高性能冷拌環(huán)氧瀝青鋪裝材料的設計與性能評價

徐 偉，謝偉偉，趙騰飛，葉永前

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640； 2.廣州正邦化工有限公司，廣東 廣州 510730)

0 引 言

環(huán)氧樹脂類鋼橋面鋪裝在高溫、重載條件下表現較好，其中以熱拌型和溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝應用較多[1-6]。熱拌型和溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝施工均需要大型拌合站，部分橋梁工程位置不適宜建拌合站或運距過大，滿足不了熱拌或溫拌環(huán)氧瀝青鋪裝施工要求；而且對于規(guī)模較小的鋪裝維修工程，應用大型拌合站生產環(huán)氧瀝青成本過高[7-10]。

目前，國內外對于鋼橋面鋪裝冷拌環(huán)氧瀝青的應用研究相對較少[14-15]，為方便施工、節(jié)能環(huán)保和降低工程造價，有必要研究開發(fā)和評價冷拌型環(huán)氧瀝青鋪裝材料。本文設計一種高強度、高韌性的冷拌環(huán)氧瀝青，測試分析其微觀特征和黏彈特性，評價環(huán)氧瀝青混合料綜合性能，并與應用較多的典型環(huán)氧瀝青材料ChemCo溫拌環(huán)氧瀝青和KD熱拌環(huán)氧瀝青進行對比分析。

1 試驗材料

為提高養(yǎng)生速度和保證施工作業(yè)允許時間，研究的冷拌環(huán)氧瀝青具有2～3 h施工時間，25 ℃養(yǎng)護周期約為3～5 d，夏季路面溫度達40 ℃～60 ℃，養(yǎng)護16 h可開放交通，小型拌合及攤鋪碾壓設備可滿足施工需要，尤其便于維修工程施工。

研究的冷拌環(huán)氧瀝青A組分是由柔性環(huán)氧樹脂與石油瀝青經過反應改性形成的環(huán)氧瀝青樹脂，具有柔性分子鏈段和多支鏈網狀分子結構；B組分為常溫固化脂肪胺固化劑。當環(huán)氧基團與固化劑反應固化后，形成石油瀝青微珠均勻分散于樹脂網狀結構中的柔韌性高聚物，兼具有環(huán)氧樹脂的韌性和瀝青的防水防腐特性。

1.1 環(huán)氧樹脂和固化劑

冷拌環(huán)氧瀝青的A組分環(huán)氧樹脂、B組分固化劑性能見表1。

表1 冷拌環(huán)氧瀝青技術指標

1.2 A、B組分比例確定

依據相關試驗規(guī)程進行23 ℃拉伸試驗，冷拌環(huán)氧瀝青25 ℃養(yǎng)護5 d，試驗結果見表2。綜合考慮拉伸強度和斷裂延伸率指標，要求材料在具有較高的強度同時具有良好的變形性能，該冷拌環(huán)氧瀝青組分A、B最佳比例選取2.5∶1，達到較優(yōu)良強度和韌性狀態(tài)，滿足鋼橋面鋪裝對材料的技術要求。

表2 冷拌環(huán)氧瀝青不同比例拉伸試驗結果

1.3 A、B組分拌合時間及微觀組成分析

環(huán)氧瀝青設計存在一個難點，即環(huán)氧樹脂與瀝青的相容性及混合均勻性，環(huán)氧瀝青混合均勻性會顯著影響其性能，而添加柔順劑、活性劑等成分，可以改善環(huán)氧樹脂與瀝青的相容性，達到環(huán)氧樹脂與瀝青均勻分散的混合效果。選取A、B組分比例為2.5∶1以評價拌合時間的影響，采用電動攪拌器常溫拌合，攪拌轉速為350 r·min-1，分別拌合5、10、20、30 min，試樣在25 ℃條件下養(yǎng)護5 d。拉伸試驗測試結果見圖1。由圖1可知：攪拌時間和拌合均勻性對冷拌環(huán)氧瀝青材料力學性能影響顯著，攪拌10 min可混合均勻，生產中需要嚴格控制施工工藝，保證環(huán)氧瀝青A、B組分的混合均勻性。

圖1 拌和時間對冷拌環(huán)氧瀝青力學性能的影響

環(huán)氧樹脂在488 nm藍色激光照射下發(fā)出熒光，而瀝青在激光照射下不發(fā)光，呈黑色，利用激光掃描共聚焦顯微鏡(LSCM)可觀察到環(huán)氧瀝青的微觀狀態(tài)[16-17]。圖2(a)為A組分的微觀組成，其中黑色圓狀體為瀝青，呈20 μm粒徑顆粒分布；圖2(b)為B組分微觀組成，在LSCM下發(fā)出綠色熒光。圖2(c)～(f)分別為拌合5、10、20、30 mim環(huán)氧瀝青微觀形態(tài)熒光照片?？梢钥闯觯韬? min后開始形成5～10 μm粒徑瀝青顆粒，拌合10 min后瀝青以2～3 μm顆粒均勻分布在環(huán)氧樹脂中，拌合20～30 min后，瀝青顆粒的粒徑略減小。LSCM測試結果顯示，瀝青分散在環(huán)氧樹脂網絡結構中，起到填充和防腐作用，環(huán)氧樹脂形成空間網絡結構骨架，是環(huán)氧瀝青材料強度主體結構。結合微觀形態(tài)分析與不同拌合時間拉伸試驗結果可知，該冷拌環(huán)氧瀝青拌合10 min可達到均勻。

圖2 冷拌環(huán)氧瀝青LSCM照片

1.4 確定養(yǎng)生時間

圖3 養(yǎng)護時間對冷拌環(huán)氧瀝青力學性能的影響

鋼橋面鋪裝施工周期和養(yǎng)生時間顯著影響到鋼橋的交通通行服務質量和能力，為評價冷拌環(huán)氧瀝青養(yǎng)生時間，環(huán)氧瀝青25 ℃養(yǎng)生時間分別為1、2、3、5、10 d，試驗數據見圖3?？梢钥闯?，環(huán)氧瀝青養(yǎng)生1 d拉伸強度達到2.65 MPa，顯示早期強度較高；養(yǎng)生3 d拉伸強度可達75%，達到開放交通水平；養(yǎng)生5 d可達100%強度。隨著溫度升高，冷拌環(huán)氧瀝青養(yǎng)生速度顯著提高，在40 ℃養(yǎng)生條件下，16 h即可開放交通。25 ℃條件下，溫拌環(huán)氧瀝青養(yǎng)生期約為45 d，熱拌環(huán)氧瀝青養(yǎng)生期約為14 d，冷拌環(huán)氧瀝青養(yǎng)生期顯著縮短，有利于環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝快速開放交通。

2 環(huán)氧瀝青性能

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試冷拌環(huán)氧瀝青黏彈性，通過檢測復數剪切模量(G*)和相位角(δ)表征黏彈性[18]。DSR溫度掃描試驗控制應變?yōu)?.01%，分別在52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃進行同一頻率下(10 rad·s-1)的復數剪切模量和相位角測試，對比冷拌環(huán)氧瀝青與SBS改性瀝青性能差異。

溫度掃描結果見圖4、5。由圖4可知，相位角隨著溫度升高而增大，且隨著環(huán)氧瀝青A組分摻量的增加而增大，顯示材料黏性增加。冷拌環(huán)氧瀝青的相位角顯著高于SBS改性瀝青，表明其黏彈性與SBS改性瀝青顯著不同，SBS改性瀝青黏性較顯著，而冷拌環(huán)氧瀝青則具有較好的彈性變形能力。由圖5可知，冷拌環(huán)氧瀝青復數剪切模量顯著高于SBS改性瀝青，說明冷拌環(huán)氧瀝青具有比SBS改性瀝青更高的抗車轍性能。溫度升高24 ℃，冷拌環(huán)氧瀝青復數剪切模量降低10～15 kPa，降低幅度約為35%，遠低于SBS改性瀝青95%的降幅，表明冷拌環(huán)氧瀝青對溫度的敏感性相比改性瀝青顯著降低。

圖4 相位角與溫度的關系

圖5 剪切模量與溫度的關系

3 冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能

為了評價冷拌環(huán)氧瀝青混合料的性能，對冷拌環(huán)氧瀝青與典型的ChemCo溫拌環(huán)氧瀝青和KD熱拌環(huán)氧瀝青混合料進行綜合試驗性能比較。相同級配、油石比條件下，測試環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾性能、水穩(wěn)定性、抗車轍性能、彎曲性能等技術指標，分析冷拌環(huán)氧瀝青混合料的性能特點。

3.1 馬歇爾試驗

依據相關試驗規(guī)程進行冷拌環(huán)氧改性瀝青混合料馬歇爾試驗，結果見表3。從表3可以看出，冷拌環(huán)氧瀝青馬歇爾穩(wěn)定度高于ChemCo溫拌環(huán)氧瀝青，與KD熱拌環(huán)氧瀝青接近，冷拌環(huán)氧瀝青流值變形性能與溫拌、熱拌環(huán)氧瀝青相當，顯示出冷拌環(huán)氧瀝青混合料具有較好的強度和韌性。

表3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果

3.2 水穩(wěn)定性及耐油污穩(wěn)定性

鋼橋面鋪裝中的水或油污會引起坑槽病害，影響交通安全并腐蝕鋼橋面板，為此對冷拌環(huán)氧瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗和浸泡柴油24 h后的殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗，結果見表4。結果表明，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗油污侵蝕性優(yōu)良，與ChemCo溫拌、KD熱拌環(huán)氧瀝青混合料相當。

表4 環(huán)氧瀝青馬歇爾浸水、泡柴油試驗結果

3.3 抗高溫車轍性能

鋼橋面鋪裝溫度要比一般路面溫度高15 ℃～30 ℃，因此對鋪裝材料高溫性能要求較高。按照相關試驗規(guī)程進行車轍試驗，試驗溫度為60 ℃，試驗結果見表5。表5數據顯示，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度較高，表現出熱固性特點，可滿足鋼橋面鋪裝工程對高溫穩(wěn)定性的要求。

表5 混合料車轍試驗結果

3.4 彎曲性能試驗

彎曲性能試驗與材料疲勞性能試驗具有較好的相關性，依據相關試驗規(guī)程進行冷拌環(huán)氧瀝青混合料的小梁彎曲試驗，試驗溫度分別為15 ℃、-10 ℃，加載速度為50 mm·min-1，結果見圖6、7和表6。由表6中15 ℃試驗結果可知，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的變形性能與KD熱拌環(huán)氧瀝青接近，彎曲勁度模量高于ChemCo溫拌和KD熱拌環(huán)氧瀝青混合料；由表6中-10 ℃試驗結果可知，冷拌環(huán)氧瀝青混合料具有較好的低溫變形性能，可適應鋼橋面鋪裝層的變形特點要求。

圖6 15 ℃荷載-跨中撓度曲線

圖7 -10 ℃荷載-跨中撓度曲線

4 結 語

(1)根據變形性能和強度均衡的原則，研究設計的冷拌環(huán)氧瀝青A、B組分比例為2.5∶1時性能最佳，可到達鋼橋面鋪裝材料技術要求。

(2)LSCM測試結果表明，冷拌環(huán)氧瀝青中，瀝青以分散相形式分布在交聯環(huán)氧樹脂連續(xù)相體系中，形成了交聯網狀結構；A、B組分混合攪拌均勻所需時間約為10 min，25 ℃養(yǎng)生時間為3～5 d。

(3)冷拌環(huán)氧瀝青混合料15 ℃抗彎拉強度達25.3 MPa，彎曲勁度模量達7 691 MPa，與溫拌ChemCo環(huán)氧瀝青和KD熱拌環(huán)氧瀝青相比，具有相當的強度、變形性能、高低溫穩(wěn)定性等綜合性能，體現出高強度、高韌性特點。冷拌環(huán)氧瀝青混合料施工工藝和設備簡便，養(yǎng)生期短，利于快速開放交通。

[1] XUE Y C,QIAN Z D.Development and Performance Evaluation of Epoxy Asphalt Concrete Modified with Mineral Fiber[J].Construction and Building Materials,2016(102):378-383.

[2] 劉曉文,張肖寧.日本TAF環(huán)氧瀝青混凝土在橋面鋪裝中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2010，27(1)：69-71.

[3] BOCCI E,GRAZIANI A,CANESTRARI F.Mechanical 3D Characterization of Epoxy Asphalt Concrete for Pavement Layers of Orthotropic Steel Decks[J].Construction and Building Materials,2015(79):145-152.

[4] LU Q,BORS J.Alternate Uses of Epoxy Asphalt on Bridge Decks and Roadways [J].Construction and Building Materials,2015(78):18-25.

[5] 張增平，班孝義，魏 龍，等.環(huán)氧瀝青及其混合料性能研究[J].筑路機械與施工機械化，2015，32(12)：80-83.

[6] 章守貴.環(huán)氧瀝青橋面鋪裝路用性能及施工控制[J].筑路機械與施工機械化，2011，28(9)：70-72.

[7] 薛永超,錢振東.施工關鍵因素對環(huán)氧瀝青混凝土路用性能的影響[J].交通運輸工程學報,2016，16(3)：17-25.

[8] 李亞東.鋼混結合梁橋面環(huán)氧瀝青混凝土施工技術[J].筑路機械與施工機械化，2015，32(1)：87-90.

[9] 盧 亮,張旱英，李春生，等.冷拌樹脂瀝青混凝土拌和機的研制與應用[J].筑路機械與施工機械化，2016，33(1)：94-97.

[10] 唐錢龍.環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝的發(fā)展現狀[J].筑路機械與施工機械化，2012，29(10)：24-28.

[11] 呂偉民，郭忠印，黃彭王，等.冷拌環(huán)氧瀝青混凝土的特性及其應用[J].華東公路,1996(2)，66-68.

[12] 鄧金飛，朱本瑋.冷拌環(huán)氧瀝青的制備及性能研究[J].粘接，2015(9)：66-68.

[13] 李林波，徐建暉，代劍鋒，等.冷拌環(huán)氧瀝青混合料配合比設計及路用性能研究[J].公路交通技術，2016，32(5)： 13-16.

[14] 喻 波，高 博，張 華，等.一種新型環(huán)氧樹脂瀝青混合料性能研究[J].公路與汽運.2011(2)：85-88.

[15] 張順先，張肖寧，徐 偉，等.基于沖擊韌性的鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青混凝土疲勞性能設計研究[J].振動與沖擊，2013，32(23):1-5.

[16] 潘 磊.高性能環(huán)氧瀝青的制備與性能表征[D].南京:南京大學,2011.

[17] MASSON J F,POLOMARK G M.Bitumen Microstructure By Modulated Differential Scanning Calorimetry [J].Thermochimica Acta,2001(2):105-114.

[18] 叢培良,劉建飛，趙志強，等.混凝土橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青的制備與性能研究[J].鄭州大學學報,2014,35(6):78-81.