施工因素對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能影響

孫文成 呂香華 張立

摘 要：為明確各施工因素對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能的影響規(guī)律，首先通過馬歇爾配合比試驗，分析冷拌環(huán)氧瀝青混合料最佳瀝青用量，明確混合料路用性能的試驗基本參數(shù);然后通過強度追蹤試驗與黏度試驗，探究瀝青存儲方式、礦料含水率、容留時間以及養(yǎng)生時間對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，采用密封膠桶存儲各組分的冷拌環(huán)氧瀝青性能穩(wěn)定;混合料性能隨礦料含水率增加而衰減，應(yīng)控制礦料含水率不超過1%;混合料施工容留時間可達到120 min以上，且所需養(yǎng)護時間短，可以實現(xiàn)快速開放交通的目的。

關(guān)鍵詞：冷拌;環(huán)氧瀝青混合料;施工因素;性能;強度追蹤實驗;黏度實驗

中圖分類號：U414??? 文獻標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）03-0115-07

Influence of Construction Factors on the Performance of Cold

Mixed Epoxy Asphalt Mixture

SUN Wencheng， LYU Xianghua， ZHANG Li

（Hubei Shishou Yangtze River Highway Bridge Co. Ltd.， Jingzhou 434400， China）

Abstract：In order to clarify the influence of construction factors on the performance of cold mixed epoxy asphalt mixture， the optimal asphalt dosage of cold mixed epoxy asphalt mixture was firstly analyzed through the Marshall mix ratio test， making clear the basic test parameters of the road performance. Then， through the strength tracking test and viscosity test， the influence of asphalt storage mode， mineral moisture content， retention time and curing time on the cold mixed epoxy asphalt mixture performance was explored. The test results showed that the performance of cold mixed epoxy asphalt stored in sealant bucket was stable and it decreased with the increase of the moisture content of the mineral material， which should be controlled no more than 1%. The retention time of the mixture could reach more than 120 min. The curing time was short， which can realize the purpose of rapid opening of traffic.

Keywords：Cold mixed; epoxy asphalt mixture; construction factors; performance; intensity tracking experiment; viscosity experiment

0 引言

在鋼橋面鋪裝的實際工程中，根據(jù)環(huán)氧瀝青混合料的施工溫度可將其分為熱拌環(huán)氧瀝青混合料、溫拌環(huán)氧瀝青混合料和冷拌環(huán)氧瀝青混合料[1]。熱拌環(huán)氧瀝青混合料因其路用性能突出以及其黏結(jié)層的兩階段反應(yīng)優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層，但其拌和與施工溫度高，在生產(chǎn)過程中需要將瀝青和集料加熱到150～180 ℃[2]，這不僅會耗費大量的資源，還會釋放有害氣體，帶來嚴(yán)重環(huán)境污染。現(xiàn)有主流溫拌環(huán)氧瀝青混合料的拌和攤鋪溫度也僅比熱拌瀝青混合料低約40 ℃[3-4]，并不能徹底改變環(huán)氧瀝青混合料高能耗、高污染的問題。冷拌環(huán)氧瀝青混合料可以在常溫環(huán)境下進行拌和、攤鋪以及碾壓[5-7]，可有效降低傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料在生產(chǎn)、拌和施工過程中能源消耗和污染物排放問題，且冷拌環(huán)氧瀝青混合料其路用性能與常規(guī)環(huán)氧瀝青混合料相當(dāng)。所以具有良好的工程應(yīng)用前景。

基于環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)的特性，冷拌環(huán)氧瀝青在具備優(yōu)異的強度、穩(wěn)定性和耐久性的同時，對施工時的溫度、時間以及施工作業(yè)面等環(huán)境因素要求也較為苛刻，需要較高的施工工藝來保證路面施工的質(zhì)量。因此，亟須明確各施工因素對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能的影響規(guī)律，以明確施工技術(shù)要求，以期為冷拌環(huán)氧瀝青混合料實際工程應(yīng)用提供參考與借鑒。

當(dāng)前針對冷拌環(huán)氧瀝青混合料的研究較少，王中文等[8]通過馬歇爾試驗探究了養(yǎng)護的時溫條件對日本環(huán)氧瀝青混凝土強度的影響;錢振東等[9]以不同升溫速率下的動態(tài)示差掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）曲線為基礎(chǔ)，構(gòu)建混合料固化模型，推算出了各種環(huán)境溫度下反應(yīng)程度與時間的關(guān)系;張毅[10]通過冷拌環(huán)氧瀝青的強度變化規(guī)律明晰了不同溫度下的混合料容留時間。相關(guān)研究均十分有效地推進了溫度、容留時間對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能的研究，本文將從施工因素考慮角度上做進一步拓展。

首先通過馬歇爾配合比試驗，分析冷拌環(huán)氧瀝青混合料最佳瀝青用量，明確混合料路用性能的試驗基本參數(shù);而后通過強度追蹤試驗與黏度試驗，探究瀝青存儲方式、礦料含水率、容留時間以及養(yǎng)生時間對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能的影響規(guī)律。

1 冷拌環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計

1.1 試驗原材料

研究選用玄武巖集料，最大公稱粒徑為9.5 mm，集料粒徑范圍為0.075～9.5 mm，分為1～4檔，礦粉填料為石灰?guī)r礦粉，玄武巖集料技術(shù)指標(biāo)見表1。

冷拌環(huán)氧瀝青組分為雙酚A型環(huán)氧樹脂、脂肪胺類固化劑與基質(zhì)瀝青，3種組分按照相應(yīng)比例關(guān)系混合制備出冷拌環(huán)氧瀝青，采用布式黏度儀測試其25 ℃時曲線，并在常溫下養(yǎng)生24 h測試其25 ℃斷裂延伸率和斷裂強度，結(jié)果見表2。

級配選擇對瀝青混合料的體積參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)及路用性能具有很大影響。通常較細(xì)級配的瀝青混合料，具有更好的水穩(wěn)定性、耐久性，但高溫抗車轍能力相對較差，而環(huán)氧樹脂體系固化后強度大幅上升，其瀝青混合料在高溫條件下產(chǎn)生的剪切變形較小，因此環(huán)氧瀝青混合料可以使用相對較細(xì)的級配，以全面保證瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)定性能。參照以往研究經(jīng)驗[11-13]，制備成型冷拌環(huán)氧瀝青混合料（CMEA-10），設(shè)計礦料級配見表3。

1.2 配合比設(shè)計

采用常規(guī)馬歇爾擊實儀成型冷拌環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾試件，雙面擊實試件各50次，混合料拌和、成型溫度控制在25 ℃±5 ℃。依據(jù)《JTG F 40—2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，成型馬歇爾試件，油石比為7.0%、7.5%、8.0%、8.5%和9.0%，馬歇爾試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，隨著油石比不斷提高，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的最大理論密度不斷減小，空隙率不斷降低，瀝青飽和度不斷升高，當(dāng)油石比為8.5%時，馬歇爾穩(wěn)定度出現(xiàn)最大值，試驗結(jié)果表明冷拌環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾試驗規(guī)律與普通瀝青混合料相同。另一方面，基于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F 40—2004）中B.6節(jié)最佳油石比確定方法，依據(jù)表4數(shù)據(jù)，計算確定冷拌環(huán)氧瀝青混合料的最佳油石比（OAC）為（OAC1+OAC2）/2=8.3%。

2 施工要素對冷拌環(huán)氧瀝青性能影響的實驗探究

2.1 瀝青存儲方式的影響

實際工程中采用A、B組分現(xiàn)場拌和[14-15]，由于工程持續(xù)時間長，環(huán)氧瀝青材料不可避免地需要在施工現(xiàn)場長時間存放，長期存儲后，瀝青混合料的使用性能也可能出現(xiàn)衰減，因此，需采用合理的存儲方式，保證冷拌環(huán)氧瀝青在整個工期內(nèi)具有穩(wěn)定的工程性能。

對不同存儲方式和存儲時間條件下的環(huán)氧瀝青混合料開展馬歇爾穩(wěn)定度試驗和70 ℃高溫動穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，存儲方式對冷拌環(huán)氧瀝青混合料的性能影響顯著。敞口膠桶存儲下，冷拌環(huán)氧瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均隨著存儲時間增加而逐漸下降，下降速率逐漸加快。這是因為敞口存儲方式無法隔絕空氣，環(huán)氧樹脂A、B組分接觸空氣后會發(fā)生氧化，且隨著時間的推移，氧化程度逐漸加深，導(dǎo)致A、B組分混合后能夠參與固化反應(yīng)的環(huán)氧樹脂和固化劑含量減少，進而導(dǎo)致混合料性能逐步下降。

各組分在密封鐵桶和密封膠桶常溫存儲3個月后，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度變化都較小，說明密封鐵桶裝和密封膠桶裝的存儲方式能有效保證冷拌環(huán)氧瀝青性能的穩(wěn)定，滿足施工時的存儲時間要求。綜合考慮施工成本，推薦采用密封膠桶保存。

2.2 礦料含水率的影響

對于冷拌環(huán)氧瀝青混合料，礦料在常溫下和環(huán)氧瀝青混合，無加熱干燥處理，因此礦料受潮含水率過高的現(xiàn)象較熱拌環(huán)氧瀝青混合料更加明顯。因此，需探究礦料含水率對冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能的影響規(guī)律，以明確冷拌環(huán)氧瀝青混合料中礦料含水率的閾值要求。

首先將7組集料烘干完全后冷卻至室溫，取出其中1組作為對照，然后利用高壓噴槍精確地將占集料質(zhì)量0.5%、1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的水分別霧化噴灑其余6組礦料中，適當(dāng)攪拌使得水分分散均勻。將不同含水率的集料成型馬歇爾試件，在室溫下養(yǎng)生24 h，養(yǎng)生完畢后放入60 ℃水箱中水浴保溫0.5 h，測定試件的空隙率和穩(wěn)定度，試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4中空隙率和穩(wěn)定度的變化曲線可知，混合料空隙率基本不受集料含水率影響，而馬歇爾穩(wěn)定度與集料含水率密切相關(guān)。當(dāng)集料含水率為0%時，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度為56.23 kN，隨著集料含水率的增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當(dāng)集料含水率保持在1%之內(nèi)時，穩(wěn)定度的變化較小;當(dāng)集料含水率超過1%時，穩(wěn)定度開始快速降低，集料含水率達到1.5%時，其穩(wěn)定度比0%含水率瀝青混合料降低了32.6%，此時已經(jīng)不再滿足穩(wěn)定度大于40 kN的規(guī)范要求。

這是因為環(huán)氧瀝青和集料之間的黏附性比較強，但受水分影響，當(dāng)集料中水分比較少時，瀝青和集料之間的黏附效果所受影響較小，所以含水率在1%以內(nèi)時，馬歇爾穩(wěn)定度的變化較小。隨著集料含水率進一步增加，在環(huán)氧瀝青與集料拌和時，集料表面的水分子會滲入到環(huán)氧體系中，由于采用胺類固化劑，其與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應(yīng)過程中會產(chǎn)生各級胺類活性基團，在潮濕條件下這些活性基團很容易和水分子發(fā)生氫鍵作用，無法與環(huán)氧基繼續(xù)反應(yīng)，影響到環(huán)氧樹脂三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，從而降低了馬歇爾穩(wěn)定度。綜合考慮施工質(zhì)量，推薦礦料含水率應(yīng)不高于1%。

2.3 混合料容留時間的影響

從環(huán)氧瀝青A、B組分與集料開始混合，到運輸至攤鋪現(xiàn)場攤鋪、壓實，環(huán)氧瀝青混合料的黏度在不斷變化，施工過程中難免會出現(xiàn)運輸車輛故障、交通管制等一些無法預(yù)估的問題，進而導(dǎo)致混合料攤鋪、壓實時間的推遲。因此，需要考慮時間差異和溫度差異對混合料性能造成的影響。研究時溫因素對冷拌環(huán)氧瀝青的黏度增長規(guī)律和冷拌環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度的影響，評價其施工容留時間。

2.3.1 冷拌環(huán)氧瀝青黏度

采用布式黏度儀測試?yán)浒璀h(huán)氧瀝青在不同溫度下的黏時曲線，以評價冷拌環(huán)氧瀝青混合料的施工容留時間，試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在固化初期，冷拌環(huán)氧瀝青材料的黏度增長相對緩慢，不同拌和溫度對其早期黏度的影響較小，均保持在較低的黏度水平。同時，冷拌環(huán)氧瀝青后期黏度増長的速度和拌和溫度關(guān)系密切，拌和溫度越高，黏度開始急劇增加的時間節(jié)點越靠前，增長速度也相對較快。這種現(xiàn)象可能是由于溫度升高，增大活化分子的數(shù)量，反應(yīng)物分子間的有效碰撞增加，加快了固化反應(yīng)的速率，因而黏度增長的速度也相應(yīng)加快。在10～40 ℃內(nèi)，冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料黏度增長至3 （Pa·s）所用時間超過120 min;其中當(dāng)拌和溫度為10 ℃時，所用時間超過 150 min，說明冷拌環(huán)氧瀝青在進入凝膠態(tài)之前，具備足夠的施工容留時間，能滿足實際的施工需求。

2.3.2 冷拌環(huán)氧混合料容留時間

在10、20、30、40 ℃4種不同溫度條件下，成型不同保溫時間后的冷拌環(huán)氧瀝青混合料試件，待試件養(yǎng)生完全后，測試其馬歇爾穩(wěn)定度和空隙率，試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，由于環(huán)氧瀝青固化體系前期黏度增長緩慢，保溫120 min內(nèi)成型的混合料馬歇爾試件空隙率和穩(wěn)定度均差別不大，滿足規(guī)范要求。隨著成型時間增加，環(huán)氧瀝青進入凝膠化狀態(tài)，固化速率開始迅速增大，環(huán)氧瀝青體系黏度進一步增加，在馬歇爾擊實作用次數(shù)相同的情況下，試件的空隙率迅速增加，穩(wěn)定度也隨之下降。

不同溫度條件對環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾性能指標(biāo)也有很大影響，隨著成型溫度的上升，馬歇爾試件空隙率和穩(wěn)定度開始變化的時間節(jié)點也隨之提前;保溫時間相同時，馬歇爾試件空隙率增加和穩(wěn)定度降低的幅度也隨著溫度的上升而變大。

綜合馬歇爾試件的空隙率和穩(wěn)定度指標(biāo)，冷拌環(huán)氧瀝青混合料在10 ℃和20 ℃條件下保溫和成型時，施工容留時間上限為 150 min，最佳施工容留時間為120 min，能夠保證實際施工時運輸和攤鋪的時間需求;在30 ℃和40 ℃條件下保溫和成型時，120 min后成型試件的馬歇爾穩(wěn)定度開始逐漸降低，空隙率也逐漸增大，可知在該溫度下施工容留時間減少，施工容留時間上限以及最佳施工容留時間均為120 min，可以滿足環(huán)氧瀝青混合料施工時的一般需求。

2.4 混合料養(yǎng)生溫度的影響

自然條件變化多樣，施工溫度也并非恒定，尤其對于鋼橋面鋪裝層，由于正交異性板的導(dǎo)熱性較差，相對應(yīng)的鋪裝層在高、低溫環(huán)境下的溫度差異也就越大。因此，需探究不同養(yǎng)生溫度下環(huán)氧瀝青混合料的強度增長規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上確定其養(yǎng)護方案的時溫控制指標(biāo)。

制備成型馬歇爾試件，在不同溫度下（20、40、60℃）恒溫養(yǎng)護，分別在恒溫養(yǎng)護4、6、8、10、12、16、20、24 h后取出測試，馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8中可知，隨著養(yǎng)生時間的增加，冷拌環(huán)氧瀝青混合料穩(wěn)定度呈現(xiàn)先平緩，而后快速增大，最后趨于穩(wěn)定的三階段變化狀態(tài)。前期由于環(huán)氧瀝青體系固化反應(yīng)未充分進行，穩(wěn)定度增長較為平緩，隨著養(yǎng)護時間的延長，后期穩(wěn)定度增長速度迅速增大，直至達到最終強度。同時，不同養(yǎng)護溫度對冷拌環(huán)氧瀝青混合料穩(wěn)定度的增長速度也有很大影響，養(yǎng)護溫度越高，固化反應(yīng)速度越快，混合料穩(wěn)定度的增長速度也就越大。結(jié)合穩(wěn)定度達到40 kN的要求，冷拌環(huán)氧瀝青混合料20 ℃養(yǎng)護12 h后可開放交通，達到最終強度需20 h;40 ℃養(yǎng)護10 h后可開放交通，達到最終強度需16 h;60 ℃養(yǎng)護8 h后可開放交通，達到最終強度需10 h。與熱拌環(huán)氧瀝青混合料養(yǎng)生時間（10 d）[16]、溫拌環(huán)氧瀝青混合料的養(yǎng)生時間（15 d）[17]相比，冷拌環(huán)氧瀝青混合料具有更短的養(yǎng)生時間，能夠?qū)崿F(xiàn)實際工程中快速開放交通的目的。

2.5 小結(jié)

綜上所述，瀝青存儲方式上，敞口膠桶存儲時由于A、B組分的氧化，瀝青混合料強度會受到極大的時域損傷，而密封鐵桶和密封膠桶存儲可較好地留置混合料強度。在礦料含水率上，隨著集料含水率的增加，環(huán)氧固化過程中的活性基團與水分子的反應(yīng)會使得固化不完全，馬歇爾穩(wěn)定度呈現(xiàn)漸減小，且超過礦料含水率1%閾值時，強度性能急速衰減。在混合料容留時間上，混合料黏度隨容留時間逐漸增加，馬歇爾穩(wěn)定度隨容留時間逐漸減少，以120 min為最佳容留時間。10 ℃和20 ℃保溫成型時，施工容留時間閾值上限可擴展為150 min。而混合料的養(yǎng)生溫度越高，固化反應(yīng)速度越快，最終強度成型越早，且養(yǎng)生時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于熱拌及溫拌環(huán)氧瀝青混合料。

3 結(jié)論

本文結(jié)合早強型環(huán)氧瀝青混合料的性能特性，對其在不同環(huán)境下的施工技術(shù)進行研究，首先分析了早強型環(huán)氧瀝青常溫下長期存放后的性能穩(wěn)定性，比較得出適宜儲存方式;其次從實際施工檢測角度以及瀝青混合料冷拌特性考慮，明確了集料含水率的控制值;然后結(jié)合早強型環(huán)氧瀝青黏度的時溫特性。從而確定了其在不同溫度下的施工容留時間控制指標(biāo);最后基于不同養(yǎng)護溫度下早強型環(huán)氧瀝青混合料的穩(wěn)定度增長規(guī)律，確定其養(yǎng)護時間控制指標(biāo)。

（1）瀝青混合料存儲方式直接影響環(huán)氧樹脂氧化損傷量。礦料含水率過高會阻礙固化反應(yīng)的徹底進行。而施工容留時間以及混合料養(yǎng)生溫度與施工難度密切相關(guān)，并決定混合料最終強度質(zhì)量。

（2）組分敞口存儲的冷拌環(huán)氧瀝青，隨著存儲時間延長，其穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均顯著降低;采用密封鐵桶裝和密封膠桶裝時，冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能基本穩(wěn)定。綜合施工成本考慮，推薦冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料的A、B組分采用密封膠桶分開存儲，以保證在施工工期內(nèi)的性能穩(wěn)定性。

（3）冷拌環(huán)氧瀝青混合料空隙率基本不受礦料含水率影響，而馬歇爾穩(wěn)定度隨著礦料含水率的增加而減小，當(dāng)集料含水率超過1%時，穩(wěn)定度不滿足大于40 kN的規(guī)范要求。建議施工中所用集料含水率控制在1%以內(nèi)，以保證混合料的路用性能穩(wěn)定。

（4）10～40 ℃區(qū)間內(nèi)，冷拌環(huán)氧瀝青結(jié)合料黏度增長至3 （Pa·s）所用時間大于120 min。同時，冷拌環(huán)氧瀝青混合料在10 ℃和20 ℃下的施工容留時間上限可達 150 min;在30 ℃和40 ℃下的施工容留時間上限可達到120 min，均可以滿足環(huán)氧瀝青混合料施工時間的一般需求。

（5）冷拌環(huán)氧瀝青混合料養(yǎng)護時間短，可以實現(xiàn)快速開放交通的目的。

【參 考 文 獻】

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