摘要
该文以宜昌伍家岗长江大桥为工程依托，针对铺装结构中 RA 沥青混凝土与高黏高弹 SMA 沥青混凝土层间的二阶热固性环氧沥青材料的不同洒布量、不同第一阶段固化时间、不同养护时间、不同服役温度下的界面抗剪与拉拔强度以及洒布量对耐剪切疲劳性能的影响开展研究。研究结果表明：随着二阶热固性环氧沥青洒布量的增加，黏结与抗剪强度提高，结构耐剪切疲劳性能增强，施工环境温度为 25~35 ℃时，二阶热固性环氧沥青黏结层与高黏高弹 SMA 的施工间隔建议 44~52 h，施工完成后封闭养护时间应大于 7 d，二阶热固性环氧沥青黏层可实现组合铺装结构的 25 ℃抗剪强度≥3.8 MPa，拉拔强度≥1.7 MPa，60 ℃抗剪强度≥1.7 MPa，拉拔强度≥0.9 MPa，研究结果对二阶热固性环氧沥青材料在桥面铺装工程中的应用具有指导意义。
Abstract
Based on the Wujiagang Yangtze River bridge project in Yichang, the interfacial shear strength and pull-out strength of the second-order thermosetting epoxy asphalt material between RA asphalt concrete and high viscoelastic SMA asphalt concrete in pavement structure were studied under different spraying amount, different first-stage curing time, different curing time, and different service temperatures. In addition, the influence of spraying amount on shear fatigue resistance was studied. The results show that with the increase in the spraying amount of the second-order thermosetting epoxy asphalt, the adhesive performance and shear strength are improved, and the shear fatigue resistance of the structure is enhanced. At a construction ambient temperature of 25‒35 ℃, the construction interval of second-order thermosetting epoxy asphalt layer and high viscoelastic SMA asphalt concrete is recommended to be 44‒52 h. Closed curing time after construction should be more than 7 days. The second-order thermosetting epoxy asphalt layer can achieve the shear strength of ≥3.8 MPa and pull-out strength of ≥1.7 MPa of the composite pavement structure at 25 ℃, as well as shear strength of ≥1.7 MPa and pull-out strength of ≥0.9 MPa at 60 ℃. The research results have guiding significance for the application of second-order thermosetting epoxy asphalt material in bridge deck paving engineering.
0 引言
随着中国公路建设的发展，大跨径的桥梁建设节奏加快，钢桥面由于具有自重轻、架设方便、跨越能力大等优点，在大型跨江海桥梁工程中应用逐渐广泛。然而，钢桥面在车载作用下变形量大、导热快，铺装层间易发生脱黏、推移、拥包、开裂等一系列病害问题[1-2]，因此，近年来国内外学者围绕钢桥面铺装新材料开展了大量研究工作。
在钢桥面铺装材料中，除环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土、改性沥青玛蹄脂碎石混合料等铺装层材料之外，铺装层材料之间的黏结效果也是钢桥面铺装层中需要重视的“薄弱环节”。目前，常用的铺装层间黏结材料有环氧树脂防水黏结层、甲基丙烯酸甲酯、改性乳化沥青黏层、高黏改性沥青防水黏结层等，大量研究结果表明，在不同的铺装层服役与施工条件下，对黏结层材料也有不同的技术要求，如反应型树脂类黏结层在高温作用会出现老化问题。因此，在热拌沥青混凝土下层应用会引起黏结层强度出现不同程度衰减；如在高温重载的桥梁服役要求下，乳化沥青类黏结层材料对层间的黏结效果有限；在树脂沥青混合料中，由于胶浆含量高，铺装完成后表面光滑、构造深度小，在夏季高温条件下，层间易出现剪切、滑移等病害[3-6]。
近年来有学者提出将二阶热固性环氧沥青应用于桥面铺装层的层间黏层，由于其具有二阶段反应性特性，因此在常温条件下洒布后，可发生第 1 阶段固化反应，并达到指干。在一阶固化完成后，车辆和人员再进行下一阶段的施工作业，因而不会发生粘连。当热拌沥青混合料铺筑时，该黏结层在沥青混合料 165~170℃的温度作用下软化，与铺装上层底面中的沥青胶浆融合相连，并在此温度条件下发生第 2 阶段固化反应，生成固化的环氧沥青黏结层[7-8]。
目前，关于二阶热固性环氧沥青的研究主要围绕其固化反应原理、组成与自身性能规律开展，而直接将二阶热固性环氧沥青应用于钢桥面铺装黏层的研究少有报道，使二阶热固性环氧沥青黏层在工程中的应用缺乏技术参考。比如由于部分工程存在施工时段降雨多，连续施工时间难以控制的情况，若二阶热固性环氧沥青黏结层与铺装上层不能连续施工，间隔时间过长，将会导致二阶热固性环氧沥青的第 1 阶段固化程度过高，在桥面上面层施工时难以软化融合、二阶反应程度低，从而降低层间黏结效果；若二阶热固性环氧沥青黏结层与铺装上面层的施工时间接近，不仅会导致摊铺、运输设备打滑、粘轮，还会引起二阶热固性环氧沥青黏结层薄膜破坏，影响黏结效果。因此，本文结合实际工程，针对不同固化时间、不同洒布量、不同龄期、不同服役温度下的二阶热固性环氧沥青黏结层组合试件的剪切、拉拔规律开展研究，为材料的应用提供理论参考。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
试验采用二阶热固性环氧沥青，性能指标见表1，下面层采用树脂沥青，性能指标见表2，上面层采用高黏高弹沥青，性能指标见表3，矿料采用 0~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~13.2 mm 玄武岩碎石，矿粉采用石灰石磨细矿粉，各项性能指标均满足相应标准规范要求。
表1 二阶热固性环氧沥青性能指标
Table1 Performance index of second-order thermosetting epoxy asphalt
表2 树脂沥青性能指标
Table2 Performance index of resin asphalt
表3 高黏高弹沥青性能指标
Table3 Performance index of high viscoelastic asphalt
1.2 试验方案
为模拟桥面铺装实际施工过程中的施工设备条件与环境气候条件，试验以宜昌伍家岗长江大桥（主跨 1 160 m 悬索桥钢箱梁桥面）工程为依托，在桥面铺装工程试验段中取样进行性能测试。
伍家岗长江大桥桥面铺装采用 EBCL+RA+ SMA组合的 ERS铺装体系，具体结构为 EBCL（Epoxy Bonding Chips Layer）环氧黏结碎石层 +3 cm RA （Resin Asphalt）树脂沥青混合料下面层+4 cm SMA （Stone Mastic Asphalt）沥青玛蹄脂碎石混合料上面层，如图1 所示。
图1 伍家岗长江大桥桥面铺装层结构
Figure1 Pavement layer structure of Wujiagang Yangtze River bridge
试验段按照主桥铺装结构进行施工，长 200 m，总宽度 12 m（分 2 幅，每幅宽 6 m），具体方案设计如下：① 二阶热固性环氧沥青黏层在纵向分为 4 个区域，每部分长 50 m，宽 12 m，各区域的洒布量分别为 0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2；② 完成二阶热固性环氧沥青黏层施工后，进行高黏高弹 SMA-13 施工，高黏高弹 SMA-13 上面层在铺装横向分为 4 个区域，每部分长 200 m，宽 3 m，各区域分别在二阶热固性环氧沥青黏层施工完成后，间隔 12 h、 24 h、48 h、72 h 进行摊铺；试验段整体施工完成后，每个区域分别在 1 d、3 d、7 d 取芯，得到直径 10 mm 的组合结构试验样品，如图2 所示；将取芯得到的样品表面进行切割打磨，待试件彻底干燥后用于后续室内拉拔与抗剪试验加载。
图2 工程试验段取样过程
Figure2 Sampling process of engineering test section
1.3 测试方法
研究试验设备为 MTS 动态力学试验系统，采用抗剪强度和拉拔强度评价层间黏结性能，斜剪试验、拉拔试验参考《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》（JTG/T3364-02—2019）进行[9-11]，试验加载夹具根据试验段芯样尺寸加工定制，其中拉拔夹具的上下平板与试件使用环氧树脂胶黏剂进行黏结，剪切试件以与竖向夹角为 45°的方向进行剪切，试验温度分别为 25℃、40℃、60℃、70℃，采用 MTS 配套环境箱进行温度控制，试验加载方式见图3。动态剪切疲劳试验加载速率为 10 mm/min，剪切疲劳性能测试采用控制应力方式，波形为无间歇正弦波，应力水平为 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，循环应力比选取 0.2，加载频率取 10 Hz，循环加载结束以试件破坏为止。
图3 铺装层组合试件层间黏结性能试验加载方式
Figure3 Loading mode of interlaminar adhesive performance test of composite specimen of pavement
2 静态加载条件下的层间黏结性能
2.1 不同洒布量对层间黏结性能的影响规律
图4 为剪切与拉拔试验后破坏的试件界面形态。由图4 可知：剪切加载下的组合结构试件破坏位置为 RA 沥青混凝土与高黏高弹 SMA 之间的二阶热固性环氧沥青黏结层内部，观察破坏后的试件表面可知，在 RA 沥青混凝土的上表面与高黏高弹 SMA 的下表面，均黏附有一定量的二阶热固性环氧沥青；拉拔试验的试件破坏界面也出现在 RA 沥青混凝土与高黏高弹 SMA 层间，少数拉拔试件的破坏出现在高黏高弹 SMA 内部，结果说明二阶热固性环氧沥青能够在铺装层间界面位置起到界面黏结的作用，与 RA 沥青混凝土、高黏高弹 SMA 沥青混凝土的黏结效果良好，在高黏高弹 SMA 摊铺与碾压过程中，二阶热固性环氧沥青软化并与 SMA 胶浆发生混合，使界面过渡层连续，破坏并未出现在 RA 沥青混凝土或 SMA 沥青混凝土的表面。
图4 剪切与拉拔破坏界面形态
Figure4 Shear and pull-out failure interface morphology
图5为不同二阶热固性环氧沥青洒布量（0.8 kg/m2、 1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2）下的组合结构试件剪切加载的荷载‒位移曲线（试验第 1 阶段固化时间均为 48 h，养护 7 d，试验温度 25℃）。
图5 不同二阶热固性环氧沥青洒布量的组合结构试件剪切性能规律
Figure5 Shear performance rule of composite structure specimen with different spraying amount of second-order thermosetting epoxy asphalt
由图5 可知：在 10 mm/min 的加载速率下，随着试件层间界面处变形量的增加，二阶热固性环氧沥青黏结层表现出逐渐增大的屈服应力，当变形达到一定量后，应力达到峰值，界面出现破坏，此时屈服应力并未直接下降，而是在层间界面处仍然有一定的应力屈服，使界面黏结层的黏结性能逐渐下降，直至完全破坏。
图6为不同二阶热固性环氧沥青洒布量（0.8 kg/m2、 1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2）下的组合结构试件直接拉伸加载的荷载‒位移曲线（试件的第 1 阶段固化时间均为 48 h，养护 7 d，试验温度 25℃）。由图6 可知：随着拉伸位移的增加，其荷载曲线迅速升高，并在破坏后，荷载下降至零，组合结构试件完全断裂。其中，在洒布量达到 1.2 kg/m2 后，一部分的试件断裂位置开始出现在高黏高弹 SMA 内部，说明二阶热固性环氧沥青洒布量达到 1.2 kg/m2，在合理的固化条件下，其黏结强度可完全满足铺装层组合结构层间黏结效果。
图6 不同二阶热固性环氧沥青洒布量的组合结构试件拉拔性能规律
Figure6 Pull-out performance rule of composite structure specimen with different spraying amounts of second-order thermosetting epoxy asphalt
不同洒布量下的拉伸与抗剪强度计算结果如表4所示。由表4可知：随着二阶热固性环氧沥青洒布量的增加，剪切强度、拉拔强度随之增大，增加幅度逐渐降低。
表4 不同洒布量的组合结构试件层间黏结强度（25℃）
Table4 Inter-layer bond strength of composite structure specimens with different spraying amount (25℃)
2.2 不同一阶段固化时间对层间黏结性能的影响规律
图7 为不同一阶反应时间（12 h、24 h、48 h、72 h） 时的组合结构试件的抗剪强度与拉拔强度（试件的洒布量均为 1.2 kg/m2，养护 7 d，试验温度 25℃）。
由图7 可知：随着一阶反应时间的增加，组合结构试件的抗剪强度与拉拔强度均呈现先增后减的趋势，当一阶固化时间在 48 h 时，试件的抗剪与拉拔强度最大，分别为 3.905 MPa 与 1.732 MPa。由于二阶热固性环氧沥青洒布后，其组分即发生固化反应。若在洒布 12 h 即开始进行高黏高弹 SMA 上面层摊铺，其二阶热固性环氧沥青的第 1 阶段固化时间不足，在被加热后，自身黏度较小，不仅存在施工设备对黏结层的破坏，且黏度较低的二阶热固性环氧沥青在 SMA 不断振动、往复碾压的条件下，会被抽提至 SMA 内，使在界面位置处的二阶热固性环氧沥青膜减薄，降低界面黏结强度。而当其第 1 阶段固化时间较长时（72 h），二阶热固性环氧沥青黏结层已具有一定的硬度，在加铺高黏高弹 SMA 后，其第 2 阶段固化的程度较低[12-13]，难以与上面层间形成较好的黏结效果，从而使层间剪切与拉拔强度降低。
2.3 不同养护时间对层间黏结性能的影响规律
图8 为不同二阶热固性环氧沥青养护时间（1 d、3 d、7 d）下的组合结构试件的拉拔强度与抗剪强度 （试验试件的洒布量均为 1.2 kg/m2，第 1 阶段固化时间 48 h，试验温度 25℃）。
图7 不同一阶固化时间对组合结构试件层间黏结性能的影响规律
Figure7 Effect of different first-order curing time on interlaminar adhesive performance of composite structure specimens
图8 不同养护时间对组合结构试件层间黏结性能的影响规律
Figure8 Effect of different curing time on interlaminar adhesive performance of composite structure specimens
由图8 可知：在高黏高弹 SMA-13 上面层铺装 1 d 后即进行拉拔与抗剪试验，得到的强度较低，说明二阶热固性环氧沥青的固化反应未完全完成，界面强度尚处于形成过程中，当 3 d 后对组合结构试件进行拉拔与抗剪强度测试，层间黏结效果较明显提高，说明二阶热固性环氧沥青的固化反应程度提高，当继续养护 7 d 后进行强度测试，其黏结抗剪强度小幅度提升，说明此时二阶热固性环氧沥青的固化反应已进入后期，黏结层黏结性能已达到开放交通的要求。
2.4 不同服役温度对层间黏结性能的影响规律
图9 为不同服役温度（25℃、40℃、60℃、70℃） 下的组合结构试件的拉拔与抗剪强度（试件的洒布量均为 1.2 kg/m2，第 1 阶段固化时间 48 h，养护 7 d）。
由图9 可知，随着服役温度的升高，二阶热固性环氧沥青黏层的黏结性能下降，这是由于二阶热固性环氧沥青仍然属于温度敏感性材料，当服役温度达到钢桥面夏季高温季节典型温度（60℃）时，二阶热固性环氧沥青中的沥青组分自身黏度下降，导致拉拔强度降低至 1.000 MPa 以下，剪切强度降低至 1.800 MPa 以下；当服役温度达到夏季极端气温 （70℃）时，拉拔强度降低至 0.721 MPa，剪切强度降低至 1.192 MPa。
图9 不同服役温度对组合结构试件层间黏结性能的影响规律
Figure9 Effect of different service temperatures on interlaminar adhesive performance of composite structure specimens
3 动态加载条件下的层间黏结性能
图10 为不同二阶热固性环氧沥青洒布量（0.8 kg/㎡、1.0 kg/㎡、1.2 kg/㎡、1.4 kg/㎡）下的组合结构试件剪切疲劳试验结果。应用最小二乘法对取对数后的应力水平 σ 与破坏时的循环加载次数 Nf 进行拟合与回归，得到反映材料耐剪切疲劳能力的疲劳方程：
(1)
式中：Nf 为材料断裂破坏时的加载次数；σ 为加载应力水平；n，k 分别为线性回归方程在坐标轴上的斜率与截距，2 个参数共同反映了材料的耐剪切疲劳性能。n 值表示材料疲劳性能对应力水平变化的敏感度，n 值越大，材料疲劳性能随应力水平改变变化越大；k 值表示同一应力水平下材料的疲劳性能，k 值越大，材料疲劳性能越好[14-15]。
不同洒布量的组合结构疲劳方程及参数见表5。
由图10、表5 可知：不同的二阶热固性环氧沥青洒布量对组合结构试件的耐剪切疲劳性能有明显影响。随着二阶热固性环氧沥青洒布量的增加，参数 k 值呈现增大趋势，n 值有减小趋势，说明铺装层组合结构对应力水平变换的敏感度下降，这有利于铺装层承载车辆动荷载时的耐疲劳性能提升。在二阶热固性环氧沥青洒布量为 0.8~1.4 kg/㎡范围内，试件的耐剪切疲劳性能随洒布量的增加而增强，在洒布量 1.4 kg/㎡时达到最佳，破坏时加载次数达到 7.6 万次，但相较于洒布量为 1.2 kg/㎡时，其增加幅度不大，结构的性能强化效果不明显。综合铺装层其他方面性能及材料用量的经济成本考虑，二阶热固性环氧沥青铺装洒布用量不建议高于 1.2 kg/㎡。
图10 不同二阶热固性环氧沥青洒布量组合结构试件的疲劳曲线
Figure10 Fatigue curves of composite structure specimens with different spraying amounts of second-order thermosetting epoxy asphalt
表5 不同洒布量的组合结构疲劳方程及参数
Table5 Fatigue equation and parameters of composite structure with different spraying amounts
4 工程应用
伍家岗长江大桥位于宜昌长江公路大桥上游约 6.3 km 处，起点位于江城大道，跨长江、越伍临路，终点与花溪路对接，在起点及跨伍临路处分别设置艾家互通、伍临路互通，大桥主桥，桥面宽 31.5 m，采用双向六车道标准建设。基于本文试验结果：采用二阶热固性环氧沥青黏结层洒布量 1.2 kg/m2，黏结层洒布后 44~52 h 完成高黏高弹 SMA 施工，施工完成后封闭养护 7 d，实现了二阶热固性环氧沥青黏结层在伍家岗长江大桥主桥桥面铺装工程中的应用（图11）。桥面现场铺装层拉拔试验结果表明：高黏高弹 SMA 铺装层与下层的拉拔强度达到 1.68 MPa（现场温度 32℃），通车服役至今未出现铺装层间破坏。
图11 二阶热固性环氧沥青黏结层在宜昌伍家岗长江大桥上应用
Figure11 Application of adhesive layer of second-order thermosetting epoxy asphalt on Wujiagang Yangtze River bridge in Yichang
5 结论
（1）二阶热固性环氧沥青随着洒布量的增加，黏结与抗剪强度提高，耐剪切疲劳性能增强；二阶热固性环氧沥青的一阶段固化时间、养护时间对拉拔强度、抗剪强度均有影响，在施工环境温度 25~35℃ 时，二阶热固性环氧沥青黏结层与高黏高弹 SMA 的施工间隔建议 44~52 h，施工完成后封闭养护时间宜≥7 d。
（2）在最优的施工参数条件下，二阶热固性环氧沥青黏层可实现 RA 与 SMA 组合铺装结构的 25℃抗剪强度≥3.8 MPa，拉拔强度≥1.7 MPa，60℃抗剪强度≥1.7 MPa，拉拔强度≥0.9 MPa。
（3）组合结构试件的耐剪切疲劳性能总体趋势随洒布量的增加而增强，在二阶热固性环氧沥青洒布量 1.2 kg/m2 时，破坏加载次数达到 7.3 万次。
