 。一 橡黢汤籽粒屡1 5 一o 一 防锈屡6 0 一8 0 | l 曩 图1 1 日本采用的浇注式沥青混凝土桥面铺装的典型结构图 2 、沥青玛蹄脂混合料( m a s t i ca s p h a l t ) 沥青玛蹄脂混合料是由沥青胶结料、矿粉 和粗集料组成的无空隙不透水的混合料。沥青玛蹄脂混合料在欧洲广泛应用，在英国规 定用于悬索桥桥面铺装已有3 0 多年。沥青胶结料主要由普通沥青( 针入度6 0 - - 7 0 ) 和特 立尼达湖沥青按一定比例混合而成，最近标准要求7 0 特立尼达湖沥青。沥青玛蹄脂可 以现场拌制( 拌和温度2 0 0 - - 2 3 0 ) ；或工厂预制并冷却成2 5 k g 重的块状，以便运到 现场重新加热融化。施工时加入单一粒径( 1 0 - - 1 4 m m ) 粗集料( 约占总质量的4 5 ) 加热搅拌，并采用专用摊铺机浇筑式摊铺，最后在其表面压入预拌沥青碎石( 公称尺寸 4 长安大学硕士学位论文 为1 4 m m ) 。沥青玛蹄脂混合料具有优良的防水性及耐久性，其预期寿命为2 5 年。自二 十世纪六十年代沥青玛蹄脂混合料在桥面铺装中作为磨耗层或防水层广泛应用，并在我 国香港青马大桥及江阴大桥得到应用。 c 扣要_ ，三l = 之- ：i ：，c e 令獯挎沥青碎石 汤餐玛野精混：疑j 犯o 4 0 m m ) 一4 。 _ - _ - - _ 二j - e = = p 。i - 薯= = = - 橡胶沥青底屡1 知舅o m m ) 秸结底层o 扣4 o m a o 防锈艨l6 0 g 铂| l 霸 图1 2 碾压式沥青玛蹄脂混凝土桥面铺装典型结构图 3 、沥青玛蹄脂碎石( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) 沥青玛蹄脂碎石为德国和日本等国近期 采用的改性沥青s m a 桥面铺装方案。沥青玛蹄脂碎石混合料的粗骨料含量大，矿粉含量 较密级配高，是一种典型的骨架密实型结构。改性沥青s m a 混凝土铺装层柔韧性、抗松 散、抗裂能力强；具有良好的耐久性和防水性；抗塑性流动和抗永久变形能力强，不易 产生车辙；具有粗糙的表面构造，防滑性能好。其主要不足是：对集料要求高，保质年 限短。在德国，s m a 既可以用于铺装下层，也可以用于铺装面层；在日本，s m a 的铺 装实例主要用于铺装下层，面层则改用改性沥青密级配混凝土。改性沥青双层s m a 方案 在我国广东虎门大桥、汕头海湾大桥等大桥的桥面铺装中得到应用，并在参考这些铺装 的经验基础上，比较成功的应用在厦门海沧大桥、武汉白沙洲大桥的钢桥面铺装。 4 、环氧改性沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t ) 环氧改性沥青混凝土由壳牌石油公司最 初开发用于机场道面以抵抗飞机燃油和喷气的侵害，1 9 6 7 年首次用作美国s a n m a t e o h a y w a r d 大桥正交异性钢板桥面的铺装层。它是通过在沥青中添加热固性环氧树 脂和固化剂，经固化反应而形成的一种强度高、韧性好的沥青混凝土。 将环氧沥青混合料用作钢桥面铺装的国家主要有美国、日本、加拿大、荷兰和澳大 利亚，其中美国应用最为广泛。美国和日本还编写了相应的环氧沥青桥面铺装规范。其 典型结构如图 * 帝：绪论 j 乔；褂i 弧_ _ t j i t 麓i 踟f l 掰t 西裔锌窿漆 舭n 图1 j 钢桥环氧沥青捏合抖桥面铺装典型结构示意图 以上四种桥面铺装方案主要用于太跨径钢桥桥面铺装，对于水泥混凝土桥桥面铺装 的受力相对于钢桥有较大不同。因此，桥面铀装材料的结构使用也不能照搬，只能是借 鉴钢桥面的桥面铺装技术来进行专门的研究分析。国外比较重视寿命周期成本的分析， 相关研究较多；我田也开始展开对桥面铺装的初期成本、维修养护、改建费用及对交通 影响等费用成本的系统分析。各国根据其经济条件、应用经验、使用环境要求等，采用 相应桥面铺装方案，不能盲日照搬。我国也在借鉴国外经验的基础上，进行着新的铺装 方案试验及应用。 13 2 环氧沥青混合料的使用现状 环氧沥青混台料属于高强沥青混合料，其路用性能比其他沥青混合料要强的多，而 其受配制工艺复杂，6 口期投资成本大，施工工艺难以把握等限制，它的使用也就较难普 及。但是桥面铺装的病害的明显加剧，已经严重影响了桥梁的交通，因此具有独特性能 的环氧沥青材料在桥面铺装上的应用逐渐受到关注。 从世界上已建环氧沥青混凝土钢桥面铺装使用情况来看，除了成功的例子之外，也 有失败的案例。其中失败的典型案例有：1 、美国俄勒冈卅i 的f r e m o n ts t 桥，该桥桥面铺 装受到缚于车轮上防滑用的铁链的过度磨损而破坏，后来采用普通沥青混凝土重新铺 装；2 、巴西的一座r i o d ej a n e f i o 桥，铺筑的环氧沥青混凝土桥面使用性能很差。这可能 与该桥所处的热带地理环境位置及较大的铺装厚度( 远大于5 0 m m ) 有关：3 、台北的k u a n d u 桥严重的超载现象是导致铺装产生病害的主要原因之一；4 、美国路易斯安那州的 h a l eb o g g s 斜拉桥。采用5 0 m m 一层摊铺，由于部分区域的环氧沥青粘结料破坏而使桥 面铀装在完工后不久即出现脱层和严重的推挤和水久变形；5 、澳大利亚西门桥，总体 情况较好，主要问题是出现铺装层和钢板之问粘结力丧失现缘。在粘结力丧失区的铺装 层仍十分完蚶，但由于脱空的铺装层在行车荷载作用下小断拍打钢板而使钢板发生磨损 妊虫 学碗l 学位论文 井馊铺装层底面发生破坏。1 9 9 2 年对大约1 2 0 0 m 2 的铺装区采用原方案重新进行了摊铺。 尽管有如上这些环氧沥青混凝土钢桥面铺装病害的实例但美国环氧沥青铜桥面铺 装专家认为出现这! “病害的原因主要出自设计时对桥梁所在地的气候环境( 尤其温度) 、 交通荷载等因素考虑不足而导致的设计失误或是施工控制不严引起的。他们认为在j 下确 设计和施工的前提下，环氧沥青混凝土桥面铺装不会出现任何破坏。 日本铺装专家划认为，单从环氧沥青混凝土材料本身性能来看，这是一种非常好的 材料。但由于这种材料的性能受其成型时温度、时间等因素变化的影响很大，施工条件 苛刻，施工中对其质量很难控制，加上材料费用昂贵，而曾经摊铺过的环氧沥青桥面铺 装并未全部成功，日本并不十分支持使用该种材料进行桥面铺装。从美同两国专家的观 点米看，如果在设计中能够充分考虑桥面铺装的环境和交通条件，严格按照设计要求而 控制施工，使环氧沥青混凝土的优越性能得以充分体现，则采用环氧沥青混凝土进行桥 面铺装将是一种很好的方案。 14 桥面铺装常见病害 国外经历多年的工作经验的积累，相应的的桥面铺装技术发展到一个较为成熟的状 况。而国内由于桥面铺装技术起步较晚，存在的问题和不足相对较多。并且由于桥面所 处的特殊位置，相对于路而材料受到更加恶劣的自然环境的考验。冈此，桥面铺装存在 各种病害。主要原因除了严重的超载车辆以及严酷的气候条件不当外，还有因材料性能 不佳、结构设计缺陷以及施工质量控制不严等因素造成。特别是特大跨径钢箱梁桥以及 大跨径水泥混凝土箱梁，多数桥梁桥而铺装在投入使用不长的时间里就产生了病害。 图13 所示的是国内两座大跨径悬索桥桥面铺装的坑槽和龟裂病害状况。 图1 3 两座悬索桥桥面铺装坑槽和龟裂破坏状况 第一章：绪论 国内有学者研究的结果认为桥面铺装主要病害有以下几个方面 1 、纵、横向开裂 ( 1 ) 汽车荷载过重( 例如严重超载) 引起铺装表面拉应变过大； ( 2 ) 因桥梁结构特别是桥面系结构刚度不足，桥面板太薄等原因引起铺装表面拉应 变过大； ( 3 ) 因铺装材料耐疲劳性能不足。 2 、车辙 ( 1 ) 铺装热稳定性不足，在汽车反复荷载作用下，混合料产生蠕变； ( 2 ) 地区温度过高，长年高温季节过长及封闭式箱梁内部温度较高； ( 3 ) 汽车荷载过重( 超载) 。 3 、脱层及推移 ( 1 ) 铺装与钢板间结合强度不足，在高温下抗剪切推移变形能力； ( 2 ) 钢板表面不平整及桥面系结构刚度较低( 同时铺装与钢板间结振动荷载下引起 脱层，进而产生推移及斜向开裂； ( 3 ) 铺装整体抗拉强度不足，在产生推移时形成斜向开裂。 4 、坑槽 ( 1 ) 沥青砼抗水损害能力不足； ( 2 ) 铺装与桥面板间结合力不足及结合界面结合材料抗水损害能； ( 3 ) 沥青砼空隙率较大。 5 、其他破坏 ( 1 ) 在伸缩缝与铺装结合部，在长期行车荷载作用下形成段差； ( 2 ) 因行车磨耗作用及使用集料抗磨光功能不足而引起铺装抗滑； ( 3 ) 浇注式沥青砼铺装施工中产生的气泡( 鼓包) 等破坏； ( 4 ) 在加劲肋之上出现平行裂缝和铺装层位移。 病害产生主要原因： l 、铺装层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于铺装层 与桥面板层问结合面粘结力差，抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位移发生 剪切破坏，产生推移、拥包等病害； 2 、因温度变化及桥面板或梁结构产生过大挠度而产生的裂缝，在车辆荷载作用下 及水的渗人造成面层松散和坑槽破坏； 8 长安大学硕上学位论文 3 、铺装层较薄或采用单层式沥青混凝土，因桥面板不平整造成铺装层平整度达不副 规范要求。 随着大跨径桥梁的涌现，桥梁在交通中的作用更加重要，而桥面铺装的破坏对桥梁 的交通影响也同益凸现，可是桥面铺装大多是按照传统的经验方法或借鉴道路设计和施 工来实施。目前摆在道路工作者面前的关键问题之一就是根据桥面铺装所处的特殊位 置，设计出合理的材料以及结构，提高桥面铺装的耐久性，增加其使用寿命。以往桥面 铺装很少在其受力方面进行研究，如今则应在桥面铺装受力理论分析的同时，深入研究 铺装材料在桥梁结构受力条件影响下的性能表现，以适应桥梁特殊构造物对铺装材料的 特殊要求。环氧改性沥青这种相对“年轻”的高强度铺面材料，在过去由于财力的限制， 以及外国对技术垄断等原因，使它的广泛应用受到较大的限制。然而时代的进步，经济 实力的增强，国内对环氧沥青的深入探索研究，为环氧沥青混凝土铺面技术的开发应用 创造了条件。目前这项技术主要应用于大跨径钢桥桥面铺装材料，而在大跨径水泥混凝 土桥面铺装上还是一个空白。 1 5 环氧沥青概况及主要特点 1 5 1 环氧沥青混凝土的发展及应用现状 环氧沥青是壳牌石油公司在二十世纪五十年代后期，用其作为胶结料拌和成的混凝 土来抵御航空燃料和喷气尾流对机场跑道的损害而发明的特殊改性沥青产品。1 9 6 7 年， 美国粘合工程公司在横跨旧金山的s a n m a t e o - - h a y w a r d 大桥上，将环氧沥青混凝土作为 桥面铺装材料进行了第一次商业应用，至今仍保持良好的使用性能。随后在美国s a n d i e g oc o r o n a d o 桥、g o l d e ng a t e 桥、s a nf r a n c i s c o o a k l a n d 桥、巴西c o s t ad es i l v a 桥、澳 大利亚w e s tg a t e 桥、加拿大l i o n sg a t e 桥等进行了应用。 日本早在二十世纪七十年代，就对环氧沥青混合料进行过广泛的研究，日本北海道 大学土木学科的问山正一、营原照雄就对环氧沥青混合料的配制、模量、应力松弛性能、 破坏性能进行了研究。然而环氧沥青混合料对温度和时间的要求较为苛刻，因此环氧沥 青在日本的应用并非一帆风顺。直到二十世纪九十年代，日本对环氧沥青的认识进入到 较为成熟的阶段。环氧沥青在n 本的应用同渐深入。目前，日本主要将环氧沥青应用于 路面磨耗层及多孔性沥青混合料。 由于环氧沥青混凝土和传统的沥青混凝土不同，其配制工艺比较复杂，在施工中对 时间和温度的要求十分严格，施工难度大，材料及施工成本较高，我国环氧沥青桥面铺 9 第一章：绪论 装均基本上直接采用了美国的材料、设计与施工技术。目前虽然我国对环氧沥青的研究 进入一个更加深入的阶段，国产环氧沥青也已经问世，而真正采用我国的材料和技术还 急需进一步的开发与实践。 环氧沥青在道路工程的应用始于欧洲。早在1 9 7 4 年，法国在b l o i s 公路、1 9 7 5 年英国 伦敦在f i l m e r 路上铺筑了环氧沥青混凝土路面，使用状况良好。1 9 8 6 年，英国斯塔福德 郡的基尔m 6 高速公路上铺筑了一段用热压式沥青混合料中掺加环氧树脂改性剂的全面 试验路，至1 9 9 0 年，试验工作还在继续进行，而混合料的路用性能仍表现良好。1 9 7 3 年 英国伦敦的大西路曾铺筑了环氧沥青碎石抗滑面层。目前，有很多立交匝道就应用这种 高强度环氧沥青混凝土来克服车辆转弯产生的超乎寻常的高应力作用。 环氧沥青混合料应用于钢桥面铺装，始于美国加州的s a nm a t e oh a y w a r d 桥，其中环 氧沥青及固化剂由壳牌石油沥青公司提供。s a nm a t e oh a y w a r d 桥的环氧沥青混合料使用 的集料为石灰石，油石比为6 5 。混合料的温度保证在4 5 m i n 的运输时间内环氧沥青能 够发生充分的化学反应，但尚未反应到影响混合料的摊铺与压实的状况。这种混合料压 实后其性质及形状同一般沥青混凝土基本上没有区别，施工完毕养护1 4 d 即可开放交通， 但是6 0 d 内混凝土强度仍能得到持续增长。 随着环氧沥青混合料在s a nm a t e oh a y w a r d 桥的应用成功，此后该技术广泛应用于受 力状况更复杂的正交异性钢桥面铺装。如美国助口州的s a nd i e g oc o r o n d o 桥、路易斯安 娜州的l ul i n g 桥、加拿大的l i o ng a t e 桥、澳大利亚的w e s tg a t e 桥等。澳大利亚西门大桥 管理局曾在该桥铺筑期间进行了混合料的疲劳试验，研究表明：环氧沥青混凝土的疲劳 寿命高达5x1 0 6 次，而一般沥青混凝土仅为0 2 9x1 0 6 ，两者相差达1 7 倍之多。由此可见， 环氧沥青混凝土具有比普通沥青混凝土优越得多的疲劳性能。 我国在2 0 0 0 年建成通车的南京长江二桥钢桥面铺装中，首次采用了环氧沥青混凝土 技术。铺装层质量达到设计要求，并且表现优良的使用性能，为我国大跨经钢桥桥面铺 装提供了一个成功的先例。环氧沥青在国内的研究不断深入，并且取得了很大的进步。 随后的舟山桃天门大桥、上海青浦大桥，天津沽口大桥、江苏润扬大桥、南京长江三桥 等也成功使用了环氧沥青路面材料。 1 5 2 环氧沥青的性质 环氧沥青是将聚合物材料环氧树脂采用一定的方法掺入沥青，利用环氧树脂固化时 形成的三维立体结构，把沥青混合料进一步胶结在一起，充分发挥出环氧聚合物材料的 l o 长安大学硕士学位论文 强粘结性和高强度的特点，以强化桥面铺装沥青混合料的各项性能，实现桥面铺装技术 的突破性提高。 利用环氧沥青铺装桥面的优点主要表现为： ( 1 ) 强度高：环氧沥青混合料的马歇尔稳定度可以达到5 0 6 0 k n ，是普通沥青混 合料稳定度的5 - - , 6 倍，这一点对适应我国当前公路交通运输普遍超载的现象非常有利。 虽然马歇尔稳定度并非材料的实际力学指标，但反映出环氧沥青材料高的承载能力却是 无疑的； 、 ( 2 ) 抗变形能力强：在呈现高强度的同时，环氧沥青混合料还表现出良好的抗变形 能力。试验表明，高温时环氧沥青混合料有着比普通沥青混合料高出许多的模量，而在 低温时的模量与普通沥青混合料基本相同。这样在保持沥青混合料低温柔性的同时，不 仅能非常有效的防止高温时塑性变形，克服目前重交通道路沥青路面普遍形成车辙的问 题，同时也可较好的适应大跨径桥梁变形程度高，变形状况复杂的需要。 ( 3 ) 抗疲劳寿命长：国内外试验证实，在高强度的保证下，环氧沥青混合料表现出 极优良的耐疲劳性，疲劳寿命几乎是普通沥青混合料的1 0 - - - - , 3 0 倍； ( 4 ) 耐久性好：沥青混合料在使用期间，因受多种因素的影响，会出现松散、水稳 性和冻稳性变差等一系列耐久性问题。由于环氧沥青混合料极高的胶结程度，使沥青混 合料的整体性得到充分保证，能有效促使混合料抵御环境因素的不利影响，呈现良好的 耐久性特征。 ( 5 ) 结构层粘结强度高：为减轻桥面负荷，铺装层往往较薄，因此很容易造成铺装 层与桥面之间的剥离。而环氧树脂是典型的胶粘材料，尤其适宜粘结有机物、混凝土类 材料，非常利于沥青铺装层和混凝土桥面的连接，实践中已有采用环氧沥青材料当作层 间胶粘剂的实例，取得较好效果。所以采用系列环氧材料铺筑桥面将有效克服层间结合 存在的问题。 ( 6 ) 抗侵蚀性强：普通沥青路面在接触柴油等燃油物质，极易造成沥青混合料的侵 蚀，直至松散破坏，而环氧沥青材料对这种侵蚀有着很强的抗侵蚀能力。对防止车辆漏 油造成的桥面破坏是极为有利。 1 6 本文研究的意义及内容 桥梁技术的进步以及轻型水泥混凝土的应用，使得桥梁跨径越来越大，其变形也相 应增加，这样使本来就受着比路面材料较恶劣自然环境的煎熬的桥面铺装材料，更加容 第一章：绪论 易遭到损害。因此必须选择一种性能优越的，能适应这种环境考验的高性能材料。作为 桥面铺装材料，环氧沥青混凝土不失为桥面铺装提供了一个方向。 目前，由于环氧沥青混凝土的优越性能，主要应用于钢桥上的桥面铺装材料，在诸 多大桥的使用中，其优越性能也进一步得到了验证。而环氧沥青作为大跨径水泥混凝土 桥桥面铺装材料，还是一个新的课题。本文通过对环氧沥青的制备、国产沥青性能以及 环氧沥青混合料试验分析等，来说明环氧沥青混凝土应用于大跨径水泥混凝土桥桥面铺 装的可行性。 本文的主要工作如下： l 、通过环氧沥青制备的初步试验，阐述环氧树脂和固化剂各自的化学性质，了解环 氧沥青固化反应的化学原理。通过试验，解决环氧树脂与沥青的相容性，并且对进一步 对制备相容的环氧沥青的改性提出一些建议性意见。 2 、对环氧沥青性质分析的过程中，较全面进行环氧沥青的粘度时温性试验，以及这 些性能和环氧沥青使用的相关性分析； 3 、对环氧沥青混合料进行研究，通过马歇尔试验，分析环氧沥青混合料的成型的温 度，成型时间以及最佳成型时所对应的环氧沥青粘度等，从而为指导环氧沥青施工安排 提供依据； 4 、通过桥面铺装上层材料采用环氧沥青混合料下层采用其他改性沥青混合料形成的 “上刚下柔 组合材料结构进行试验，对组合材料进行了高温稳定性，以及抗疲劳性能 试验分析，充分证明环氧沥青混合料对整个材料的影响； 5 、环氧沥青混合料施工工艺，通过和普通沥青混合料施工工艺的对比，阐述其施工 工艺的特殊性，对各个关键阶段提出一些特殊处理意见。 1 2 长安大学硕上学位论文 2 1 环氧沥青概述 第二章环氧沥青制备基本方法 沥青是一种同时具有粘性和弹性的材料，具体表现为流动性和抗流动性共存。当温 度较高时，沥青容易流动；当温度降到一定程度以后则表现出完全相反的抗流变性能， 转变成为弹性占主导地位的状态。因此，在夏季高温条件下时，沥青铺面容易变形形成 车辙，而在冬季寒冷季节则会出现温缩裂缝现象，这在很大程度上影响了沥青路面的长 期使用性能。针对上述桥面铺装层的破坏情况，目前使用的沥青材料必须在以下几个方 面得到改善： 第一，为了避免沥青铺面在高温天气行车荷载下出现种种破坏状况，必须保证沥青 材料在高温时具有足够的劲度模量。沥青混合料的高温性能的改善可以从两个方面入 手，一是改变级配，控制剩余空隙率；其二则是利用高分子聚合物来提高沥青本身的性 能，这也是目前的研究热点之一。 第二，为了适应低温环境考验，要求沥青混合料应在低温时具有良好的应力松弛性， 不会因产生很大的内部应力积聚，而造成疲劳开裂。当沥青的稠度较低、温度敏感性较 小时，其混合料的低温抗裂性能相对较好。 第三，沥青的耐久性包括其抗老化性能、疲劳性能和水稳定性能等。沥青的老化将 使得由沥青组成的混合料变脆，抗裂性能恶化，再加上级配的不合理，将使混合料的抗 疲劳性、水稳定性大大降低。因此，沥青混合料的耐久性需要从混合料的配比以及沥青 原材的改性上来得以解决。 综上所述，由于桥面铺装所处的特殊位置，受力以及所处环境更加复杂、“严酷”， 因此桥面铺装对材料的要求比普通路面的要求更高，为了沥青铺装层在更大程度上得以 应用，其使用性能进一步的得以提高，对沥青原材的改性是急需解决的一个重要问题。 天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 、苯乙烯丁二烯嵌段共聚物( s b s ) 、聚乙烯( p e ) 、乙 烯一醋酸乙烯共聚物( e v a ) 及环氧树脂( e p ) 等改性沥青，主要针对沥青某一方面加以改 性，但并没有从根本上改变其热塑性。环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经过与固化 剂发生固化反应，形成不可逆的空间网络结构的固化物，使得沥青性质由热塑性转化成 热固性，从而赋予沥青以更加优良的物理、力学性能。 环氧沥青是由环氧树脂( 组分a ) 和石油沥青加固化剂( 组分b ) 按一定比例配制加工 而成。这种经改性后的沥青及其混合料具有强度高、高温时抗塑流和永久变形能力很强、 第二章环氧沥青制备堆本方法 低温抗裂性能很好、极好的抗疲劳性能以及高度的抵抗化学物质侵蚀的能力等特点，是 全面提高沥青及沥青混合料路用性能的一个有效途径。 2 2 环氧树脂概述 2 - 2 1 环氧树脂国内外发展及其状况 1 9 3 0 年，首次由瑞士的p i e n e c a s t a n 和美国的s o g r e d e e 合成了环氧树脂后，1 9 4 7 年先是 美 d e v o e a n d r e y n o l d s ，后是壳牌公司取得瑞士汽巴公司专利生产权，先后实现了工业 化生产。到2 0 世纪7 0 年代，年产量已猛增至1 0 0 k t 以上。特别是过氧化技术的发展，为环 氧树脂的应用领域开辟了新天地。1 9 9 7 年美国环氧树脂总产能力为1 4 万吨，1 9 9 9 年为1 5 万吨；1 9 9 7 年世界产量为7 3 万吨，1 9 9 9 年可达8 0 万吨以上。1 9 9 8 年美国环氧树脂的总产 能力已近4 0 万吨年。世界环氧树脂增长最快的地区是西欧，1 9 9 8 年总产能力为3 4 万吨 年，1 9 9 8 年产量2 9 5 万吨，2 0 0 0 年产量为3 4 万吨。日本1 9 9 8 年总产能力为1 9 万吨。目前， 美国的壳牌化学公司、d o w 化学公司和瑞士汽巴公司已占世界总产能力的5 0 ，垄断着 8 0 的西欧市场。我国从1 9 5 6 年由沈阳化工研究所、天津化工研究院、上海化工研究院 开始研制，1 9 5 8 年由上海树脂厂实现了工业化生产。1 9 9 8 年国内环氧树脂生产企业大小 近1 3 0 家，总产能力已超过8 万吨年。 国内外环氧树脂消费主要以双酚a 型环氧树脂为主，2 0 世纪9 0 年代以前世界双酚a 型环氧树脂占树脂总消费量的9 0 ，因此被称作为“通用型环氧树脂”。但是随着多种 专用环氧树脂的迅猛发展，双酚a 型环氧沥青应用量下