| 基于水泥-乳化沥青-水性环氧复合胶结钢桥面铺装材料研究与结构设计 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
来源：中国沥青网 作者：丁庆军1，沈凡2，黄绍龙3 发布日期：2012-11-27
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| 【中国沥青网新闻资讯】 作者：丁庆军1，沈凡2，黄绍龙3 摘 要：本文系统研究了水泥-乳化沥青-水性环氧复合胶结钢桥面铺装材料的力学性能和路用性能，根据其力学参数提出了基于CAE混凝土的钢箱梁桥面组合铺装方案，并进行了力学分析。研究结果表明：CAE混凝土抗剪强度、拉伸强度优于SMA沥青混凝土，静态模量与SMA沥青混凝土接近，动态模量对温度和频率的敏感性均较SMA沥青混凝土小；CAE混凝土伯格斯模型的各项参数均高于SMA沥青混凝土，表明CAE混凝土具有良好的抵抗荷载变形能力及更佳的温度稳定性；CAE混凝土的路用性能达到了环氧沥青混凝土的水平，且水稳定性能优于环氧沥青混凝土；提出的组合铺装方案的结构受力能够满足钢箱梁铺装的受力要求，且具有较高的安全系数。综合分析：CAE混凝土材料可以作为钢箱梁铺装材料使用。
Research and Structural Design on Composite Steel Bridge Deck Pavement of Cement-Emulsifying Asphalt and waterborne Epoxy Abstract：The mechanical and road performance of CAE composite binding material for steel bridge deck pavement was studied systematically in this paper. According to its mechanical parameters, the composite paving scheme for steel bridge deck based on CAE concrete was put forward, and the mechanical performance was analyzed. The research result indicates that: The shear and tensile strength of CAE concrete is superior to SMA mixture, the static modulus is equivalent to SMA mixture, the sensibility of dynamic modulus by temperature and frequence changes is less than the SMA mixture, and all the Burgers model parameters of CAE concrete are higher then SMA mixture. Show that the CAE concrete has good resistance to load deformation capacity and better temperature stability; The road performance of CAE concrete has reached the level of epoxy asphalt concrete, and the water stability is better than epoxy asphalt concrete; The structure stress of the composite paving scheme satisfy the steel box girder pavement requirements, and has a higher safety factor. Generally speaking, CAE concrete materials can be used as paving materials in the steel box girder.
Keywords：Steel box girder pavement; Cement; Emulsified Asphalt; Waterborne Epoxy Resin; Composite Cemented Material 0 引 言 钢箱梁具有自重轻、跨越能力大、架设方便等优点是我国桥梁建设，特别是大跨径桥梁建设的主要结构形式。然而，普通沥青基材料存在高温稳定性不良、与钢板粘结性差等问题，易产生推移、拥包等病害。因此，钢箱梁桥面铺装层材料一直是研究的热点和难点。 针对钢箱梁桥面铺装材料需要具有良好柔韧性、高温稳定性能及粘结性能的要求，本文开发出一种新型钢箱梁铺装材料——乳化沥青、水性环氧、水泥复合胶结（Cement Asphalt Epoxy，以下简称CAE）钢桥面铺装材料。此种复合胶结材料具有以下特点：首先，采用乳化沥青与水性环氧树脂改善了沥青与环氧树脂颗粒表面活性，使两者在常温下具有良好的相容性，同时采用常温拌合，避免了环氧沥青高温固化速度过快的问题；其次沥青与环氧树脂高分子材料复合使CAE混凝土具有良好的韧性、与构件的粘结强度以及协调变形能力；再次，水泥吸收了乳化沥青与水性环氧树脂破乳后释放的水分，并且水泥颗粒以及水泥水化产物为乳化沥青及水性环氧树脂破乳成膜提供了载体和起到连接两者的作用，使乳化沥青胶结和水性环氧树脂固化过程中能够均匀的分散而不至于在水分的散失后由于极性差异分层，进而形成稳定的复合胶结材料；最后，可以通过调整三种材料的比例，选择不同种类的水泥、乳化沥青、水性环氧树脂材料以及不同的骨料级配，可以调节材料体系的强度、模量和韧性，以满足钢箱梁桥面铺装层材料力学和使用性能的要求。 水泥-乳化沥青-水性环氧树脂复合胶结材料综合利用了水泥与沥青和环氧树脂粘附性好、环氧树脂温度稳定性好、粘接强度高及沥青材料粘韧性好的优点，但是其性能并不是水泥、环氧树脂与沥青材料性质的简单叠加，而是各组分之间相互作用、相互影响的结果，其力学性能和使用性能必然会体现出新的特性，需要系统研究并为其应用技术提供支撑。研究成果将会为钢箱梁桥面铺装材料的研发提供新思路，对推动我国交通事业的发展，丰富建筑材料理论体系都有着重要的实践意义。 1 原材料和实验方案 1.1 原材料 本试验采用阳离子慢裂型改性乳化沥青、华新P.O42.5普通硅酸盐水泥、自制的非离子固化剂自乳化型水性环氧树脂；，其主要技术参数见表1~表3。细集料和粗集料均采用石灰岩，其性能指标满足JTG F40-2004 公路沥青施工技术规范的要求。 表1 改性乳化沥青性能指标
表2 环氧树脂及其固化剂性能指标
表3 水泥的性能指标
1.2 试验方案 CAE混凝土是由水泥、乳化沥青、水性环氧树脂作为胶结材料并与砂石集料混合形成的一种新型混凝土材料。在设计过程中通过控制水泥、乳化沥青、水性环氧树脂三者的比例，使CAE混凝土具有合适的刚度、与钢板的粘结强度及高低温性能；具体以A/E、A/C两个参数控制，A为乳化沥青的质量，E为环氧树脂与自乳化型固化剂混合形成水性环氧树脂的质量，C为水泥的质量。本文中CAE混凝土A/C=2、A/E=5/3，其级配曲线见图1，CAE胶浆（水泥、乳化沥青、水性环氧树脂的混合物）的用量为25%。
图1 CAE混凝土级配曲线图
对CAE混凝土分别进行应力-应变、直接拉伸强度、抗压回弹模量、动态模量试验，并采用蠕变试验，对CAE混凝土的伯格斯模型参数进行分析；结合CAE材料的力学参数，进行钢箱梁桥面组合铺装结构设计，提出基于CAE混凝土的钢箱梁铺装层组合结构铺装方案。具体试验方法和方案如下： a、应力-应变试验 采用MTS万能材料试验机测试轴压作用下CAE胶浆及混凝土的应力-应变曲线，试件尺寸为θ101.6* b、直接拉伸强度试验 采用MTS万能材料试验机测试不同掺配比例CAE混凝土的直接拉伸强度，试验尺寸为50*50* c、抗压回弹模量试验 参照JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0713-2000“沥青混合料单轴压缩试验（圆柱体）”进行不同掺配比例CAE混合料的抗压回弹模量的测试。 d、动态模量 采用AMPT（Asphalt Mixture Performance Tester）进行不同掺配比例CAE混凝土在 e、粘弹性力学分析 采用MTS万能材料试验机测试不同掺配比例、不同温度下CAE混凝土蠕变曲线，并根据蠕变曲线利用公式1，求解出粘弹性材料本构方程——伯格斯模型中各参数。
蠕变试验的试件尺寸为100* f、路用性能 参照公路工程沥青及沥青混合料实验规程JTJ 052-2000进行。 g、钢箱梁桥面组合铺装结构设计 采用通用有限元计算分析软件ANSYS对结构受力进行理论模拟计算。根据钢箱梁正交异性桥面板的结构组成特点，选取有代表性的桥面板结构特征参数如表6-1所示。有限元计算模型采用局部结构模型，实体模型根据表4中实际的钢箱梁桥面结构参数建立，选取3块横隔板和8条纵向加劲肋，尺寸为4800× 表4 钢箱梁模型相关结构和材料计算参数
表5 铺装层组合结构计算参数
2 力学性能试验结果与分析 2.1 应力-应变分析 CAE、SMA混凝土的应力-应变曲线见图2。研究结果表明：CAE混凝土与SMA沥青混凝土具有相似的应力-应变特征，且表现出比SMA沥青混凝土更为优良的弹性特征。CAE混凝土在应变为2.5%达到极限强度，应变在1.4%以内为弹性变形阶段，应变在8%时，应力水平降至极限强度的50%，而SMA沥青混凝土在应变为2%时达到极限强度，弹性变形阶段应变范围在1.2%以内，应变为6%时应力水平降至极限强度的50%，同时CAE混凝土的极限强度为4.5MPa，SMA仅为3.5MPa，说明CAE混凝土具有更为优异的弹性。
CAE混凝土 SMA沥青混凝土 图2 CAE、SMA混凝土应力-应变曲线 2.2 直接拉伸强度 不同掺配比例CAE混凝土直接拉升强度见表6。研究结果表明：CAE混凝土较沥青混凝土拉伸强度有了显著的提高，普通SMA沥青混凝土的抗拉强度仅为0.35MPa，而CAE混凝土达到了1MPa以上。同时可以发现，随着水泥用量的提高，拉伸强度逐渐提高，但变化不明显，随着水性环氧树脂用量的提高，拉伸强度显著提高，说明环氧树脂对于CAE混凝土拉伸强度的贡献要大于水泥。 表6 CAE混凝土的直接拉伸强度
2.3 静态模量 CAE混凝土静态回弹模量试验结果见表7。研究结果表明：不同掺配比例下CAE混凝土的抗压回弹模量在1000~3500MPa左右，与沥青混凝土的抗压回弹模量接近，说明CAE混凝土属于一种柔性的路面材料。提高水泥和水性环氧树脂的用量均能够提高材料的抗压回弹模量，但是从改变的趋势看，以A/E=5/3、A/C=2为基准，当水泥提高至A/C=1.5，抗压回弹模量提高了近1000MPa，当环氧树脂提高A/E=1，抗压回弹模量仅提高了600MPa，说明对于抗压回弹模量的提高，水泥的贡献更大。 表7 CAE混凝土静态回弹模量试验结果
2.4 动态模量 CAE混凝土 研究结果表明： CAE混凝土随着频率的提高动态模量提高，符合粘弹性力学动态响应的基本规律； 其相位角在4~7之间，均明显低于SMA沥青混凝土，说明CAE混凝土弹性占主导作用，粘性特征体现较少。随着频率的提高CAE混凝土动态模量增长不明显，而SMA沥青混凝土从1Hz到25Hz增长了2倍以上；在相位角方面，SMA沥青混凝土从低频到高频相位角呈明显的下降趋势，而CAE混凝土的相位角变化不明显，说明CAE混凝土对频率敏感性较小。 随着温度的提高，CAE混凝土的模量降低，相位角增大，这主要是由于随着温度的升高，CAE混凝土中自由沥青组分开始软化，因而CAE混凝土从弹性向粘性转变，属于粘弹性材料的特性。相比SMA沥青混凝土，
a、频率与模量的关系 b、频率与相位角的关系 图3 CAE混凝土模量与温度、频率的关系 2.5 CAE混凝土粘弹态力学行为分析 不同掺配比例、温度CAE混凝土伯格斯参数见表8和表9。研究结果表明：不同掺配比例CAE混凝土伯格斯模型的各项参数相比SMA沥青混凝土均得到明显的提升，说明CAE混凝土抵抗变形的能力有了很大的提高。特别是在不同温度下，CAE混凝土各参数的下降幅度远低于SMA沥青混凝土下降的幅度，表明CAE混凝土具有更佳的温度稳定性。 随着水泥用量的提高，CAE混凝土η1、E1、η2/ E2均增大，说明路面抵抗变形能力随之提高。这是由于随着水泥用量的增大，能够吸附更多的沥青和环氧树脂，阻止自由沥青的流动变形。随着水性环氧树脂用量的提高，CAE混凝土η1、E1、η2/ E2也均呈增大的趋势，说明路面的弹性、抵抗流动变形及延迟变形能力均随着水性环氧树脂用量的提高而提高。对于CAE混凝土，综合分析各参数的变化规律可知，水泥和环氧树脂均有利于降低材料的流动变形、延迟变形及温度稳定性能，且水泥较环氧树脂作用更为明显。 表8 不同水泥用量CAE混凝土伯格斯模型参数
表9 不同水性环氧用量CAE混凝土伯格斯模型参数
3 CAE混凝土路用性能 CAE混凝土路用性能结果见表10。研究结果表明：CAE混凝土具有优异的高温性能、低温性能、水稳定性能及与钢板的粘结强度，其 与钢板的粘结强度测试过程中，均进行了钢板的界面处理，CAE混凝土、环氧沥青混凝土、SMA的界面处理方式分别为：CAE混凝土+水性环氧树脂、环氧沥青混凝土+环氧沥青粘结层、SMA+SBS改性沥青粘结层。 表10 CAE混凝土路用性能
4 基于CAE混凝土的钢箱梁桥面组合结构力学分析 本文提出了一种水性环氧树脂粘结层+40mmCAE混凝土+高粘沥青防水粘结应力吸收层+
图4 钢箱梁桥面组合结构铺装方案示意图
研究结果表明：随着CAE混凝土铺装厚度的增加，CAE混凝土横向最大拉应力、最大拉应变，沥青混凝土横向拉应力、最大拉应变，层间最大剪应力和竖向位移均逐渐减小。当CAE混凝土的厚度为 表11 CAE厚度变化对钢箱梁桥面铺装层受力特性的影响
a、厚度变化对横向最大拉应力的影响 b、厚度变化对与钢板顶面层间剪应力的影响 图5 CAE厚度变化对钢箱梁桥面铺装层最大拉应力和层间剪应力的影响
5 结论 （1）CAE混凝土抗剪强度、拉伸强度优于SMA沥青混凝土，静态模量与SMA沥青混凝土接近，动态模量对温度和频率的敏感性均较SMA沥青混凝土小。 （2）CAE混凝土伯格斯模型的各项参数均高于SMA沥青混凝土，表明CAE混凝土具有良好的抵抗荷载变形能力；随着温度升高，其下降幅度低于SMA沥青混凝土，表明CAE混凝土比SMA沥青混凝土具有更好的温度稳定性；水泥和环氧树脂均有利于降低材料的流动变形、延迟变形及提高温度稳定性，且水泥较环氧树脂作用更为明显。 （3）CAE混凝土具有优异的高温性能、低温性能、水稳定性能及与钢板的粘结强度，其 （4）基于CAE混凝土的钢箱梁桥面组合结构力学分析表明：CAE混凝土层、沥青混凝土层的最大拉应力分别为0.375、0.186MPa，铺装层与钢箱梁顶板之间的最大剪应力为0.307MPa，上、下面层材料力学性能及层间的抗剪强度均能满足其结构受力要求。 （5）本文制备出的新型钢箱梁桥面铺装材料，具有优异的力学、使用性能，且其组合铺装结构能够满足钢箱梁桥面铺装层受力要求，可以作为钢箱梁铺装材料使用。
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