后摻法環(huán)氧阻燃瀝青混合料路用性能及工程應(yīng)用

張林艷，柏 耘，孫武云，周 宇，封基良

(1.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，昆明 650000；2.昭通市交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，云南 昭通 657000；3.云南武倘尋高速公路建設(shè)指揮部，昆明 650100；4.云南省交通運(yùn)輸廳綜合建設(shè)處，昆明 650000；5.云南暢坦科技有限公司，昆明 650012)

隨著高速公路建設(shè)向深山峽谷及地質(zhì)條件更加艱險(xiǎn)的區(qū)域延伸，公路橋隧比大幅升高，且以隧道占比增幅尤為突出。截止2019年底，全國公路隧道19 067處、18 966.6 km，僅2019年新增1 329處、1 730.5 km，其中特長隧道1 175處、5 217.5 km，長隧道4 784處、8 263.1 km。我國已成功修建了世界級的超特長山嶺隧道和水下隧道，如單洞長18.02 km的秦嶺終南山隧道及6.21 km的港珠澳大橋沉管隧道。這些世紀(jì)工程的建成，極大地提升了我國公路隧道建造技術(shù)。但同時(shí)，超長隧道工程存在空間相對狹小、內(nèi)部光線差、環(huán)境相對封閉、行車單調(diào)、易引發(fā)行車疲勞及行車安全的隱患問題，是運(yùn)營期極其重要的問題[1-2]。隧道運(yùn)營過程中，世界上許多國家都發(fā)生過不同程度的火災(zāi)事故，隧道火災(zāi)已成為一個(gè)國際性難題[3-4]。為此，許多學(xué)者從隧道路面安全性能調(diào)查與分析[5-6]、燃燒機(jī)理、阻燃方面開展了大量研究[7-12]。目前，隧道路面主要有水泥混凝土路面及復(fù)合式瀝青混凝土路面2種類型，隧道行車環(huán)境的特殊性、路面抗滑性能和耐久性是影響高速公路隧道交通安全的重要因素[7,13-17]。瀝青路面鋪筑施工時(shí)煙塵大、能耗高，運(yùn)營期間的水損害、使用耐久性、防火災(zāi)以及行車安全性問題等都無疑限制了普通熱拌瀝青混合料在公路隧道路面鋪裝中的應(yīng)用[18-19]。

環(huán)氧瀝青是一種高性能化學(xué)改性材料，具有強(qiáng)度高、剛度大、疲勞壽命長、抗化學(xué)腐蝕、耐高溫、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[20-22]，尤其是在400 ℃不發(fā)生形變，擁有高熔化點(diǎn)的特性，使得環(huán)氧瀝青在隧道特別是特長隧道應(yīng)用時(shí)，可有效避免火災(zāi)引發(fā)隧道路面燃燒、軟化等次生災(zāi)害。施工時(shí)輔以摻加阻燃材料及煙霧劑后可形成阻燃型環(huán)氧瀝青隧道路面，環(huán)氧瀝青將擁有阻燃、防滑、耐腐蝕、耐久等普通瀝青無可比擬的優(yōu)越性，使之成為目前特長隧道路面鋪筑材料的最佳選擇。

盡管環(huán)氧瀝青優(yōu)點(diǎn)非常突出，但其成本高，加上施工要求苛刻，實(shí)際工程應(yīng)用范圍受限[20,23]，目前主要用于大跨徑鋼橋面鋪裝。為此，本文針對環(huán)氧瀝青施工要求苛刻、施工難度大、造價(jià)高的問題，研發(fā)了樹脂比例僅為6%～11%的低樹脂摻量環(huán)氧瀝青，通過系統(tǒng)路用性能試驗(yàn)及耐久性評價(jià)，證實(shí)了自主研發(fā)的后摻法環(huán)氧瀝青混合料是一種可推廣用于工程實(shí)際的卓越路用材料。

1 環(huán)氧瀝青后摻法工藝

環(huán)氧瀝青混合料常規(guī)施工方法為：先將環(huán)氧瀝青A、B組分按一定比例均勻混合，并與加熱除塵后的集料拌和，拌和完成后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場攤鋪、碾壓，工藝流程如圖1(a)所示。這一方法最大的缺陷在于A、B組分一接觸，固化反應(yīng)隨即開始，要求拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓整個(gè)工藝環(huán)節(jié)必須在特定的要求下完成，容許施工時(shí)間一般少于1 h，且受溫度影響很大，施工要求苛刻、質(zhì)量隱患大。由于容許施工時(shí)間短，因此，要求拌和設(shè)備必須就近設(shè)置在工程附近，致使該法施工單價(jià)高昂，限制了推廣應(yīng)用。

后摻法工藝是針對現(xiàn)有施工工藝方法缺陷及低樹脂摻量環(huán)氧瀝青研發(fā)基礎(chǔ)上提出的一種革新施工方法，工藝流程如圖1(b)所示?；驹硎菍h(huán)氧瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的組分分2步添加：1)摻量大的環(huán)氧瀝青B組分在拌和場地與集料廠拌，嚴(yán)格控制級配、B組分的用量及拌和均勻性；2)將含B組分拌和好的混合料運(yùn)至現(xiàn)場，然后通過專用攤鋪設(shè)備準(zhǔn)確、智能霧狀添加環(huán)氧瀝青A組分，并攪拌均勻后攤鋪碾壓。這一工藝減少了拌和過程等料、運(yùn)輸、現(xiàn)場待料等環(huán)節(jié)的影響，現(xiàn)場施工所需時(shí)間不到10 min，極大縮短了施工周期，克服了施工要求苛刻、應(yīng)用范圍受限的問題，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)顯著降低，進(jìn)而單價(jià)大幅降低。采用后摻法工藝施工環(huán)氧瀝青混合料的前提條件是最佳油石比扣除A組分樹脂后，拌和場地廠拌的環(huán)氧瀝青B組分能與集料拌和均勻無花白料，因此要求A組分的摻量比較低，A組分與B組分的比例宜不高于100∶700。

(a)常規(guī)工藝 (b)后摻法工藝

2 室內(nèi)后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料

2.1 材料及級配

2.1.1 原材料

環(huán)氧瀝青由云南某公司提供，其中A組分環(huán)氧樹脂為雙酚A型E-51，B組分為基質(zhì)瀝青、增溶劑、固化劑及相關(guān)助劑組成的均質(zhì)混合物，A組分與B組分質(zhì)量比為100∶903，材料拉伸強(qiáng)度為3.6 MPa，23 ℃斷裂延伸率為246%，滿足規(guī)范要求。

集料由云南某項(xiàng)目施工單位采備，粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r加工而成。各種集料性能指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計(jì)文件要求。

2.1.2 配合比

環(huán)氧瀝青固化反應(yīng)后為熱固性材料，不會隨使用溫度的升高析出輕油組分，空隙率可小于3%甚至更低，且環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度形成主要依賴環(huán)氧瀝青的固化，對集料間的內(nèi)摩擦力依賴較小，故在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保障構(gòu)造深度的前提下，選擇空隙率低的偏細(xì)級配。最終確定的礦料配合比為1#∶2#∶3#∶4#∶礦粉=35∶32∶7∶22.5∶3.5，確定最佳油石比為5.3%，合成級配通過率如表1所示。

表1 EAC-13C礦料合成級配

2.2 路用性能試驗(yàn)

為評價(jià)后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料性能，采用后摻工藝按上述級配及最佳油石比分2次室內(nèi)拌和制得環(huán)氧瀝青混合料，再按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中試驗(yàn)方法開展路用性能指標(biāo)測試。指標(biāo)包括空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。為全面了解環(huán)氧瀝青相應(yīng)路用性能指標(biāo)的水平及效果，將環(huán)氧瀝青的試驗(yàn)結(jié)果與使用最廣的SBS改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

從表2可見，環(huán)氧瀝青混合料的性能較目前常用的SBS改性瀝青混合料在高溫、低溫、水穩(wěn)定性及柔性均有顯著提高，是一種高性能路面新材料。

表2 后摻法制備環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果對比

2.3 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量是力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法瀝青路面設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本文采用動(dòng)態(tài)伺服液壓瀝青混合料試驗(yàn)系統(tǒng)(UTM)對后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行測定和對比。試驗(yàn)溫度選定-10 ℃、5 ℃、20 ℃、50 ℃；加載頻率選定0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。不同溫度條件、不同加載頻率下，環(huán)氧瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量對比結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)氧瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的對比

從表3可見，環(huán)氧瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料相似，動(dòng)態(tài)模量隨溫度升高、加載頻率的減小而減小，具有典型的粘彈性特征。但在高溫、低頻條件下，環(huán)氧瀝青混合料模量遠(yuǎn)高于SBS改性瀝青混合料，進(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)氧瀝青混合料優(yōu)越的高溫性能；而在低溫及高頻條件下，環(huán)氧瀝青混合料的模量與SBS改性瀝青混合料模量差值及比例的變小，進(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)氧瀝青混合料良好的低溫性能及較小的溫度敏感性。

2.4 長期性能模擬測試

為研究隧道路面環(huán)氧瀝青鋪裝層的耐久性，本文采用南非研發(fā)的MMLS3加速加載設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。輪胎加載壓力為0.7 MPa，加載頻率為26.67 Hz。室內(nèi)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備先制備成型直徑150 mm、高度100 mm的圓柱體試件，再對稱切割兩圓弧制成寬105 mm的試件并固定。試驗(yàn)采集中部斷面，測點(diǎn)數(shù)200個(gè)，加載至5 000次時(shí)測量試件斷面數(shù)據(jù)作為初始讀數(shù)，后續(xù)采集3.75萬次、10萬次、30萬次，加速加載測得數(shù)據(jù)的典型曲線如圖2所示。

圖2 環(huán)氧瀝青混合料捕裝層60 ℃浸水條件下加速加載試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看出，環(huán)氧瀝青混合料鋪裝層在60 ℃浸水試驗(yàn)條件下，除兩端與中間試件不平，局部下凹外，加速加載作用3.75萬次、10萬次、30萬次的變形基本重合，最大車轍深度僅為1.5 mm，未出現(xiàn)掉渣及脫?，F(xiàn)象，表明環(huán)氧瀝青混合料即使在浸水條件下，仍具有良好的抗車轍能力及抗水損壞能力。

2.5 熱固性及耐腐蝕性

環(huán)氧瀝青混合料制成的小梁試件，在60 ℃煤油浸泡7 d后依舊完整、未見掉渣及脫?，F(xiàn)象；在240 ℃條件烘箱放置4 h后外觀完整，用紙巾探試表面未變黑，瀝青未析出。放置于燃燒爐進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，溫度達(dá)430 ℃，取出仍未出現(xiàn)坍塌及形變。說明環(huán)氧瀝青混合料同時(shí)兼具優(yōu)異的耐腐蝕性和耐熱性。

2.6 防火性能

為模擬油罐車燃燒時(shí)，罐內(nèi)燃料外泄時(shí)易燃化學(xué)物傾瀉在隧道路面表面，并引發(fā)燃燒時(shí)隧道路面的損壞狀況，按下述試驗(yàn)步驟和方法進(jìn)行直觀模擬測試：在開口直徑約為20 cm、深約10 cm不銹鋼材料盆底面放置環(huán)氧瀝青馬歇爾試件，然后添加95#汽油，浸泡深度至少高出試樣表面3 cm，點(diǎn)火燃燒。觀測火焰大小，燃燒前后芯樣是否存在脫渣掉?，F(xiàn)象；測量燃燒時(shí)間、燒失量、燃燒前后的馬歇爾強(qiáng)度損失。

燃燒快結(jié)束時(shí)，紅外溫度儀測試芯樣試件表面溫度超過300 ℃，因研發(fā)的環(huán)氧瀝青混合料試件在約430 ℃環(huán)境中也沒有可視形變，其熔融點(diǎn)高，故無論是否添加阻燃材料，外觀均未出現(xiàn)掉渣及脫?，F(xiàn)象。燃燒后質(zhì)量損失隨阻燃劑及煙霧抑制劑摻量的增加而增大，但馬歇爾強(qiáng)度指標(biāo)燃燒前后強(qiáng)度相當(dāng)，強(qiáng)度損失小于5%。

3 后摻法環(huán)氧瀝青混合料工程應(yīng)用

為驗(yàn)證后摻法環(huán)氧瀝青混合料攤鋪時(shí)樹脂添加量控制效果及拌和均勻性，將該成果用于云南某一級公路隧道路面鋪設(shè)。該隧道單洞長約750 m，隧道路面寬7.3 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為26 cm水泥混凝土+3 cm后摻法環(huán)氧瀝青混凝土EAC-13。

3.1 現(xiàn)場均勻性試驗(yàn)

為評價(jià)橫、縱斷面不同位置現(xiàn)場環(huán)氧瀝青混合料的均勻性，對后摻環(huán)氧瀝青A組分并攪拌均勻后的混合料，在現(xiàn)場取樣并用馬歇爾擊實(shí)儀成型后，置于120 ℃烘箱快速固化。然后在60 ℃恒溫水箱放置時(shí)間不少于30 min后，按馬歇爾試驗(yàn)方法，用可控制加載速率的萬能試驗(yàn)機(jī)按50 mm/min±5 mm/min的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄穩(wěn)定度及流值。

3.1.1 橫斷面位置均勻性試驗(yàn)

不同斷面位置的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖3所示。從圖3可見，除攤鋪機(jī)中部位置強(qiáng)度相對較低外，試件的強(qiáng)度總體較好，且偏差較小，整個(gè)斷面的馬歇爾強(qiáng)度變異系數(shù)在10.1%以內(nèi)。馬歇爾穩(wěn)定度單個(gè)試件最小值為61.0 kN，最大值為89.6 kN，遠(yuǎn)大于GB/T 30598—2014《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》路面用環(huán)氧瀝青混合料不小于20 kN及混凝土橋面用環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度不小于30 kN的要求。攤鋪機(jī)中部馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果偏低，說明現(xiàn)有攤鋪機(jī)的攪拌及分散能力還有待提升，螺旋布料器具有一定的攪拌能力，能有效提升二次攪拌的均勻性。

圖3 不同斷面位置馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.1.2 縱坡位置均勻性試驗(yàn)

評價(jià)后摻法環(huán)氧瀝青混合料攤鋪均勻性的馬歇爾試件共28個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。制件混合料取自不同的運(yùn)料車及橫、縱斷面不同位置專用后攤法攤鋪后的混合料，并在容留時(shí)間內(nèi)成型?，F(xiàn)場馬歇爾成型后，置于120 ℃烘箱養(yǎng)生4 h后試驗(yàn)，測得的馬歇爾穩(wěn)定度最大值為89.6 kN，最小值為61.0 kN，平均值為75.6 kN，變異系數(shù)為9.1%；最大空隙率為6%，最小為2.5%，平均空隙率為3.8%；最大流值為4.12 mm，最小為2.25 mm，平均值為3.02 mm。從試驗(yàn)結(jié)果看，現(xiàn)場后摻法生產(chǎn)的環(huán)氧瀝青混合料性能略優(yōu)于實(shí)驗(yàn)室制備的混合料性能，且變異系數(shù)小于10%，進(jìn)一步驗(yàn)證了后摻工藝法的可行性及有效性。

圖4 不同位置馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)

3.2 實(shí)體工程指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

混合料性能為拌和樓拌和后的B組分混合料取樣后，在實(shí)驗(yàn)室按比例添加環(huán)氧瀝青A組分后進(jìn)行制件檢驗(yàn)，測試指標(biāo)包括水穩(wěn)定性、車轍動(dòng)穩(wěn)定度及工程實(shí)體厚度、壓實(shí)度、路面滲水、構(gòu)造深度、擺式摩擦值、平整度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)體工程檢測結(jié)果

通過試驗(yàn)檢測，在隧道水泥混凝土路面上加鋪3 cm環(huán)氧瀝青混合料EAC-13，能有效提高路面平整度，改善行車條件。后摻法環(huán)氧瀝青混合料路用性能及實(shí)體工程檢測指標(biāo)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

1)后摻法環(huán)氧瀝青混合料將環(huán)氧瀝青A、B兩個(gè)組分分2步添加后，有效減少了拌和、等料、運(yùn)輸及待料的施工環(huán)節(jié)，A、B兩組分混合后施工周期短，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)低，可有效解決運(yùn)輸及施工周期帶來的應(yīng)用范圍受限問題。

2)室內(nèi)二次拌和后摻法成型試件馬歇爾穩(wěn)定度為77.17 kN，浸水殘留穩(wěn)定度為95.5%，凍融劈裂強(qiáng)度比為90.6%，60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度為31 500次/mm，-10 ℃低溫彎拉強(qiáng)度為9.45 MPa，彎拉應(yīng)變?yōu)?3.65×10-3，60 ℃浸水條件下南非小型加速加載作用30萬次無脫粒掉渣，且最大變形量僅為1.5 mm，具有耐化學(xué)腐蝕、阻燃特性，表明后摻法環(huán)氧瀝青混合料是一種卓越的路面混合料。

3)拌和站拌和的B組分混合料二次拌和成型制件及現(xiàn)場經(jīng)二次拌和后攤鋪混合料馬歇爾結(jié)果表明，后摻拌和均勻，馬歇爾穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于規(guī)范20 kN穩(wěn)定度的要求，證明后摻法環(huán)氧瀝青路面是一種可行且效果良好的隧道路面鋪筑方案。

4)在既有隧道水泥混凝土路表僅加鋪一層后摻法環(huán)氧瀝青混合料的方案，通過嚴(yán)格控制施工過程，平整度指標(biāo)平均值為0.71 m/km，構(gòu)造深度為0.78 mm，換算20 ℃擺值為69.0，是一種良好的長壽命的功能性路表。