（道路与铁道工程专业论文）环氧沥青浇注式混凝土的试验研究.pdf

摘要 环氧沥青浇注式混凝土是将环氧沥青材料运用到浇注式混凝土中，形成的一 种高、低温性能优异的新型沥青混凝土材料。将这一材料与技术运用到钢桥面铺 装中，能够解决目前钢桥面铺装破坏严重，使用寿命短等棘手问题。本论文通过 试验研究及理论分析，制备了环氧沥青浇注式混凝土并对环氧沥青浇注式混合料 的物理力学性能进行了试验研究。主要成果有：分析了环氧沥青浇注式混合料的 组成结构，并从环氧树脂的固化机理出发，揭示了环氧沥青浇注式混合料的强度 形成原理；结合重庆智翔公司2 0 0 5 年“环氧沥青混凝土的研究”中的试验数据， 对相容剂、固化剂做了进一步的试验研究，并选定了一种相容效果好而且无毒的 相容剂；确定了环氧沥青浇注式混凝土的配合比( 包括环氧沥青结合料中各成分 的组成比例、矿料级配和油石比) ；对环氧沥青浇注式混凝土的物理力学性能进行 了试验研究，结果表明，环氧沥青浇注式混凝土具有良好的高、低温性能；研究 了环氧沥青浇注式混凝土的施工工艺。主要创新点有：首次将环氧沥青材料运用 到浇注式混凝土中，改善普通环氧沥青混凝士模量高、呈脆性的缺点；大大提高 浇注式沥青混凝土的高温性能，同时降低浇注式沥青混凝土的施工温度，节省能 源，保护环境。 这些研究成果对于钢桥面铺装以及沥青路面新材料的研究开发具有重要的参 考价值。 关键词：环氧沥青浇注式混凝土，强度原理，配合比，性能，施工工艺 a b s t r a c t e p o x ya s p h a l tg u s s c o n c r e t ei sak i n do fn e wa s p h a l tc o n c r e t e 舳t e r i a l w h i c ha p p l i e se p o x y a s p h a l ti n a t e r i a lt og u s s c o n c r e t e ，a n dh a se x c e l l e n t h i g ha n d1 0 霄t e m p e r a t u r ep e r f o 珊n c e u s i n gt h i sm a t e r i a la n dt e c h n o l o g y 0 nt h es t e e ld e c kp a v e m e n tc a ns 0 1 v em a n yk i n d so fp r o b l e m s ，s u c ha st h e s e r i o u s c r a c k so c c u r r e do nt h es t e e ld e c ka n dt h es h o r t1 i f et i m e e p o x y a s p h a l tg u s s c o n c r e t e i sp r e p a r e da n di t sp h y s i c a lp e r f o n a n c ei ss t u d i e d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i st h em a i n a c h i e v e m e n t sa r e1 i s t e da sf 0 1 1 0 霄s ：a n a l y z i n gt h ec o m p o s i t e so ft h em i x t u r e a n ds h o w i n gi t si n t e n s i o 旷f o n i n gt h e o r yb a s e do nt h es o l i d i f i c a t i o n m e c h a n i s mo fe p o x yr e s i n ；d o i n gf u r t h e rs t u d yo nm e d i u 册腑t e r i a l sa n dc u r i n g a g e n t s a n dc h o o s i n gak i n do fm e d i 岫t h a th a sg o o dc o m p a t i b i l i t ya n di s n o n t o x i c ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a o f“s t u d yo ne p o x ya s p h a l t c o n c r e t e ”b yc h o n g q i n gz h i x i a n gt e c h n o l o g ye n g i n e e r i n gc o ，l t d i n 2 0 0 5 ：d e c i d i n gt h em i xr a t i oo ft h ee p o x ya s p h a l tg u s s c o n c r e t e ( i n c l u d i n g t h er a t i oo ft h ea s p h a l tb i n d e ra n da g g r e g a t eg r a d a t i o na n dt h eb i n d e r a g g r e g a t er a t i o ) ：s t u d y i n gt h ep h y s i c a lp e r f o r n l a n c eo fe p o x ya s p h a l t g u s s c o n c r e t e a n d s h o w i n g t h ee x c e l l e n t h i g h a n d1 a w t e m p e r a t u r e p e r f o r l a n c e：d o i n gr e s e a r c h o nt h ew o r k m a n s h i po fe p o x y a s p h a l t g u s s c o n c r e t e t h ei n n o y a t i v ep o i n t sa r e：a p p l y j n ga s p h a l t c o n c r e t et o g u s s c o n c r e t ef o rt h ef i r s tt i m e ，a m e n d i n gt h ef l a wo fc o n v e n t i o n a la s p h a l t c o n c r e t el i k eh i g hm o d u l u sa n di t sb r i t t l e n e s s ，g r e a t l yi i n p r o v i n gt h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o m a n c e o fg u s sa s p h a l tc o n c r e t ea n d r e d u c i n g t h e c o n s t r u c t i o nt e m p e r a t u r e，w h i c hc a ns a v ee n e r g ys o u r c e sa n dp r o t e c t e n v i r o 衄e n t t h e s er e s e a r c ha c h i e v 鲫e n t sh a v eg r e a ti m p o r t a n c e st ot h es t e e ld e c k p a v e m e n ta n dt h er do fn e wa s p h a l tm a t e r i a l so fr o a ds u r f a c e k e y - o r d s ： e p o x ya s p h a l tg u s s c o n c r e t e ，s t r e n g t ht h e o r y ，m i xr a t i o ， p e r f o m a n c e ，w o r k m a n s h i p 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：闰言，放 日期：j 力年牟月8 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：i 习飞沾 日期：m ) 年年月p 目 ：黟虱 日期：叼年月扩日 第一章绪论 1 蛊题的背景 第一章绪论 随着交通量的不断增长和轴载的明显增大，以及高等级公路交通率辆的渠化 作用，沥青混凝土路面面i 临着新的严峻考验，尤其是传统的连续级配沥青混凝土 路瑟受到了挑战。有些高速公鼹程通车一两牮内，就出现了不同程度的破坏，严 重砖彩噙了路瑟熬赛际功髓和後鬻寿命“1 。这楚由于沥青鼹蘑本身誊| 瓣鹣糕、骛、 塑性质决定了它不可避免的缺点：( 1 ) 沥青的热塑性使沥青路面容易谯高温下产 生不研恢复的永久变形，如车辙、推挤、拥识等；( 2 ) 沥青路面易受自然因素影 璃，沥毒会逐濒老绽，颡毒湿凝童懿抗羝滠襞缝戆力、撬疲劳戆力、魏窳撰程挠 松散熊力都会逐渐减弱，沥青蕊层的破坏现象会逐渐增多睇1 。因此，许多国家长 期以来花费很大的投资致力予沥青性能改善的研究，并且在工程实践中推广应用。 沥青敬性豹方法妻骚是采取在泌脊中添热外掺裁，主要是橡胶弹性材辩_ 穰热塑性 树脂誊季籽。在沥青中添热橡胶或热塑性树滕，其性能都寄缀大程度静改善。毽是 沥青的热塑性质仍然存在，所以在应用这些改性材料铺筑路面时路面率辙的永久 变形殿然可以推迟如现，但却无法从根本上避免。这对某些希望不出珊永久变形 或考簧求吴骞更巍装戆帮嚣久援戆工程缝秘携寒说，裁零缝瀵是要求，予是久秘 研究露找一种性熊更为优越的镧面材料。环飘沥青混凝士就是在沥青中添加环氧 树脂，经固化反应硒形成的一种强度高、韧性好的铺面材料。 群氧沥青改性铡一般由强瓴辩脂及嚣纯铡掰个组分组成，其固化裁废使环氧 沥青献热塑性转交为热露佳，阂诧环氧沥青藤有比普逶沥澎优异得多熊物理、力 学性熊，如高强度、优良的抗疲劳性能、良好的耐久性及抗老化性能聃3 。环氧沥 青混凝以其优异的路用性能张我国也逐渐开始得到应用，2 0 0 0 年9 月，我国的 蠢家妖汪二耩嚣戆後孀强氧潺鬻浅凝逶孬黪瑟镳装，逶攀至今路瑟溪藿荣囊， 无瘸害产生。这一使用开辟了我国应用之先河，也为在其它桥梁上应用环氧沥青 混凝土奠定了基础n 3 ；2 0 0 4 年7 月，润扬大桥钢桥面行率道铺装，采用双层环氧 沥毒混凝；2 0 0 5 每7 月，枣家长江三褥采雳臻氧沥青混凝进行辑瑟镶装；2 0 0 6 年7 1 1 月，由黧庆智藏公司滋行桥面铺装施工的广东佛山平胜大桥、j e 京昌平 南环犬桥相继顺利宪工，铺装材料均采用了环氧沥青混凝士。以上桥粱桥面铺装 所采用的环氧沥青材料均是从美国进口，具巍一次固化臌褥次加热也誉会软化的 特性，其抗拉强度鞫延箨率运逡饶予酱逶溺蠢，其锾装豢辑瑷满足l s 举癌无大修 的要求。可以预测，环氧沥青混凝土将在中图桥面铺装上得到越来越广泛的应用。 第一章绪论 2 滋家长江二疆等耩粱戆辑瓣镄装找表了我鏊已秀始囊式送入毫强溺专滢凝主 的研究应用这一领域旺】。然而，到目前为止，国内环氧沥青混凝士的应用也还仅 仅局限于大跨径钢桥的桥面铺装上；而且，这几座大桥均随接采用了美豳的材料、 设计与施工技术，这黠高强沥青混凝土在我瓣静应用拦广产生了严重的不剩影响。 重庆鬻楚公露铮对黼内在这一成稽锾域静不麓，已在2 0 0 5 年自主磷究舜发出了一 种操作时间长，路用性能较好的环氧沥青混凝土材料。但是，目前国内外的环氧 沥青混凝土普遍采用碾压式的施正方式，施焉时需要经过韧碾、复碾鞠终碾三次 碾嚣，嚣显由于繇裁褥骚豹模曩犬，低涅毪筑劳不是特翻鬻想。 浇注式沥青混凝土起源予德隧，2 0 世纪9 0 年代我国引进了此项技术，并在江 阴长淡大桥上进行了首次施工。它是一种在简温拌和后具有良好流动性、采用浇 注方法摊镶施工、茏震碾匿成型豹沥青混凝太。具有不透水( 空隙率极小) 、穗冻 融、瓣油、抗老豫、变形能力强( 低温时不荔产生裂纹) 等特点“”。浇注式沥 青混凝土的主要缺点是：高温稳定性差，易形成车辙。此外，浇注式沥青混凝土 施工瓣沥青搅拌站爱求比较高，正常情况下黉求将骨料加热到3 0 0 3 4 0 ，对一 般豹搅搏菇来说毒袋漫赛及豢 辩挺秀疆是一今魏酸，瑟曩分滚费笈滚。 在这样的情况下，重庆智翔公司环氧改性沥青课题研究小组结合环氧沥青混 凝士和浇注式沥青混凝土的特点，提出了这样的设想，将浇注式施工方法运用于 嚣氧沥青混凝，舞发疆制一耱糖型耪辩臻氧沥毒浇注式混凝， ；乏充分裂 用环辍沥青混凝稆浇注式沥鬻混凝士各鸯的优点，弥牵 两者在物理、力学性能 以及施工技术上的缺点，从而使铺面材料既典备优异的路用性能，又舆有施工简 单的优点。 1 2 国内外发展概况 赣遘遂路沥雾垂手鑫身豹缀袋秘绩穗决定7 其惑涅黢缝差，簿毪秘瓣老曩二经 能麓，高温易流淌，低温易脆裂，难以满足高等级公路的使用要求，必须对其改 性以改善使用性能。世界各国对改性沥青技术进行了广泛的研究和应用，已成为 道路材糕熬热点。 檄摅公路沥青路面施工技零规范( j 髑料o - _ 2 0 0 4 ) ，所谓改僚沥青是指掺 加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉，或者其它材料等外掺 剂( 敬性剂) 制成的沥青结合料，从而使沥鬻或沥青混合料的性能得以改善。改 经蘩燕摇在瀑毒或沥青混合耱巾热入魏天然静或久工会藏瓣有爨或无搬麓辩，霉 熔融、分散在沥青中( 与沥青发生反应或裹覆在集料表面上) ，改善或掇商沥青路 第一章绪论3 面性能的材料“。b a h i a 根据各种出版物发表的文章对所列的改性剂进行整理，将 沥青改性剂分为：填料、填充料、聚合物弹性体、橡胶粉、氧化剂、烃类、抗剥 落剂，纤维和抗氧化剂等，其中聚合物改性剂是目前应用和研究得最为广泛的改 性剂”。狭义上的道路改性沥青通常指的就是聚合物道路改性沥青。 1 2 1 热塑性改性沥青的发展概况。1 从1 8 9 8 年法国开始在沥青中掺配天然橡胶以来，对改性沥青的研究应用已有 百年历史。虽然试验过的改性材料甚多，但真正在工程实践中得到认可的却是有 限的。从人工合成橡胶到热塑性弹性体的应用，反映了科技的发展和时代的进步。 近五十年来，国外改性沥青的发展大体经历了以下几个阶段： 1 9 5 0 1 9 6 0 年，沥青改性材料主要是天然橡胶粉或胶乳，通过直接掺入沥 青混合料中拌和或预混为天然橡胶沥青使用； 1 9 6 0 1 9 7 0 年，丁苯合成橡胶( s b r ) 改性沥青试验成功，一般采用胶乳形 式直接在混合料拌和过程中按比例现场掺配使用。1 9 6 9 年国际合成橡胶生产协会 ( h s r p ) 召开首届橡胶沥青国际会议； 1 9 7 1 1 9 8 8 年，除合成橡胶继续应用外，热塑性树脂( e v a 、e e a 、p e ) 得 到了广泛的应用。在路面工程中，改性沥青由“特殊材料”变为“一般材料”； 1 9 8 8 年至今，由于高性能面层、重载交通、桥面、沥青再生等功能需要， 提出了将改性沥青由按材料分类改为按性能分类，废除了沥青温度一粘度关系曲 线。s b s 优良的改性效果为国际公认，逐渐替代e v a 等，成为主导改性材料。 在我国，改性沥青的起步也比较早。总体说来，国内改性沥青的发展可以概 况为以下几个阶段： 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，沥青改性技术研究集中在提高结合料稠度上。随着大 庆油田的开发，1 9 6 4 年在低等级公路上采用渣油( 多蜡液体石油沥青) 试铺表面 处治获得成功，随即全国范围内得到推广。由于渣油稠度低( c 2 o 1 0 2 o 1 0 5 显然，优良的耐疲劳性能是环氧沥青混凝土的重要特点。因此，采用这种材 料作为道路路面和桥梁以及其它场所的铺面能够大大延长路面或铺面的使用寿 命。 3 ) 良好的耐久性。普通沥青混凝土如有柴油等燃油渗入，将会使沥青失去粘 结力而松散。环氧沥青混凝土却不怕燃油的侵蚀。壳牌石油公司曾经做过有趣的 对比试验，他们将环氧沥青混凝土和普通沥青混凝土试件分别放在柴油中浸泡， 2 4 h 后普通沥青混凝土试件已经泡软，棱角松散脱落，而环氧沥青混凝土经过一个 月浸泡后仍然完好无损。 第一章绪论 6 环氧沥青混凝土的许多性质，如强度、刚度、耐久性等方面都与水泥混凝土 十分相似，同时在很多方面又具有沥青混凝土的优良性能。 国外环氧沥青混凝土的研究应用概况 欧美国家对这种高性能的沥青混凝土早在2 0 世纪6 0 年代就开始进行研究， 并己得到广泛应用。 目前环氧沥青混凝土比较多地应用于大跨径桥梁。大跨径的大型桥梁，为减 轻自重，常采用正交各向异性钢板桥面结构。这种结构具有较好的柔性，能松弛 吸收在荷载附近产生的高应力，但桥面铺装的疲劳却成了设计考虑的主要因素。 为了提高沥青铺装层的耐疲劳性能，以前是采用玛蹄脂沥青，但效果仍不理想n “。 近几年来采用环氧沥青混凝土进行钢桥面铺装，收到很好的效果。 采用环氧沥青混凝土作钢桥面铺装材料，主要鉴于以下考虑“”： 1 ) 铺装层能与钢板形成牢固的粘结，不因温度变化和交通荷载的作用而脱开； 2 ) 能适应因温度变化引起钢板尺寸的变化而不致脱落； 3 ) 具有足够的疲劳强度，使用多年而无裂缝； 4 ) 环氧沥青混凝土的温度变形系数与钢板相近，因而随温度变化产生的附加 应力较小。 环氧沥青混凝土用于桥面铺装，首先是美国加州的s a nm a t e o _ _ h a a r d 大桥。 该桥建于1 9 6 7 年，桥面设5 车道，日交通量达2 0 0 0 0 辆。这座桥设有正交各向异 性板的共计1 4 跨，每跨2 0 8 英尺，以及近5 英里的混凝土高架桥。美国加州s a n c a r l o s 粘结剂工程公司采用壳牌石油公司所提供的改性环氧树脂、改性剂以及固 化剂承包和配制了环氧沥青。环氧沥青混凝土用普通拌和机拌和、摊铺和压实。 通过马歇尔试验，测定其稳定度6 0 为6 4 8 0 0 n ，2 0 4 仍达1 8 9 0 0 n ，而普通沥青 混凝土6 0 为1 1 7 0 0 n ，温度为2 0 4 则已成松散状了。环氧沥青混合料所用结合 料用量为6 ，矿粉为石灰石。混合料的温度控制以能保证在4 5 m i n 的运输时间内 能充分起化学反应，但未硬化而影响摊铺和碾压。施工时每天摊铺5 0 0 t 环氧沥青 混合料，压实后其性状如同普通混凝土，1 4 天后开放交通，6 0 天内强度仍继续增 长。 以后又有许多大桥采用环氧沥青混凝土作桥面铺装，其中如1 9 6 9 一1 9 7 3 年建 成的美国加州s a nd i e g oc o r o n a d o 大桥、s a nf r a n c i s c o0 k l a n d 海湾大桥、q u e e n s w a y 大桥、f r u i t v e l ea v e n u e 大桥等；1 9 7 3 年美国俄勒冈州建成的s e l l w o o d 大 桥、f r e m o n t 钢桥；1 9 7 4 年纽约的乔治华盛顿大桥。又如加拿大1 9 7 4 年建成的 m e r c i e r 大桥、1 9 7 5 年温哥华的l i o ng a t e 大桥、1 9 8 0 年荷兰的h a g e s t e i n 大 桥等。此外，如日本等国家也在钢桥上采用环氧沥青混凝土铺装。 随着环氧沥青混凝土在大跨径桥梁上的成功应用，高等级公路和城市干道的 第一章绪论7 路面也开始采用环氧沥青混凝土铺筑，如1 9 7 4 年法国在b 1 0 i s 公路，1 9 7 5 年英 国伦敦在f i l m e r 路采用环氧沥青混凝土铺筑路面。 环氧沥青混凝土在公路与城市道路、机场道面的防滑面层也得到了发展，环 氧沥青由于粘结力强、刚度大，特别是在高温下变形甚小，用于铺筑抗滑磨耗层 粗糙的表面不会因泛油而变成光面。1 9 7 3 年英国伦敦的大西路( g r e a tw e s tr o a d ) 就曾用环氧沥青碎石铺筑防滑面层。1 9 7 3 年伦敦机场、1 9 8 0 年卡塔尔首都多哈机 场，在道面上加铺过环氧沥青防滑面层，以保证其具有足够的防滑能力。 现在有一种多孔隙透水式沥青面层，由于能降低交通噪声、提高路面抗滑性、 减少雨天溅水、改善雨天道路标线能见度、减少夜间眩光而引起人们的兴趣和重 视。但是用普通沥青修建的透水性路面，容易被行车所压密，使得空隙减少，效 果降低，同时容易在汽车经常刹车、加速、拐弯的路段出现剥落。使用环氧沥青 混凝土铺筑则可以避免这些病害。 环氧沥青混凝土还适用于公共汽车停靠站。公共汽车停靠站因汽车频繁地刹 车、启动和较长时间的停车作用，使沥青路面出现严重车辙。为了减少车辙的出 现，可以在停靠站使用环氧沥青混凝土以取得预期效果。 我国环氧沥青混凝土的研究应用概况 上个世纪9 0 年代前，我国在高强沥青混凝土材料的研究应用领域中尚是空白。 这一方面与环氧沥青配制、生产以及施工比较复杂，价格比较昂贵有关；另一方 面也与过去国内市政建设投资不足、步伐不快有关。但随着经济的发展和许多重 大交通基础设施的兴建，研究与开发高性能的道路铺面材料己日益显得需要和迫 切。1 9 9 2 年，上海市政工程管理处和同济大学吕伟民老师等人联合对环氧沥青混 凝土材料进行了研究；1 9 9 4 年，在上海龙吴路石龙路口进行了试验路的铺筑；2 0 0 0 年9 月，我国的南京长江二桥开始使用环氧沥青混合料进行桥面铺装，通车至今 路面质量精良，无病害产生。这一使用开辟了我国应用之先河，也为在其它桥梁 上应用环氧沥青混凝土奠定了基础；2 0 0 4 年7 月，润扬大桥钢桥面铺装开始进行。 整个铺装分成两部分，一是中央分隔带铺装，采用浇注式沥青混凝土，铺装面积 3 4 0 0 平方米；二是行车道铺装，采用双层环氧沥青混凝土，面积6 7 4 0 4 平方米， 环氧沥青材料和专用设备均从美国进口。同年9 月，润扬大桥铺装结束；2 0 0 5 年 7 月，南京长江三桥开始桥面铺装。三桥主桥钢桥面总长1 2 8 8 米，摊铺面积达3 8 6 4 0 平方米。摊铺使用的是美国进口环氧沥青混凝土，具有一次固化后再次加热也不 会软化的特性，其抗拉强度和延伸率远远优于普通沥青，其铺装层可以满足1 5 年 内无大修的要求。三桥于同年8 月完成铺装并于1 0 月正式通车。我国的环氧沥青 混合料钢桥面铺装始于南京长江二桥，后在润扬长江大桥、南京长江三桥以及将 要建成的宁波的杭州湾大桥得以运用。 第一章绪论 8 南京长江二桥、三桥和润扬大桥的桥面铺装代表了我国已开始正式进入高强 沥青混凝土的研究应用这一领域。但是，这三座大桥均直接采用了美国的材料、 设计与施工技术。重庆智翔公司环氧改性沥青课题研究小组针对国内在这一应用 领域的不足，已在2 0 0 5 年自主开发出了一种操作时间长，路用性能较好的环氧沥 青混凝土材料。 1 2 3 浇注式沥青混凝土的发展概况n 阳 浇注式沥青混凝土( g u s sa s p h a l t ) 起源于德国。德国于1 9 1 7 年开始研究开 发浇注式沥青混凝土，原文为gub ，译为“河流”之意，引伸为“浇注流淌”。 其含义浇注式沥青混凝土具有流动性，浇注式摊铺，一般不需要碾压，只需要简 单的摊铺整平即可完成施工。在英国，浇注式沥青混凝土也称为沥青玛蹄脂混合 料( m a s t i ca s p h a l t ) 。 浇注式沥青混凝土的特点 浇注式沥青混凝土属于密级配沥青混凝土，具有矿粉含量高、沥青含量高、 拌和温度高等“三高”特点，在施工温度( 2 2 0 2 6 0 ) 条件下，沥青混合料 呈流淌状态，一般不需要用压路机，只需要用简单的摊铺整平机具即可完成施工， 并能达到规定的密实度和平整度。较多的沥青及细集料含量使粗骨料处于悬浮状 态，它与热压沥青混凝土不同的是其空隙率很小，而且内部空隙不连通。 因为浇注式沥青混凝土在结构上的上述特点，决定了其具有以下优点： 1 ) 它几乎是无空隙的，因而无需压实便能达到其最终强度，它不会出现因压 实不足而产生的缺陷和病害； 2 ) 它既不透水，也不吸水，对含c l 一离子的溶液及经常性潮气作用之类的气 候影响因素几乎不敏感，因而不会出现水损害问题： 3 ) 整体性强，其呈粘弹性，对冲击及颠簸不敏感，适应桥梁在行车振动等荷 载作用而不产生强度降低、松散等病害； 4 ) 由于其无空隙，结合料在气候因素影响下不易老化，因而它有较好的耐久 性( 使用寿命达2 0 年以上) ； 5 ) 浇注式沥青混凝土沥青含量较高，因此具有良好的抗低温开裂能力。 但是，另一方面，由于浇注式沥青混凝土沥青含量较高，过多沥青的存在使 得这种材料作为面层铺装材料时，在高温情况下极易出现病害。根据联邦德国亚 琛理工大学( 从c h e nt e c ) 道路研究所的调查结果显示，联邦德国境内的大部分 浇注式沥青混凝土铺装都存在车辙病害。我国的江阴长江公路大桥建成通车几个 第一章绪论 9 月后，铺装层即出现较为明显的车辙等高温稳定性病害n ”。 由于我国规划建设或正在建设的大跨径钢桥大多分布在长江中下游，该区域 夏季气温普遍较高，因此在该区域的钢桥上应用浇注式沥青混凝土时，必须高度 重视混合料的高温稳定性研究“”。 国外浇注式沥青混凝土的应用 世界上最早采用特立尼达湖沥青( t l a ) 修筑浇注式沥青混凝土桥面铺装的是 1 9 2 9 年修建的苏丹尼罗河大桥。由于其独特的防水、抗老化性能、抗疲劳性能以 及对钢桥面板优良的追从性和粘结性能，浇注式沥青混凝土在国外广泛应用于桥 面铺装，具有代表性的有德国的o b e r k a s s e l e r 桥、英国亨伯尔桥、瑞典霍加库斯 藤大桥、丹麦大贝尔特东桥、日本明石海峡大桥和多多罗大桥等。 欧洲发明了浇注式沥青混凝土，日本则使这种混合料及其技术得到了长足和 全面深入的发展及推广。1 9 5 0 年日本着手研究钢桥面铺装并于1 9 5 5 年首先在东 京都的新六桥完成两层的沥青混凝土铺装“”，1 9 5 6 年日本在从德国引进相应的技 术后，以多田宏行先生为代表的铺装专家根据日本本国的特点，对德国浇注式沥 青混凝土的材料组成及相应的技术标准作了较大的调整，逐步形成了符合日本国 情的一整套技术，并且在1 9 6 1 年沥青铺装纲要中公布了相关的技术规范。根据对 日本国内超过3 0 0 座大桥的统计资料( 表卜2 ) ，有近7 0 以上的钢桥面铺装采用 了浇注式沥青混凝土作为铺装材料。 表1 - 2 日本钢桥面铺装结构调查资料 t a b i e1 - 2 s u r v e y i n gd a t ao ft h es t e e ld e c kp a v a 怕n ts t r u c t u r oi nj a p a n 铺装上层铺装下层桥梁数( 百分比) 热拌沥青混凝土3 0 4 0 m热拌沥青混凝土4 0 5 0 皿 8 3( 2 7 ) g u s s a s p h a l t3 0 4 0 m mg u s s a s p h a l t3 0 4 0 m 7 1( 2 3 ) 热拌沥青混凝土3 0 4 0 mg u s s a s p h a l t4 0 5 0 m1 2 3 ( 4 1 ) 单层沥青混凝土5 0 7 0 m 2 3( 8 ) 单层g u s s a s p h a l t5 0 7 0 m m 3( 1 ) 我国浇注式沥青混凝土的应用 我国于2 0 世纪9 0 年代开始引进浇注式沥青混凝土技术，并用于我国的江阴 长江大桥和香港的青马大桥，以及台湾省的新东大桥和高屏溪大桥，其中大陆和 香港的两座大桥的桥面铺装都由英国人设计，江阴长江大桥出现一些损坏。新东 大桥和高屏溪大桥是在日本人主持下完成的，其铺装层结构均为4 0 咖浇注式沥青 第一章绪论 混凝土+ 4 0 m 改性沥青混凝土。这两座大桥的铺装层使用状况比较良好。 随后，由于浇注式沥青混凝土的优良性能得到了国内众多业界人士的认可， 这项技术迅速得到了推广应用。山东胜利黄河大桥、安庆长江大桥以及东海大桥 等桥梁的桥面铺装均采用了浇注式沥青混凝土，并取得了良好的效果。 1 2 4 环氧沥青浇注式混凝土的发展前景 钢桥面由于其柔性大、易挠曲、传热快、桥面底部加劲纵横梁( 肋) 多、易 腐蚀的特点，对铺装层的变形能力及高温抗变形能力、以及层间结合力要求将更 高。由于我国重载车多、气候条件严酷，许多钢桥面铺装都出现了早期破坏或者 远不能达到设计寿命，因此开发一种具有自主知识产权的高性能混凝土材料以提 高混合料的高低温性能及疲劳性能，延长钢桥面铺装的使用寿命具有重大意义。 我国已建成或正在建设的大跨径钢桥的数量已有2 0 多座，但总的来说，这与 西方发达国家相比较还有相当大的差距。并且，与西方国家相比，我国幅员辽阔， 山川河流较多，分布较广，大跨径钢桥的建设在我国方兴未艾。因此，制备一种 施工简便、与钢板变形结合力好且高低温性能及各种路用性能优良的环氧沥青浇 注式混凝土具有良好的市场前景。在钢桥面铺装中采用这种高性能沥青路面，能 够大大延长使用寿命，减少养护和重修的费用。 1 3 本论文主要研究目标、内容及成果 1 3 1 本论文的研究目标 1 ) 开发一种高性能且施工简便的环氧沥青浇注式混凝土； 2 ) 对开发出来的环氧沥青浇注式混凝土进行性能检验。 1 3 2 本论文的主要研究内容 环氧沥青材料的研究 1 ) 相容剂的选择 直接将环氧树脂和固化剂加入沥青中，是不能形成高强度材料的。因为环氧 树脂与石油沥青不能相互溶解。不仅如此，石油沥青还起着阻隔作用，妨碍环氧 树脂和固化剂形成胶结强度“”。因此需要一种相容剂来帮助环氧树脂与石油沥青 互溶，这样才能使环氧沥青混合料具备固化成实用材料的条件。 本课题组在2 0 0 5 年自主研究开发环氧沥青混凝土的过程中，已经对相容剂进 第一章绪论 行了一系列的研究，并选定了一种材料作为相容剂。该相容剂虽然可以产生比较 好的相容效果，但是毒性很大，而且在高温下更容易挥发，这无论对于室内实验 人员还是工程施工人员来说都是要尽量避免的。所以，在前期相容剂研究的基础 上，选择一种相容性好且无毒性( 或毒性尽可能小) 的相容剂具有重要的意义。 2 ) 固化剂的选择 同浇注式沥青混凝土一样，采用环氧沥青浇注式混凝土进行施工时无需碾压， 在施工温度条件下即可自流成型，这就要求混凝土在摊铺时必须具有足够的流动 性。从固化剂的角度来看，就是要求固化剂高温下固化速度不能过快以使混合料 有足够长的可操作时间，同时冷却后可在常温下继续固化，且固化物强度大、有 一定韧性，固化剂还应该尽可能无毒性或毒性小。 本课题组在2 0 0 5 年自主研究开发环氧沥青混凝土的过程中，对固化剂也曾做 了较多的研究，本次研究在借助于前期研究成果的基础上，另外寻找几种不同类 型的固化剂，更加侧重于从固化剂对环氧沥青浇注式混合料流动性的影响大小方 面来选择可以满足施工时间要求的固化剂。 环氧沥青浇注式混凝土配合比的研究 1 ) 环氧树脂用量的研究 结合料中环氧树脂的用量影响到结合料的固化程度( 混合料的强度) 和混合 料的流动性。其具体表现如下：一方面，环氧树脂与沥青的用量是相对而言的， 当环氧树脂用量较多时，环氧树脂为连续相，沥青为分散相，这时在旌加一定固 化条件的情况下，结合料能够完全固化，反应到混合料中则表现为混合料有足够 的强度，当沥青用量较多时，沥青为连续相，环氧树脂为分散相，这时由于多余 沥青的存在结合料不能够完全固化，混合料的强度则受到影响；另一方面，当环 氧树脂用量较多时，在混合料拌制过程中，环氧树脂会较快地发生固化反应，这 对混合料的流动性很不利。 2 ) 油石比的研究 环氧沥青浇注式混合料的油石比主要影响其流动性，对混合料的性能也存在 一定的影响。 3 ) 级配的研究 在初步确定环氧树脂用量和油石比的前提下，对混合料级配进行一定的调试 试验，以研究级配对环氧沥青浇注式混合料性能的影响，并确定适合于环氧沥青 浇注式混合料的级配范围。而在级配研究之前，我们所采用的级配是浇注式沥青 混凝土的级配。 环氧沥青浇注式混凝土路用性能的研究 第一章绪论 1 2 1 ) 高温稳定性 利用室内车辙试验研究环氧沥青浇注式混凝土6 0 和7 0 的动稳定度。 2 ) 低温性能 进行低温弯曲试验，研究环氧沥青浇注式混凝土的低温变形能力。 3 ) 耐腐蚀性 分别进行普通马歇尔、浸水马歇尔试验以及将马歇尔试件放置到柴油中浸泡 4 8 h 后进行试验( 浸油马歇尔试验) 。 4 ) 耐久性 进行疲劳试验，研究环氧沥青浇注式混凝土的抗疲劳开裂能力。 环氧沥青浇注式混凝土施工工艺研究 1 ) 组分储存 环氧沥青包括a 、b 两组分。一种储存方法是将环氧树脂、沥青以及相容剂作 为一种组分，另一种方法是将固化剂、沥青以及相容剂作为一种组分。因此，应 研究这两种储存方法的热稳性，同时结合现场施工设备及操作性等因素确定出环 氧沥青的储存方案。 2 ) 加料顺序 研究加料顺序对环氧沥青混合料性能的影响( 主要考虑流动性) 。 3 ) 最大工作时问 a 研究恒温条件下环氧沥青浇注式混凝土随时间变化的流动性； b 研究降温条件下环氧沥青浇注式混凝土随时间变化的流动性； 根据流动性试验结果确定不同温度条件下的最大工作时间。 1 3 3 本论文的主要研究成果 笔者在参与智翔公司“环氧沥青浇注式混凝土的试验研究”课题组的过程中， 通过一系列试验研究和理论研究，取得了如下主要成果： 分析了环氧沥青浇注式混合料的组成结构，并从环氧树脂的固化机理出发， 揭示了环氧沥青浇注式混合料的强度形成原理； 对相容剂、固化剂做了进一步的试验研究，并选定了一种相容效果好而且 无毒的相容剂； 确定了环氧沥青浇注式混凝土的配合比，各成分比例为沥青：相容剂：环 氧树脂：固化剂= 1 0 0 ：3 0 ：3 0 ：1 5 ，油石比为2 2 ：石料采用石灰石，并确定了 级配范围； 对环氧沥青浇注式混凝土的性能进行了试验研究，结果表明，环氧沥青浇 第一章绪论 注式混凝土具有良好的高、低温性能； 研究了环氧沥青浇注式混凝土的施工工艺。 1 3 第二章强度形成原理 第二章强度形成原理 沥青混合料是一种复合材料，它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加 剂所组成。这些组成材料在混合料中，由于组成材料质量的差异和数量的多寡， 可形成不同的组成结构，并表现为不同的物理，力学性能汹1 。 本章在研究沥青混合料结构特性及强度特征的基础上，分析了环氧沥青浇注 式混合料的结构特性和强度形成机理。 2 1 混合料的组成结构1 1 2 1 1 沥青混合料的组成结构理论 随着对沥青混合料组成结构研究的深入，目前对传统的理论提出了不同的看 法。因此，对沥青混合料的组成结构有下列两种互相对立的理论。 表面理论( s u r f a c et h e o r y ) 。按传统的理解，沥青混合料是由粗集料、细 集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混 合料分布其表面，而将它们胶结成为一个具有强度的整体。这种理论认识可图解 如下： 沥青混合料 矿质集料j 细集科 阳集料 l 填料 胶浆理论( m o r t a rt h e o r y ) 。近代某些研究从胶体理论出发，认为沥青混 合料是多级空间网状结构的分散系。它是以粗集料为分散相，而分散在沥青砂浆 相容剂中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相，而分散在沥青胶浆 相容剂中的一种细分散系；而胶浆又是以填料为分散相，而分散在高稠度的沥青 相容剂中的一种微分散系。这3 级分散系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决 定沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力。这种理论认识可图解如下： 沥青混合料 f 分散相一细集料 馓倾咖引鼢躲卜黼护沥一物器蓑霁z 嘉 第二章强度形成原理 在这两种理论中，前一种强调的是矿质集料的骨架作用，起主导作用的是矿 粉的强度及其级配的密实度；后一种是强调沥青胶结物在混合料中的作用，起主 导作用的是沥青与填充料之间的关系。 本文所研究的环氧沥青浇注式混凝土材料中，结合料用量为集料的2 0 ( 质量 比) 以上。在这里可以认为混合料是多级空间网状结构的分散系。高含量的结合 料是连续相，填料( 矿粉) 作为分散相与结合料形成环氧沥青胶浆微分散系； 同时环氧沥青胶浆可以看作连续相，细集料分布于其中形成细分散系；另外，粗 集料与细分散系混合在一起，细分散系是连续相，而粗集料则是分散相，形成粗 分散系。从而，环氧沥青浇注式混合料较好地符合前述沥青混合料胶浆理论。 需要指出的是，上面提到了结合料用量的概念，而没有直接使用油石比，是 因为环氧沥青浇注式混凝土材料中，结合料不仅包含沥青，同时还有环氧树脂、 固化剂和相容剂。与s b s 改性沥青混合料等不同的是，环氧沥青浇注式混合料拌 制过程中，环氧树脂、固化剂在不断地发生不可逆的固化反应，生成新的固化产 物，这就不可避免地使有效的结合料含量不断减少：同时，在相容剂的相容作用 下，沥青也部分融入到环氧树脂固化产物中，使有效结合料含量进一步减少。这 就决定了混合料中的结合料含量是一个逐渐减少的过程，也就是说，所谓的“油 石比”不是一个常量。不过，为了文字上的方便及理解上的统一，本文仍然称结 合料含量为油石比，它指的是初始加入集料中的环氧树脂、固化剂、相容剂以及 沥青质量的总和占集料重量的百分比。 2 1 2 沥青混合料的组成结构类型 沥青混合料组成结构可分为三种类型。 悬浮一密实结构 是指矿质集料由大到小组成连续型密级配的混合料结构( 如图2 一l a ) ，混合料 中粗集料数量较少，不能形成骨架。这种沥青混合料粘聚力较大，内摩阻角较小， 因而高温稳定性差。对双层或三层结构的沥青路面，其中至少有一层i 型密级配 沥青混合料。对干燥地区的高等级公路，也可采用这种结构的沥青混合料做表层。 骨架一空隙结构 是指矿质集料属于连续型开级配的混合料结构( 如图2 1 b ) ，矿质集料中粗集 料较多，可形成矿质骨架，细集料较少，不足以填满全部空隙。所以此结构混合 料空隙率大，耐久性差，沥青与矿料的粘聚力差，热稳定性较好，这种结构沥青 混合料的强度主要取决于内摩阻角。当沥青路面采用这种结构形式的沥青混合料 时，沥青面层下必须设置下封层。 第二章强度形成原理 鸯絮一密实络稳 怒指此结构其肖较多数量的糖骨辩形成窳问骨架，同时又有足够的维集科填 满骨架的空隙。这种结构混合料密实度大，只有较高的粘聚力和内摩阻角，是沥 青混余料中最理想的一种结构类型( 如图2 一l c ) 。 a )b )c ) 围扣1 沥青混禽料结构图 a ) 悬浮一密实结构；b ) 骨架空辑l 臻掬；c ) 骨袈一整实结构 f 碡2 - ls t r 垂| c t u r e 西鑫$ p h l t 睛f 酞毒 a ) s u $ p e n s i 翻 _ c o 咐a c ts t r u a t u r 舢h ) s k e l t o r r 一8 l a c ko t r u c t u r e ；c ) s k e i t 州r c o i - a c t # t r u c t u r 浇注式沥青瀵凝土属于密缀配沥青潺凝童，具有矿粉禽量赢、沥鬻含量高、 拌和濑度高等“三高”特点，较多的沥青及细集料含量使粗骨料处于懋浮状态。 同浇注式沥青混凝土一样，环氧沥青浇注式混凝土墩具有结合料禽量高、矿 耪客爨毫静特熹。壤摇溪毒瀑会辩胶装理论，佟麓连续穰懿耀氧溺毒羧浆霞缨集 料处乎悬浮状态，黼较多的沥静及细集料禽鼹使粗骨料处于悬浮状态。因此，可 以知遒，环氧沥青浇注式混凝土属于典型的悬浮一密实结构。 2 2 混合料强度形成原理 2 2 ， 沥青混会料的强度原理 沥青混合料作为一种重要的建筑材料，融被广泛用于公路路面的修筑。然而， 这种材料在荷载( 火气环境荷载和行车荷载) 的作用下，常常会发生软化、推移、 麴氢、车辙、疲劳裂缝和温度裂缝等破坏现象，直接影螭剩路面豹使髑燕质。这 些破坏现象静发生，获本质上来说，是由予浆释强度静不怒丽所致疆坨汝嘲。沥青 混合料是由石质骨料和沥青胶结料所组成的复合材料，它是一种具有空间网络结 第二章强度形成原理1 7 构的多相分散体系口玎嘲1 。具有这种空间网络结构的沥青混合料，其强度构成源于 两个方面：是由于沥青的存在而产生的粘结力；是由于骨料的存在而产生的 摩阻力“1 ”1 棚州。 沥青与矿质集料之间相互作用是沥青混合料结构变形特性的决定性因素。沥 青与矿质集料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿料表 面形成一层厚度为6 。的扩散结构膜，如图2 2 所示，在此膜厚度以内的沥青称为 结构沥青，此膜以外的沥青称为自由沥青。结构沥青与矿料之间发生相互作用， 同时结构沥青的性质有所改变，而自由沥青与矿料距离较远，没有与矿料发生相 互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原来的性质。 图2 - 2 沥青与矿粉交互作用结构图 f j 摹2 - 2i n t e r a c t j n go t r u c t u r eo fa s p h a l ta n db r z e 如果颗粒之间接触处由扩散结构膜所联结( 如图2 _ 2 b ) ，则促成沥青具有更高 的粘滞度和更大的扩散结构膜的接触面积，从而可以获得更大的颗粒粘结力，从 而增加了矿料之间的剪切力。反之，如颗粒之间