环氧沥青混合料力学参数研究

环氧沥青混合料力学参数研究

薛龙海1薛连旭2

1、广东晶通公路工程建设集团有限公司广州市510635；

2、广东省高速公路发展股份有限公司广州市510100；

摘要：分别对环氧沥青混凝土的主要力学参数模量和强度进行了试验、分析和讨论。动态弯曲模量由于其试验加载方式和铺装层实际受力状态基本一致，而且测试方式模拟了荷载作用下材料应力和应变的实际过程，相对而言更适合作为桥面铺装力学分析时的模量。对于常温下的环氧沥青混凝土铺装，其力学分析计算的模量值变化幅度应为500～15000Mpa。从安全取值、破坏模式的一致性考虑，推荐采用15℃弯拉破坏最大拉应变作为其极限拉应变。

目前人们对于普通沥青路面这种半无限空间弹性层状体系的参数确定、力学模型、强度理论已经有了比较深刻的认识，相应的设计规范也有明确而具体的规定。力学模型简化为双圆荷载作用下的半无限空间弹性层状体系[1]，材料参数如模量和强度都有明确的测定办法，设计规范[2]甚至还推荐了各个层次、各种材料结构的模量和强度推荐值。

但对于环氧沥青混凝土而言，要计算其荷载作用下的应力应变，除了受力情况复杂、无法获得解析解外，其各种力学参数的选取或确定还没有一个较为统一的认识。

一般地，常规的力学性能参数主要有强度、弹性、塑性、韧性、硬度等主要，一种材料的力学参数选取和其受力和破坏模式有关[3]，对于钢桥面铺装而言，其主要可能的破坏方式有：（1）车辆荷载作用导致的顶面负弯矩处疲劳开裂；（2）层间抗剪切强度不足而导致的层间推移；（3）高温时材料抗剪强度不足的塑性变形过大即车辙；（4）低温时抗拉强度不足或变形能力不好产生的裂缝。大量的工程实践表明，环氧沥青混合料钢桥面铺装产生的病害以（1）和（2）为主，其中第（1）种情况又占绝大多数。因此，研究环氧沥青混合料的力学参数应当针对由于负弯矩导致的疲劳破坏过程的铺装层的受力特点进行分析。本文拟对表征环氧沥青钢桥面铺装疲劳特性的材料力学参数---模量和强度进行试验和研究。

1环氧沥青混合料的模量强度试验

由于沥青混凝土这种各向异性的粘弹性材料而言，表征其弹性性能的模量依据不同的计算目的、测试条件可以分为许多种。按照受力方式的不同可以分为剪切模量、抗压模量和抗拉模量；按照是否考虑时间因素可分为静态模量和动态模量；按照测试方法可分为松弛模量和蠕变模量等等不一而足。对于同一种材料这些模量值相差很大，如果所用的模量类型不能很好的模拟其实际受力过程，则最终的计算或者分析结果将会有很大误差或者错误，有时甚至会是相反的结论。因此，对于一种材料特别是环氧沥青这种受时温影响较大的粘弹性材料其弹性参数的选取必须结合其受力特点、时温条件、破坏模式来综合考虑。

我国现有设计规范中，规定路面厚度计算时依据设计或验算指标的不同而分别选用20℃时和15℃下的抗压回弹模量。是采取逐级加载卸载测试法下0.5倍破坏强度时材料的静态模量值。这种测试方法虽然有其不足之处，如：用抗压模量来进行拉应力验算，承受的是动态荷载却用静态模量进行计算等。但基本上反映了静力荷载作用下沥青混凝土路面的应力应变特性。对于环氧沥青混凝土铺装而言同样存在选用合适的试验条件和合适的试验方法测试的问题。下面本文将对环氧沥青混凝土常用的几种模量进行测试和讨论。

试验采用美国ChemCo公司所生产的环氧沥青，由两部分组成：其中A组分为环氧树脂，B组分为石油沥青和固化剂组成的匀质合成物。集料采用深圳平湖芙蓉石场的辉绿岩。矿料级配按表3-1，级配按照马歇尔试验法确定最佳油石比和矿料级配。然后分别按照不同的模量测试方法和规程成型试件。

表1环氧沥青混合料级配中值

1.1抗压回弹模量

分别测试了-10℃、15℃和40℃条件下美国环氧沥青混合料的抗压回弹模量如表1所示。

试验用试件按照现行交通部标准《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》中静压法试件成型方法，制备直径和高度为均为100mm的圆柱体试件。试件压实度控制为100±1%，然后按要求将试件在120℃条件下固化4个小时。

试验仪器选用是美国MTSSystemsCorporation生产的MTS810系列伺服液压材料试验机，可以方便地自动采集实验过程中的施加的力和试件的变形等数据。试验时将荷载分为7级，荷载范围定为0.1～0.7倍的破坏荷载，采用逐级加载--卸载，加载速率采用2mm/min。按设定加载速率加到预定荷载后直接卸载，然后稳定30S。作为对比，同时对一种AC9普通沥青（AH-70）混合料进行了同样试验条件的回弹模量测定。试验结果见表3-2和3-3。

表2环氧沥青混合料在不同温度下抗压回弹模量试验结果

表3普通沥青混合料在不同温度下抗压回弹模量试验结果

从表2和表3可以看出，随着温度的降低，环氧沥青混合料的抗压回弹模量由40℃时的745Mpa迅速增加到-15℃时的24719Mpa，之间相差30倍。在低温域环氧沥青混合料与普通沥青混合料回弹模量相差较小，而在常温下，环氧沥青混合料的回弹模量明显高于普通沥青混合料，约为其3倍。

1.2动态剪切劲度模量

华南理工大学迟凤霞等[4]对与本文同样的沥青混合料进行了动态剪切试验，测得美国环氧沥青混合料的动态剪切模量，试验温度分别取-20℃、20℃和60℃，试验加载频率设定为0.1Hz。试验结果如表3-4所示。

表4环氧沥青混合料在不同温度下动态剪切模量试验结果

从表4可看出，环氧沥青混合料的动态剪切劲度模量随温度的变化与其抗压回弹模量表现出相似的规律性。而反映其粘弹特性的相位角则从-20℃时的5.92º上升为20℃时的24.04º，然后又在60℃时降至10.27º，即环氧沥青混合料在此温度域内表现出从接近弹性到粘弹性，又到接近弹性这样一个过程。同时亦可看出，在常温条件下（20℃）环氧沥青混合料的剪切模量大约是AC-10（AH-70）混合料的3倍，而在低温（-20℃）时相差不到20%，高温时相差约10倍。高温剪切模量可以在一定程度上反映材料的抵抗车辙能力，说明在高温稳定性方面环氧沥青混合料比普通沥青混合料要高出很多。

1.3劈裂劲度模量

黄卫等[5]利用成型好的马歇尔试件分别在-15℃、0℃和15℃时进行劈裂试验，测得了不同温度下的环氧沥青混合料的劈裂强度和劈裂劲度模量。试件高度64.5mm，直径100mm。加载速率50mm/min。试验仪器采用MTS810系列伺服液压材料试验机。试验数据如表5所示。

表5环氧沥青混合料在不同温度下劈裂模量试验结果

1.4静态弯拉劲度模量

有研究[6]在试验温度为20℃，通过对14mm厚钢板（喷砂除锈后并喷涂60～80tam环氧富锌漆）+0．68L／m2环氧沥青粘结层+50mm环氧沥青混凝土铺装层的简支复合粱进行了加载测试。试验荷载为5kN，按1kN的增量逐级加载。反算得钢板试件的弹性模为194600MPa，环氧沥青粘结层的粘结劲度为58．5MPa／mm，环氧沥青混凝土的弹性模量为950MPa。这种方法虽然综合考虑了整个桥面板的整体弹性性能，但不可避免的是整个试验、反算过程由于各种假定和实验误差过多，将会对模量反算结果产生较大误差。

按照现行交通部标准《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（T017-1993）中的沥青混合料弯曲试验规定和方法分别在-15℃、0℃和15℃温度条件下对美国环氧沥青混合料进行了弯曲试验。试验仪器采用台湾鸿达公司生产的静态压力试验机，试件为250X30X35mm棱柱体小梁，采用两点支撑跨中加力的加载方式，跨径为200mmm，试验加载速率为50mm/min，试验结果如表6所示。

表6环氧沥青混合料在不同温度下弯曲试验结果

从表6可以看出，随着试验温度的降低，弯拉模量由15℃时的2108Mpa增加到-15℃的11641Mpa，之间相差约5倍。显然，弯拉模量对温度的敏感性远远小于复数剪切模量，但与劈裂模量的变化基本一致。

1.5动态弯曲劲度模量

为了获得环氧沥青混凝土的动态弯曲模量，采用英国CooperResearchTechnology有限公司生产的四点弯曲法疲劳试验设备进行各温度条件下的弯曲劲度模量试验，试件尺寸为385mm×65mm×50mm，采用应变控制加载，应变水平为600，荷载为频率10Hz的正弦波荷载。试验结果取加载第100次基本稳定后的数据。试验结果如表7。

表7环氧沥青混合料各温度下动态弯曲劲度模量试验结果

环氧沥青与普通沥青混合料的模量在各种测试条件下表现出基本一致的规律性，（1）在常温下，环氧沥青混合料各种条件下的模量值约是普通沥青混合料的3倍，具有较高的抵抗变形能力，对于钢桥面铺装这种以应变控制疲劳破坏的结构，可有效降低其正常使用状态下的应变水平，提高疲劳寿命；（2）在低温条件下，二者模量相差不大，说明环氧沥青混合料有良好的低温变形协调能力；（3）在高温区域，环氧沥青混合料模量约是普通沥青混合料的2倍，特别是可以反映高温稳定性的高温剪切模量相差达到10倍，有着非常良好的抗车辙能力。

上述几种环氧沥青混合料的劲度模量随着试验方法和条件的改变，其数值大小、对温度的敏感性表现大相径庭。其中数值范围最大的是动态弯曲劲度模量（15787Mpa～56361Mpa），最小的是动态剪切劲度模量（113Mpa～6555Mpa）。对温度敏感程度最大的是复数剪切模量，-20℃与20℃之间的模量值相差约15倍，其他模量则-15℃与15℃的模量值大约相差4～6倍。

作为一种桥面铺装材料，必须选取合适的、能真实反映其与桥面板结构共同承受车辆荷载的材料参数，方可准确分析其内部应力应变。作为钢桥面铺装与普通的沥青路面结构层受力不同，主要承受的由于加劲肋处的负弯矩导致的弯拉应力。显然抗压回弹模量和剪切模量其试验加载模式与实际受力模式有很大差异。而劈裂模量和弯拉模量虽然在一定程度上反映了材料的抗拉性能，但均属于静态模量，其模量的计算都是通过破坏时的最大荷载和最大变形而得。事实上，对于粘弹性材料而言，应力和应变并不是同步发生的，这种模量的计算方法至少物理意义并不明确。

而动态弯曲模量一方面其试验加载方式和铺装层实际受力状态基本一致，同时通过动态测试的方式模拟了荷载作用下材料应力和应变的实际过程。相对而言更适合作为桥面铺装力学分析时的模量。有研究通过有限元分析认为铺装层材料模量在500Mpa～2000Mpa之间时，对铺装层应力或应变的计算有较大影响，而在2000Mpa～7000Mpa时影响不是很明显[7]。

综合以上分析，对于常温下的环氧沥青混凝土铺装，其力学分析计算的模量值变化幅度应为500～10000Mpa。

2关于环氧沥青混合料的强度

表征沥青混合料的强度指标主要有：劈裂强度、弯拉强度、抗剪切强度、抗压强度等。各自反映不同受力条件和破坏模式下材料的结构抗力。目前的沥青路面设计规范中规定沥青结构层的容许拉应力通过沥青混凝土的15℃劈裂强度除以抗拉强度结构系数Ks来确定。事实上，劈裂强度是一种间接抗拉强度，这种间接拉伸试验基本和弹性层状体系下的路面结构层受拉破坏模式一致。但对于钢桥面铺装层而言，其破坏模式更接近于小梁弯曲破坏。而且，通过本文上述试验也可看出，劈裂试验要比用小梁弯曲试验测得的极限应变值大约1个数量级，偏于不安全。因此，本文推荐采用15℃弯拉破坏最大拉应变作为其极限拉应变。

华南理工大学土木与交通学院对美国ChemCo环氧沥青混合料采用与本文相同的集料级配，分别进行了600、800、1000应变水平下的重复弯曲疲劳试验，试验温度为15℃，加载频率为10Hz，以达到初始劲度的50%作为试件破坏的标志。得出关于这种沥青混合料的疲劳方程如公式（3）[8]。

=1.1431×1039-11.2315R=0.9937（3）

按照此疲劳方程可以方便地计算出这种混合料在任意应变水平下的疲劳寿命，或者给定疲劳次数，可以算的混合料的容许拉应变。

3结论

通过对环氧沥青混合料不同试验方法下的模量比较分析和强度的研究得到以下主要结论：

（1）环氧沥青与普通沥青混合料的模量在各种测试条件下表现出基本一致的规律性：在常温下，环氧沥青混合料各种条件下的模量值约是普通沥青混合料的3倍，具有较高的抵抗变形能力，对于钢桥面铺装这种以应变控制疲劳破坏的结构，可有效降低其正常使用状态下的应变水平，提高疲劳寿命；在低温条件下，二者模量相差不大，说明环氧沥青混合料有良好的低温变形协调能力；在高温区域，环氧沥青混合料模量约是普通沥青混合料的2倍，特别是可以反映高温稳定性的高温剪切模量相差达到10倍，有着非常良好的抗车辙能力。

（2）作为一种桥面铺装材料，必须选取合适的、能真实反映其与桥面板结构共同承受车辆荷载的材料参数，方可准确分析其内部应力应变。分别对环氧沥青混凝土的主要力学参数模量和强度进行了试验、分析和讨论。动态弯曲模量一方面其试验加载方式和铺装层实际受力状态基本一致，同时通过动态测试的方式模拟了荷载作用下材料应力和应变的实际过程。相对而言更适合作为桥面铺装力学分析时的模量。

（3）对于常温下的环氧沥青混凝土铺装，其力学分析计算的模量值变化幅度应为500～15000Mpa。

（4）从安全取值、破坏模式的一致性考虑，推荐采用15℃弯拉破坏最大拉应变作为其极限拉应变。

参考文献：

[1]林绣贤.柔性路面结构设计方法[M]．北京：人民交通出版社，1988：321-332

[2]中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范（JTGD40-2006）[S].北京：人民交通出版社.2006：34-37

[3]CharlieR.Brooks，AshokChoudhury.工程材料的失效分析[M].谢斐娟，孙家攘译.北京：机械工业出版社，2003：672-679

[4]迟凤霞．沥青混合料的形态指标及形态分类[D]．广州，华南理工大学，博士学位论文2008：69-75

[5]黄卫，钱振东.高等沥青路面设计理论与方法[M]，北京：科学出版社，2001：336-369

[6]陈先华.基于复合梁的钢桥面铺装层疲劳特性研究[D]．南京，东南大学，博士学位论文2006：37-40[7]黄超.大跨径钢桥面铺装体系受力分析——杭州湾大桥桥面铺装层力学分析[D]：南京，东南大学，博士学位论文2003：71-74

[8]黄文通王端宜.环氧沥青混凝土黏弹性分析与疲劳性能试验研究[J].科学技术与工程，2008，9：4901-4904

作者简介：

薛龙海（1988-），山西方山人，主要从事高速公路材料试验、养护管理等工作。