本發(fā)明涉及一種建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及鋼箱梁橋面系統(tǒng)鋪裝技術(shù)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大跨徑鋼箱梁橋梁開始大量建設(shè)，鋼橋面鋪裝技術(shù)研究興起，目前常用的大跨徑鋼橋橋面鋪裝材料主要有sma類，澆注式類、環(huán)氧瀝青類和ers類。在使用過程中，普遍認(rèn)為合理和可靠的橋面鋪裝體系應(yīng)具有良好的耐高溫性能、防水性能、抗滑性能、耐疲勞開裂性能及變形協(xié)調(diào)性能。

隨著不同鋪裝材料及體系在實(shí)際使用過程中的表現(xiàn)，環(huán)氧瀝青混合料鋪裝體系相對表現(xiàn)出較好的路用性能，但從世界上應(yīng)用環(huán)氧瀝青混凝土鋼箱梁橋面系統(tǒng)鋪裝使用情況來看，使用效果并不理想，部分橋梁在使用過程中出現(xiàn)縱向開裂、疲勞開裂、鼓包和坑槽等病害。環(huán)氧瀝青混合料鋪裝在使用過程中表現(xiàn)出的一些問題使其推廣受到一定程度的限制。如何發(fā)揮環(huán)氧瀝青混合料的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)其缺點(diǎn)，使其更好的為工程技術(shù)領(lǐng)域服務(wù)是科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供鋼箱梁橋面系統(tǒng)全壽命高溫環(huán)氧瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，克服現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的橋面鋪裝耐高溫性能、防水性能、抗滑性能、耐疲勞開裂性能及變形協(xié)調(diào)性能不佳的問題。

全壽命是指設(shè)計(jì)、施工和營運(yùn)管理整個使用周期的壽命，為了達(dá)到上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一、全壽命高溫環(huán)氧瀝青混合料配方開發(fā)

將環(huán)氧樹脂及高溫固化劑在55～65℃的數(shù)字化烘箱中加熱保溫3～4小時，與預(yù)先加熱的基質(zhì)瀝青混合均勻，然后倒入到185℃～195℃的混合料拌合鍋中與預(yù)熱的集料進(jìn)行拌合，隨后把混合料進(jìn)行養(yǎng)生，再把混合料分別制作試件和在疲勞模具中碾壓，運(yùn)用自研制的“沖擊能”試驗(yàn)、“滲水門檻”試驗(yàn)及車轍試驗(yàn)、marshall試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)確定混合料最佳瀝青用量及級配組成設(shè)計(jì)。

二、混合料原材料及級配組成設(shè)計(jì)

(1)環(huán)氧瀝青膠結(jié)料及高溫環(huán)氧瀝青混合物

表1、環(huán)氧主劑性能技術(shù)指標(biāo)

表2、高溫固化劑性能技術(shù)指標(biāo)

表3、混合環(huán)氧樹脂養(yǎng)生固化后的性能

表4、高溫環(huán)氧瀝青混合物養(yǎng)生固化后的技術(shù)指標(biāo)

(2)集料

集料采用普通玄武巖碎石或輝綠巖碎石，高溫環(huán)氧瀝青混合料用集料質(zhì)量應(yīng)滿足《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南的要求》。

(3)級配組成設(shè)計(jì)

a、首先對各檔集料進(jìn)行篩分

b、對各檔集料質(zhì)量百分比按照“粗集料骨架填充體積法”進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體計(jì)算公式如下：

粗集料、細(xì)集料、礦粉的質(zhì)量百分率、油石比、搗實(shí)狀態(tài)下的粗集料松裝間隙率及混合料設(shè)計(jì)空隙率之間滿足方程：

qc+qf+qp＝100(2-1)

在以上兩式中，qc、qf、qp分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉的質(zhì)量百分比；qa為瀝青用量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；vdrc為干搗實(shí)狀態(tài)下粗集料間隙率；vds為設(shè)計(jì)瀝青混合料空隙率；γs為粗集料毛體積密度；γf和γp分別為細(xì)集料和礦粉的表觀密度；γa為瀝青相對密度；vdrc可以通過試驗(yàn)測得

γc為粗集料表觀密度

三、試件制備

高溫環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)采用marshall試驗(yàn)方法、沖擊能試驗(yàn)方法、滲水門檻試驗(yàn)方法等。具體制作過程如下：

(1)將集料、礦粉、marshall模具及疲勞模具放到180～200℃的數(shù)字化烘箱中保溫4～5小時；

(2)ah-70基質(zhì)瀝青放到160℃的數(shù)字化烘箱中保溫2～3小時，環(huán)氧樹脂及高溫固化劑分別放到55～65℃的烘箱中保溫3～4小時；

(3)將混合料拌合鍋升溫到185℃～195℃，倒入已預(yù)熱的集料和礦粉攪拌3min；

(4)取出環(huán)氧樹脂及高溫固化劑，按照60～70:40～30比例進(jìn)行混合攪拌3～4min成混合環(huán)氧樹脂，倒入已稱量好的ah-70基質(zhì)瀝青中攪拌2min，摻配比例為混合環(huán)氧樹脂：ah-70基質(zhì)瀝青＝40～50:60～50，形成環(huán)氧瀝青膠結(jié)料，然后將環(huán)氧瀝青膠結(jié)料倒入185℃～195℃集料拌合鍋中拌合3～5min，形成高溫拌合環(huán)氧瀝青混合料；

(5)將拌合好的高溫環(huán)氧瀝青混合料放入到160～180℃的數(shù)字化烘箱中養(yǎng)生60～90min，養(yǎng)生時間從放入到數(shù)字化烘箱中開始計(jì)時；

(6)取出養(yǎng)生后的高溫環(huán)氧瀝青混合料分別放入到已預(yù)熱的marshall試模及疲勞模具中，雙面擊實(shí)marshall試模70次，形成marshall試件，運(yùn)用碾壓成型儀對疲勞模具中的環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行碾壓，直至碾壓到設(shè)計(jì)高度位置；

(7)將marshall試件及疲勞模具放入到55～65℃的數(shù)字化烘箱中固化48h；

(8)對固化后的高溫環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行拆模處理，沖擊能試件采用雙面切割鋸切割成250mm、寬30mm、高35mm的長方體試件；

(9)測試養(yǎng)生固化后marshall試件毛體積相對密度、空隙率、marshall穩(wěn)定度、vma、vfa等指標(biāo)，并結(jié)合“沖擊能”、“構(gòu)造深度”、“滲水門檻值”指標(biāo)確定最佳瀝青用量及混合料級配組成；

(10)按照步驟1～7，結(jié)合相關(guān)規(guī)范成型高溫環(huán)氧瀝青混合料車轍試件、小梁彎曲試件、長方體疲勞試件等，然后進(jìn)行高溫環(huán)氧瀝青混合料車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、“滲水門檻”試驗(yàn)、“沖擊能”試驗(yàn)以檢驗(yàn)高溫混合料的路用性能；

對于自研制的“沖擊能試驗(yàn)”和“滲水門檻試驗(yàn)”按照以下步驟進(jìn)行：

a、沖擊能試驗(yàn)

將混合料切割成長250mm、寬30mm、高35mm的長方體試件，將切割好的試件放入到環(huán)境保溫箱中進(jìn)行保溫，根據(jù)需要調(diào)整保溫箱的控制溫度，當(dāng)需進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)時，如圖1所示，拿出試件后立即進(jìn)行加載試驗(yàn)，然后在mts試驗(yàn)機(jī)上以加載速率為100mm/min進(jìn)行加載，如圖2所示，本專利定義圖中陰影部門面積為沖擊能，運(yùn)用qrigin軟件及matlab自編程序計(jì)算出圖中陰影部分面積即為沖擊能的大小。

b、滲水門檻試驗(yàn)

如圖3所示，將密封的量筒及帶開關(guān)閥門的固定支架放到養(yǎng)生固化后的車轍板上，將量筒加滿水，打開開關(guān)閥門，測試量筒內(nèi)水的下降速度與時間的關(guān)系，并匯成如圖4所示的滲水速率與空隙率之間的關(guān)系曲線，通過該曲線運(yùn)用origin軟件進(jìn)行擬合，確定高溫環(huán)氧瀝青混合料滲水門檻值，在進(jìn)行高溫環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計(jì)時，要求混合料的空隙率小于本實(shí)驗(yàn)確定的滲水門檻值，本實(shí)驗(yàn)確定的滲水門檻值空隙率為3.35％。

本發(fā)明的的有益效果是：通過對集料加熱到185℃-200℃的條件下，有效去除石料中的水分，可避免混合料在施工過程中產(chǎn)生“鼓包”的現(xiàn)象。通過marshall試驗(yàn)計(jì)算出環(huán)氧瀝青混合料的空隙率，結(jié)合沖擊能方法、滲水門檻試驗(yàn)方法、車轍試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)，構(gòu)造深度確定高溫環(huán)氧瀝青混合料的膠結(jié)料用量及最佳級配。通過該方法確定出的環(huán)氧瀝青混合料能達(dá)到長效耐久的目的，節(jié)約大量的試驗(yàn)時間和成本，具有全壽命的使用特點(diǎn)?？朔壳碍h(huán)氧瀝青混合料設(shè)計(jì)方法不合理所造成的施工過程中產(chǎn)生的鼓包現(xiàn)象及使用運(yùn)行使用過程中發(fā)生破壞開裂的現(xiàn)象。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中：

圖1是沖擊能試驗(yàn)圖；

圖2是沖擊能計(jì)算圖；

圖3是滲水門檻試驗(yàn)圖；

圖4是滲水門檻計(jì)算圖；

圖5是擬定三種級配配方圖；

圖6是不同應(yīng)變條件下高溫環(huán)氧瀝青混合料-疲勞性能實(shí)驗(yàn)圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此以本發(fā)明的示意性實(shí)施例及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1

1.全壽命高溫環(huán)氧瀝青混合料配方開發(fā)

將環(huán)氧樹脂及高溫固化劑混合成混合環(huán)氧樹脂，按質(zhì)量比是環(huán)氧樹脂：高溫固化劑＝60:40；然后混合環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青按固定比例進(jìn)行混合，按質(zhì)量比是混合環(huán)氧樹脂：基質(zhì)瀝青＝50:50，形成環(huán)氧瀝青膠結(jié)料，與預(yù)先預(yù)熱的集料在185℃的條件下進(jìn)行混合，已達(dá)到去除石料中水分的目的，防止坑槽病害發(fā)生；開展marshall試件的體積參數(shù)測試并結(jié)合本發(fā)明的“沖擊能”試驗(yàn)與“滲水門檻”試驗(yàn)，確定高溫環(huán)氧瀝青混合料中瀝青用量及配合比設(shè)計(jì)，使其具有良好的路用性能和全壽命的使用特點(diǎn)。

2.高溫環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

(1)膠結(jié)料性能

環(huán)氧瀝青膠結(jié)料主要包括雙酚和表氯醇類環(huán)氧樹脂主劑、自研制hmprt固化劑(不含無機(jī)填料、色素及其它有害物質(zhì))及基質(zhì)瀝青組成，主要技術(shù)指標(biāo)如下表5、6、7、8所示。

表5環(huán)氧主劑性能技術(shù)指標(biāo)

表6、高溫固化劑性能技術(shù)指標(biāo)

表7、混合環(huán)氧樹脂養(yǎng)生固化后的性能

表8高溫環(huán)氧瀝青混合物養(yǎng)生固化后的技術(shù)指標(biāo)

(2)集料性能

本案例所用集料為玄武巖石料，但本發(fā)明專利并不僅局限于玄武巖，也適合其它性質(zhì)的集料，本案例選用三檔玄武巖集料，集料主要指標(biāo)如下表9、10所示，礦粉為普通石灰石礦粉。

表9集料主要技術(shù)指標(biāo)

表10各檔集料篩分結(jié)果

(3)配合比配方設(shè)計(jì)

擬定以下三種級配配方，如圖5所示，擬定油石比為6.7％，按照以下步驟ⅰ-ⅷ成型高溫環(huán)氧瀝青混合料試件：

ⅰ將集料、礦粉、marshall模具及疲勞模具放到180～200℃的數(shù)字化烘箱中保溫4～5小時；

ⅱah-70基質(zhì)瀝青放到160℃的數(shù)字化烘箱中保溫2～3小時，環(huán)氧樹脂及高溫固化劑分別放到55～65℃的烘箱中保溫3小時；

ⅲ將混合料拌合鍋升溫到185℃，倒入已預(yù)熱的集料和礦粉攪拌3min；

ⅳ取出環(huán)氧樹脂及高溫固化劑，按照60:40比例進(jìn)行混合攪拌3～4min成混合環(huán)氧樹脂,然后把混合環(huán)氧樹脂養(yǎng)生固化，再倒入已稱量好的ah-70基質(zhì)瀝青中攪拌2min，摻配比例為混合環(huán)氧樹脂：ah-70基質(zhì)瀝青＝50:50，形成環(huán)氧瀝青膠結(jié)料，然后將環(huán)氧瀝青膠結(jié)料倒入185℃集料拌合鍋中拌合3～5min，形成高溫拌合環(huán)氧瀝青混合料；

ⅴ將拌合好的高溫環(huán)氧瀝青混合料放入到160～180℃的數(shù)字化烘箱中養(yǎng)生60～90min，養(yǎng)生時間從放入到數(shù)字化烘箱中開始計(jì)時；

ⅵ取出養(yǎng)生后的高溫環(huán)氧瀝青混合料分別放入到已預(yù)熱的marshall試模及疲勞模具中，雙面擊實(shí)marshall試模70次，形成marshall試件，運(yùn)用碾壓成型儀對疲勞模具中的環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行碾壓，直至碾壓到設(shè)計(jì)高度位置；

ⅶ將marshall試件及疲勞模具放入到55～65℃的數(shù)字化烘箱中固化48h；

ⅷ對固化后的高溫環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行拆模處理，沖擊能試件采用雙面切割鋸切割成250mm、寬30mm、高35mm的長方體試件。

marshall試件體積參數(shù)如下表11所示，測試高溫環(huán)氧瀝青混合料試件的空隙率、穩(wěn)定度、構(gòu)造深度、vma、vfa等體積指標(biāo)。

表11marshall試件體積參數(shù)

為確定最佳油石比，取油石比為6.1％、6.5％、6.9％、7.3％、7.7％和8.1％，測得高溫環(huán)氧瀝青混合料marshall試驗(yàn)結(jié)果如表12所示，采用本發(fā)明專利“沖擊能”和“滲水門檻”試驗(yàn)方法，測試高溫環(huán)氧瀝青混合料的沖擊能及滲水門檻值，結(jié)合表11的試驗(yàn)結(jié)果，確定混合料最佳瀝青用量及油石比。

表12.不同級配配方下混合料沖擊能試驗(yàn)

根據(jù)表12的試驗(yàn)研究成果，確定級配一為本項(xiàng)目所選定的級配。以級配一為設(shè)計(jì)最優(yōu)級配，成型marshall試件，固化后測得不同油石比下高溫環(huán)氧瀝青混合料的體積指標(biāo)參數(shù)如表13所示，進(jìn)行滲水試驗(yàn)，如圖4所示，結(jié)果表明當(dāng)油石比大于6.5％時，高溫環(huán)氧瀝青混合料空隙率小于滲水門檻值3.35％，結(jié)合表12及表13結(jié)果，確定最佳配方為油石比6.9％和級配一。

表13高溫環(huán)氧瀝青混合料marshall試驗(yàn)結(jié)果(固化試件)

3.高溫環(huán)氧瀝青混合料路用性能研究

根據(jù)以上步驟確定的最佳油石比下的環(huán)氧瀝青混合料為研究對象，通過高溫車轍試驗(yàn)、小梁低溫彎曲試驗(yàn)、構(gòu)造深度試驗(yàn)、浸水marshall試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)等驗(yàn)證高溫環(huán)氧瀝青混合料的路用性能。

a、抗壓強(qiáng)度研究

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(jtj052-2000)采用單軸壓縮試驗(yàn)測定環(huán)氧瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度為25℃，加載速率為5mm/min。試件采用ф100×100mm的圓柱體試件，經(jīng)測試測試得高溫環(huán)氧瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度為28mpa，說明該環(huán)氧瀝青混合料具有較好的抗壓能力。

b、低溫抗裂性能研究

采用瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)評價環(huán)氧瀝青混凝土的低溫性能，試驗(yàn)溫度為-15℃，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表14所示，平均極限應(yīng)變?yōu)?.28e-03，表明具有良好的低溫抗裂性能。

表14低溫小梁彎曲試驗(yàn)(-15℃)

c、水穩(wěn)定性能研究

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(jtjf40-2004)中的“瀝青混合料marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)”(t0709-2000)，檢驗(yàn)taf環(huán)氧瀝青混凝土的水穩(wěn)性。比較60℃、48h后的marshall穩(wěn)定度，環(huán)氧瀝青混凝土marshall試件殘留穩(wěn)定度為96％，滿足marshall殘留穩(wěn)定度高于80％的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明taf環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良水穩(wěn)性。

d、環(huán)氧瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

高溫環(huán)氧瀝青混凝土的高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，輪壓0.7mpa，60℃、70℃溫度下試件基本不變形，高溫環(huán)氧瀝青混凝土marshall試件在180℃高溫下養(yǎng)護(hù)4h，并在此溫度檢測marshall穩(wěn)定度，marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果為約23.0kn，表明采用本配方高溫環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)良的耐超高溫性能。

表4.7taf環(huán)氧瀝青混凝土車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

e、疲勞性能研究

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(jtj052-2000),采用cooper試驗(yàn)機(jī)通過不同應(yīng)變水平下(500με，700με,800με,900με)環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)研究如圖6所示，表明環(huán)氧瀝青混合料在700με時具有無限使用壽命，不會發(fā)生疲勞破壞。

根據(jù)以上結(jié)果分析可看出，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的高溫環(huán)氧瀝青混合料具有良好的路用性能，延長道路使用壽命年限，節(jié)約維修成本，具有較大的推廣價值。

以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式以及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。