環(huán)氧瀝青混合料后摻法工藝正交試驗及性能研究

馬 永， 孫武云， 趙雁賓， 劉維娟， 張曉鋒， 晏 永， 封基良

(1.云南賓南高速公路有限責(zé)任公司，云南 大理 671000； 2.云南武倘尋高速公路有限責(zé)任公司， 昆明 650000； 3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 昆明 650000； 4.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院(云南省土木工程防災(zāi)重點試驗室)， 昆明 650500； 5.云南暢坦科技有限公司， 昆明 650000)

環(huán)氧瀝青混合料是采用環(huán)氧瀝青作為膠結(jié)料，并與一定比例的集料、礦粉拌和而成的熱固性長壽命鋪裝材料，與普通瀝青混合料相比，具有強(qiáng)度高、剛性大等優(yōu)點，且有良好的耐化學(xué)腐蝕能力、抗疲勞性能、抗車轍能力及水穩(wěn)定性。因其優(yōu)異的路用性能，在國內(nèi)多座大跨徑鋼橋面鋪裝工程中得到成功應(yīng)用[1-2]。經(jīng)過多年理論和實踐檢驗，我國已形成環(huán)氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工成套技術(shù)，但對環(huán)氧瀝青混合料的研究尚未成熟，與之相關(guān)的施工技術(shù)仍待進(jìn)一步深入研究。

環(huán)氧瀝青是由瀝青及助劑作為增柔、增韌相材料，環(huán)氧樹脂與固化劑固化物形成連續(xù)相的高溫不熔熱固性材料[3]，是一種化學(xué)改性材料，隨著環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的進(jìn)行，黏度隨時間增加而增大。固化反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時會凝膠化，黏度迅速增加，并最終形成不熔不溶的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。環(huán)氧瀝青的化學(xué)反應(yīng)程度和速率受時間、溫度的影響很大。因環(huán)氧瀝青的容留時間短，且容留時間受溫度的影響非常大，故環(huán)氧瀝青混合料的施工條件十分苛刻[4]。環(huán)氧瀝青混凝土常規(guī)施工工藝流程如圖1所示。流程是將環(huán)氧瀝青A/B組分拌勻后與集料、礦粉填料等先進(jìn)行拌和，再經(jīng)等料、運輸、現(xiàn)場待料、攤鋪及壓實等諸多環(huán)節(jié)方能完成施工。影響容留的環(huán)節(jié)多，運輸過程、現(xiàn)場待料及攤鋪等環(huán)節(jié)時間不確定性大，導(dǎo)致環(huán)氧瀝青的施工風(fēng)險高，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷[5-7]。

目前，解決環(huán)氧瀝青混合料黏度增長的方法主要有2種：1) 研制高品質(zhì)的環(huán)氧瀝青材料，減緩其黏度增長速度，延長容留時間[8-11]；2) 結(jié)合環(huán)氧瀝青黏度增長規(guī)律及流變特征，合理預(yù)測環(huán)氧瀝青混凝土容留時間，以便制定更加合理的施工方案[12-15]。

上述方法可在一定程度上提高施工質(zhì)量的可控性，但仍不能根本解決環(huán)氧瀝青混合料施工要求高、質(zhì)量風(fēng)險大的問題。為此，本文采用正交試驗分析環(huán)氧瀝青混合料性能影響因素，優(yōu)選了后摻法最佳制備工藝，并驗證了該工藝的可行性[3，6]。

圖1 環(huán)氧瀝青常規(guī)工藝流程

1 后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料

1.1 后摻法

后摻法工藝分2階段添加發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的環(huán)氧瀝青B組分、A組分，具體工藝為：1) 將環(huán)氧瀝青中比例較高的環(huán)氧瀝青B組分在后場經(jīng)拌和樓與集料、礦粉等材料拌和；2) 將環(huán)氧瀝青B組分混合料運到現(xiàn)場；3) 在攤鋪時通過專用后摻法攤鋪設(shè)備將環(huán)氧瀝青A組分以霧狀形式精確、智能添加到環(huán)氧B組分混合料中，并經(jīng)過霧狀噴灑、二級強(qiáng)制攪拌及螺旋布料器等多個裝置二次拌和均勻；4) 攤鋪、碾壓，完成整個施工流程，如圖2所示。與常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土施工工藝相比，后摻法施工工藝影響環(huán)氧瀝青容留的環(huán)節(jié)僅有攤鋪和碾壓2個環(huán)節(jié)，攤鋪、碾壓施工過程一般少于10 min，能有效解決常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土施工工藝應(yīng)用范圍受限、施工風(fēng)險高的問題，顯著增加施工可控性。

1.2 試驗材料

環(huán)氧瀝青為自制雙組分環(huán)氧瀝青，A組分為環(huán)氧樹脂E51，B組分是由瀝青、固化劑及增韌劑、促進(jìn)劑等相關(guān)助劑共混而成的均質(zhì)混合物，A∶B=100∶903；粗集料為玄武巖、細(xì)集料為石灰?guī)r，經(jīng)檢測，粗、細(xì)集料所檢指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，環(huán)氧瀝青主要參數(shù)見表1，礦料級配見表2，油石比為6.8%。

圖2 環(huán)氧瀝青后摻法工藝流程

1.3 試件制備

環(huán)氧瀝青混合料采用常規(guī)和后摻2種工藝制備。

1) 常規(guī)工藝

(1) 將環(huán)氧瀝青A組分加熱至60 ℃～80 ℃；(2) 將 120 ℃～140 ℃的環(huán)氧瀝青B組分按照100∶903的質(zhì)量比攪拌3 min～5 min均勻混合；(3) 按6.8%的油石比與120 ℃的礦質(zhì)集料進(jìn)行拌和，環(huán)氧瀝青混合料的成品溫度控制在110 ℃～120 ℃；(4) 拌和混合料運輸?shù)浆F(xiàn)場攤鋪、碾壓后完成施工。

2) 后摻法

(1) 將環(huán)氧瀝青B組分加熱至120 ℃～140 ℃后與120 ℃的集料、礦粉按6.1%的油石比進(jìn)行第一次拌和；(2) 將0.67%的A組分加熱至60 ℃～80 ℃；(3) 將加熱的A組分按量添加至環(huán)氧瀝青B組分混合料進(jìn)行二次拌和，混合料出料溫度為110 ℃～120 ℃。后摻法制備工藝的關(guān)鍵是第一次僅添加環(huán)氧B組分的混合料不能出現(xiàn)花白料，環(huán)氧瀝青A組分添加要準(zhǔn)確、二次拌和要均勻。

每種工藝分別成型10個車轍板試件和25個馬歇爾試件。制件方式參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，車轍試件采用輪碾法制作，馬歇爾試件采用標(biāo)準(zhǔn)擊實法制作。每組制備的5個馬歇爾試件常溫條件放置，其余試件均帶模具在120 ℃條件下養(yǎng)生4 h至完全固化。

表1 環(huán)氧瀝青性能指標(biāo)

表2 礦料級配

1.4 性能指標(biāo)及試驗方法

1) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗：試驗溫度，采用恒位移控制模式，加速速率50 mm/min。試驗前試件放置在60 ℃恒溫水浴30 min，浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗則在60 ℃恒溫水浴放置48 h，具體步驟和方法按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0709執(zhí)行。

2) 車轍試驗：輪壓為0.7 MPa，試驗溫度分別為60 ℃和80 ℃，具體步驟和方法按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0719執(zhí)行。

3) 彎曲試驗：試驗溫度-10 ℃，采用恒位移加載控制方式，加載速率50 mm/min。

4) 熱固性試驗：將尺寸為250 mm×30 mm×35 mm小梁試件300 ℃烘箱保溫2 h。

6) 耐腐蝕試驗：將尺寸為250 mm×30 mm×35 mm小梁試件分成3段置于60 ℃煤油中靜置7 d。

2 性能試驗結(jié)果及分析

按常規(guī)工藝及后摻法工藝制備的環(huán)氧瀝青混合料試件的體積指標(biāo)、馬歇爾穩(wěn)定度、低溫最大彎拉應(yīng)變、60 ℃動穩(wěn)定度與凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比等試驗結(jié)果見表3，熱固性及耐腐蝕試驗后圖片分別如圖3、圖4所示。

對比表3的性能指標(biāo)，未固化試件穩(wěn)定度、流值、體積指標(biāo)、殘留穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比變化很小，但固化試件馬歇爾穩(wěn)定度、車轍動穩(wěn)定度存在一定程度的衰減，表明環(huán)氧瀝青二次拌和會影響環(huán)氧體系材料接觸，固化反應(yīng)程度有所降低，但所有指標(biāo)均滿足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》中鋼橋鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的技術(shù)要求。

表3 不同工藝環(huán)氧瀝青混合料試件試驗結(jié)果

圖3 240 ℃下-4 h的環(huán)氧瀝青混合料

圖4 60 ℃煤油-7 d下的環(huán)氧瀝青混合料

后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料彎曲小梁試件在240 ℃烘箱中保溫4 h和在60 ℃煤油中浸泡7 d后的圖片如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，試件均未松散，仍有一定強(qiáng)度，足以證明后摻入的環(huán)氧瀝青A組分與環(huán)氧瀝青B組分中的固化劑發(fā)生了固化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦圆牧稀?/p>

從上述試驗及分析可得出結(jié)論：環(huán)氧瀝青混合料的后摻法工藝制備的環(huán)氧瀝青混合料能實現(xiàn)環(huán)氧瀝青熱塑性向熱固性轉(zhuǎn)變，且各項技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。但二次拌和會導(dǎo)致少量環(huán)氧樹脂和固化劑未接觸，造成環(huán)氧瀝青固化物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度減少，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)氧瀝青膠結(jié)料強(qiáng)度較低。

3 關(guān)鍵因素對后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料性能的影響及分析

為分析拌和時間、拌和成型溫度及環(huán)氧瀝青材料組分變化3個關(guān)鍵因素對后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料的性能影響，基于馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)測試簡單，且變化顯著，因此，在室內(nèi)開展了三因素三水平正交試驗。

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度正交試驗

試驗設(shè)計以A/B組分比例、拌和溫度、拌和時間為主要因素，每個因素各選取3個水平。選用L9(34)正交表開展試驗設(shè)計，制件后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，因素水平設(shè)計見表4。

表4 后摻法環(huán)氧瀝青混合料正交試驗設(shè)計

3.2 正交試驗結(jié)果的極差分析及方差分析

正交試驗馬歇爾穩(wěn)定度極差及各因素的方差采用大型SPSS(Statistical Product and Service Solutions)軟件計算，計算結(jié)果見表5。

表5 環(huán)氧瀝青混凝土正交試驗馬歇爾穩(wěn)定度實測結(jié)果

從表5可以看出，各影響因素馬歇爾穩(wěn)定度的極差RA>RC>RB，說明A/B組分摻量對環(huán)氧瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度的影響顯著。隨著溫度升高，環(huán)氧瀝青黏度降低，影響到成型試件質(zhì)量，因而溫度對馬歇爾穩(wěn)定度有一定影響。時間對環(huán)氧瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度的影響較小，表明經(jīng)一次拌和均勻后，二次拌和更容易拌和均勻。按各因素正交試驗極差結(jié)果確定最佳工藝為A3B3C1。按最佳工藝A3B3C1制備環(huán)氧瀝青混合料，實測馬歇爾穩(wěn)定度分別為146.1 kN、154.8 kN、141.2 kN、150.7 kN，均值為148.2 kN，試驗結(jié)果均高于9組正交試驗的結(jié)果，有效證明了優(yōu)選結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在任何試驗過程中，都存在試驗誤差，試驗誤差通?？梢院雎圆挥?。試驗誤差和各因素水平引起的波動和變化可通過表6方差分析區(qū)分開來，并能分析出各因素對試驗結(jié)果影響的顯著程度。

表6 環(huán)氧瀝青混凝土正交試驗穩(wěn)定度方差分析

從表6可以看出，F(xiàn)B、FC遠(yuǎn)小于FA，F(xiàn)A分別是FB、FC的58.7、69.4倍，據(jù)此可知因素A(A/B組分比例)對環(huán)氧瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度影響最顯著，因素B(拌和時間)與因素C(拌和溫度)對馬歇爾穩(wěn)定度的影響則相對較小。

4 結(jié)束語

1) 后摻法工藝制備的環(huán)氧瀝青混合料性能雖較常規(guī)工藝馬歇爾穩(wěn)定度衰減29.2%，60 ℃車轍動穩(wěn)定度衰減約20%，其它指標(biāo)如未固化穩(wěn)定度、流值、水穩(wěn)定性及低溫彎拉應(yīng)變等差異在5%以內(nèi)，且性能結(jié)果滿足要求。通過適當(dāng)提高樹脂摻量，改變A/B組分比例，可實現(xiàn)性能指標(biāo)不衰減甚至略有增大，表明后摻工藝可行、有效。

2) 環(huán)氧瀝青A/B組分比例的F值分別是拌和時間、拌和溫度的58.7、69.4倍，對混合料的性能影響最為顯著，實際施工時應(yīng)加強(qiáng)該指標(biāo)的控制。

3) 與常規(guī)工藝性能相當(dāng)或更優(yōu)的后摻法最佳組合為：環(huán)氧瀝青A/B組分比例為100∶903，拌和溫度為120 ℃，后摻拌和時間為60 s。

4) 試驗表明，后摻法環(huán)氧瀝青混合料制備工藝是一種可行的新型工藝。該工藝能從本質(zhì)上解決環(huán)氧瀝青混合料施工容留時間短而造成的質(zhì)量問題，且無需專門建設(shè)拌和樓，很大程度上降低了工程造價，有利于環(huán)氧瀝青鋪裝材料的推廣和應(yīng)用。