程利双
哈尔滨市政府投资工程项目服务中心, 黑龙江省哈尔滨市,150000
摘 要:通过室内加速加载试验研究水泥混凝土桥面薄层环氧抗滑铺装材料的使用性能。 设计的加速加载试验可模拟反复行车荷载对薄层环氧抗滑铺装材料产生的表面磨耗、集料松散脱落以及由于层间黏结不足而导致的层间脱 离。 重点模拟了在常温和高温下, 轮胎在正常行驶、加速行驶和刹车减速行驶时对环氧抗滑铺装材料使用性能的影响。试验结果表明环氧抗滑铺装材料具有优异的抗磨耗与松散掉粒性能以及层间黏结性能, 可用于水泥混凝土桥面铺装。
关键词:环氧抗滑铺装层;加速加载试验;性能评价桥梁工程是道路交通的咽喉要道, 在保障交通通畅中起着至关重要的作用。然而, 近年来桥面铺装层的早期损坏和经常性修复工作严重影响了其所在路网的通行能力。桥面铺装材料在保护桥面板免 受外界环境直接侵蚀的同时还提供抗滑 、平坦 、舒适的行车条件。目前常用的铺装材料有水泥混凝土、沥青混凝土和环氧沥青等材料。其中, 水泥混凝土铺装层虽强度高, 但容易开裂, 且发展迅速。此外铺装层与混凝土梁表面黏结较弱, 易出现脱皮、剥落等现象。沥青混凝土铺装层虽应用较多, 但其早期破坏严重, 容易出现车辙 、拥包 、坑槽和沥青面层剥落。与水泥混凝土和沥青混凝土相比, 环氧沥青铺装层厚度相对较小, 对减轻桥梁自重具有一定的优势, 但其性能受施工因素影响较大。
水泥混凝土桥面预防性养护是延长桥面使用寿命, 降低桥面使用费用行之有效的方法。在水泥混凝土桥面进行罩面处理可有效地保护桥面, 同时恢复桥面的抗滑能力。然而, 混凝土桥面修复均不同程度地受到桥面标高及自重等限制。因此, 采用薄层或超薄层罩面技术是解决上述问题的首选方法。
本文主要研究由环氧树脂和单一粒径耐磨集料组合而成的薄层抗滑铺装材料在水泥混凝土桥面上的使用性能。该环氧抗滑铺装层的厚度仅为 5 ～ 10 mm 。由于环氧树脂与水泥混凝土黏结性好, 可对桥面起到很好的保护作用 ;同时由于采用单一粒径耐磨集料, 铺装层表面粗糙, 可起到很好的抗滑作用。薄层环氧铺装材料自身特点决定了其潜在的破坏模式可以是 :(1)层间黏结不足而导致的层间脱皮 ;
(2)由于表面粗糙, 在交通荷载作用下表面集料松散脱落, 丧失抗滑能力。针对上述问题, 本文通过室内加速加载试验, 研究轮胎正常行驶 、加速行驶和刹车减速时对环氧抗滑铺装材料使用性能的影响, 以检验其是否可用于水泥混凝土桥面铺装。
1 原材料与试件成型
本试验所用黏结剂为道虹牌 DH -IV 环氧胶黏剂, 由武汉兴正源路桥复合材料有限公司生产, 是一种无溶剂 、100 %固含、低模量双组分复合材料黏结剂 。所用抗磨集料为单粒径(2.36 ～ 4.75 mm)玄武岩细集料。
试验试件尺寸为长 300 mm ×宽 300 mm ×厚50 mm , 以40 mm 厚水泥混凝土为底层, 在其表面加铺上一层总厚度约为 10 mm 环氧抗滑面层材料。环氧抗滑面层材料分两层铺筑:第一层环氧胶黏剂的用量为 1.0 L/ m2 , 玄武岩细集料用量为 5.4 kg/ m2 ;第二层环氧胶黏剂的用量为 2.0 L/ m2 , 玄武岩细集料用量为 7.6 kg/ m2 。其主要步骤包括 :(1)成型 40 mm 厚水泥混凝土底层;
(2)对水泥混凝土板表面浮浆进行打磨处理;(3)涂抹第一层环氧, 用量为 1.0 L/ m2 ;(4)铺撒玄武岩细集料, 用量为 5.4 kg/m2 ;(5)清理多余集料, 形成第一层抗滑面层 ;(6)涂抹第二层环氧, 用量为 2.0 L/ m2 ;
(7)铺撒玄武岩细集料, 用量为 7.6 kg/ m 2 ;(8)清理多余集料, 形成第二层抗滑面层。
2 加速加载试验设计
本其主要包括用于安放试件的可移动的试验平台 、置于试件上的轮胎 、轮压加载机构、摩擦力加载机构以及驱动机构[ 2] 。轮压加载机构与轮胎的转轴连接, 通过杆杠和配重共同向轮胎施加垂直作用力;摩擦力加载机构中部设有摩擦片与轮胎的胎面配合, 通过杆杠和配重向轮胎施加摩擦阻力。所施加的垂直作用力和摩擦阻力的大小均可通过配重重量加以 调节。
所采用的加速加载试验方法为 :将环氧抗滑面层材料加铺于水泥混凝土上制成试件, 置于轮胎下方及其行走轨道上, 通过双杆杠式轮压加载装置施加可调式压力和摩擦阻力, 模拟环氧抗滑面层材料因受到轮压与摩擦力的共同作用下而产生 磨耗 、集料松散脱落以及层间脱皮 。为了能更好地表征环氧抗滑面层材料抗磨耗 、松散和集料脱落性能, 在本次试验中仔细收集不同时间段下从试件表面脱落下来的集料, 并结合所铺洒集料量, 换算成集料质量脱落率。同时对试件表面不同时段下的磨损情况进行拍照记录, 以高清晰图片来分析抗滑面层材料磨损规律[ 2] 。在加速加载试验完成后, 选取已磨损部位按相关路面规范要求进行构造深度检测, 建立抗滑性能衰减规律。
本加速加载试验中对试验表面所施加的轮压和摩擦阻力可在试验前进行标定。轮胎与试件表面的平均接触压力按总轴重除以轮胎接触面积计算, 其中总轴重通过体重秤进行测量, 轮胎接触面积按轮胎在复写纸上留下的印痕计算。对轮胎施加的摩擦阻力可通过扭力扳手进行测量[ 3 -4] 。
2个温度:常温 25 ℃和高温 70 ℃。所设计的试验条件可模拟以下行车状况[ 5] :
(1)从动轮正常行驶 , 即轮压为 0.70 M Pa , 摩擦阻力为 0 M Pa ;
(2)驱动轮加速行驶 , 即轮压为 0.70 M Pa , 摩擦阻力为 0.25 M Pa ;
(3)重载车刹车减速行驶, 即轮压为 0.90 MPa ,摩擦阻力为 0.45 MPa 。
3试验结果与分析
在加速加载试验初始阶段, 表面多余的集料开始脱落, 初始质量脱落率较大, 其主要由表面黏结不牢的集料组成。在实际实体工程中, 这些初始脱落的集料经清扫后可回收利用, 不会对路面性能造成影响。随着加载次数的增加, 集料松散脱落达到稳定发展阶段, 并最终趋向饱和。当达到 6 万次后, 表面集料掉粒已不明显。在所有试验中, 没有发现环氧抗滑铺装层与水泥混凝土底基发生脱离现象, 表明环氧抗滑铺装材料在常温和高温条件下均具有优异的层间黏结性能, 能经受住反复行车载荷的作用。
在同一温度下, 增加摩擦阻力显著提高了表面集料的初始脱落率和稳定阶段的脱落速率。同样的, 在同一加载条件下, 当温度从 25 ℃增加到 70 ℃时, 初始脱落率和稳定阶段的脱落速率也明显增加, 表明了环氧抗滑铺装材料的性能呈温度依赖性。温度对表面集料脱落的影响远大于轮压与摩擦阻力共同作用的影响。因此, 环氧抗滑铺装材料的高温性能应作为重要的性能指标。所加载的试验条件为轮压0.90 MPa ,摩擦阻力0.45 MPa , 温度 25℃。其他试验条件图片详见文献[ 4] 。经对比分析可看出试件表面多余集料在试验初始阶段很快脱落, 随后达到稳定阶段。在稳定阶段集料的脱落量极小, 其主要的磨损表现为集料的表面磨光, 如加载作用次数 N =120 960 次和 N = 151 200次的图片所示。图片分析所得的集料脱落发展趋势与图3 中所给曲线趋势相吻合。
当摩擦阻力为0 M Pa 时, 试件表面集料脱落极不明显, 表明了在实际使用过程中, 货车从动轮对环氧防滑材料影响不大。当摩擦阻力增加到 0.25 M Pa 时, 试件表面被磨平。继续增加摩擦阻力, 集料脱落加剧, 表面粗糙度变大。当温度从 25 ℃增加到 70 ℃时 , 磨损的橡胶粉易黏在试件表面, 可能在一定程度上影响了试验结果。
5结论
(1)加速加载试验结果表明环氧抗滑铺装材料具有优异的层间黏结能力, 可经受住行车荷载的反复作用而不出现层间脱皮现象。
(2)环氧抗滑铺装材料主要破坏模式是表面集
料松散脱落。集料脱落过程可由初始脱落率和稳定阶段的脱落速率来加以表征。
(3)环氧抗滑铺装材料表面集料松散脱落呈温度依赖性, 温度增高时, 集料脱落明显加剧。
(4)由收集到的脱落集料表征的集料脱落趋势与图片磨耗分析结果相一致, 综合上述 2 种方法可更好地表征集料脱落。
(5)由表面集料初始脱落率和稳定阶段的脱落速率可建立环氧抗滑铺装材料的服役寿命预估 模型, 模型的预估结果表明环氧抗滑铺装材料具有很长的使用寿命。
参考文献:
[ 1] 武汉兴正源路桥复合材料有限公司.道虹牌(D H-IV)环氧胶黏剂产品说明[ R] .2010.
[ 2] 磨炼同, 方星, 吴少鹏, 束冬林.路面表面防滑加铺材料松散掉 粒 模拟 测 试方 法 及其 测 试设 备:中国, 21010232274.5[ P] .2010.
[ 3] 磨炼同, 方星.路面表面防滑材料性能评价与寿命预估研究报告[ R] .武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室, 编号 G SY-M O-2010 -06 -01 , 2010.
[ 4] 磨炼同, 方星.薄层环氧抗滑铺装材料加速加载试验研究报告[ R] .武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室, 编号 G SY -M O -2010 -08 -01 , 2010.