高性能冷拌环氧沥青铺装材料的设计与性能评价

2018-01-18谢伟伟赵腾飞叶永前

筑路机械与施工机械化 2017年12期

徐伟，谢伟伟，赵腾飞，叶永前

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640； 2.广州正邦化工有限公司，广东广州 510730)

0 引言

环氧树脂类钢桥面铺装在高温、重载条件下表现较好，其中以热拌型和温拌型环氧沥青铺装应用较多[1-6]。热拌型和温拌型环氧沥青铺装施工均需要大型拌合站，部分桥梁工程位置不适宜建拌合站或运距过大，满足不了热拌或温拌环氧沥青铺装施工要求；而且对于规模较小的铺装维修工程，应用大型拌合站生产环氧沥青成本过高[7-10]。

目前，国内外对于钢桥面铺装冷拌环氧沥青的应用研究相对较少[14-15]，为方便施工、节能环保和降低工程造价，有必要研究开发和评价冷拌型环氧沥青铺装材料。本文设计一种高强度、高韧性的冷拌环氧沥青，测试分析其微观特征和黏弹特性，评价环氧沥青混合料综合性能，并与应用较多的典型环氧沥青材料ChemCo温拌环氧沥青和KD热拌环氧沥青进行对比分析。

1 试验材料

为提高养生速度和保证施工作业允许时间，研究的冷拌环氧沥青具有2～3 h施工时间，25 ℃养护周期约为3～5 d，夏季路面温度达40 ℃～60 ℃，养护16 h可开放交通，小型拌合及摊铺碾压设备可满足施工需要，尤其便于维修工程施工。

研究的冷拌环氧沥青A组分是由柔性环氧树脂与石油沥青经过反应改性形成的环氧沥青树脂，具有柔性分子链段和多支链网状分子结构；B组分为常温固化脂肪胺固化剂。当环氧基团与固化剂反应固化后，形成石油沥青微珠均匀分散于树脂网状结构中的柔韧性高聚物，兼具有环氧树脂的韧性和沥青的防水防腐特性。

1.1 环氧树脂和固化剂

冷拌环氧沥青的A组分环氧树脂、B组分固化剂性能见表1。

表1 冷拌环氧沥青技术指标

1.2 A、B组分比例确定

依据相关试验规程进行23 ℃拉伸试验，冷拌环氧沥青25 ℃养护5 d，试验结果见表2。综合考虑拉伸强度和断裂延伸率指标，要求材料在具有较高的强度同时具有良好的变形性能，该冷拌环氧沥青组分A、B最佳比例选取2.5∶1，达到较优良强度和韧性状态，满足钢桥面铺装对材料的技术要求。

表2 冷拌环氧沥青不同比例拉伸试验结果

1.3 A、B组分拌合时间及微观组成分析

环氧沥青设计存在一个难点，即环氧树脂与沥青的相容性及混合均匀性，环氧沥青混合均匀性会显著影响其性能，而添加柔顺剂、活性剂等成分，可以改善环氧树脂与沥青的相容性，达到环氧树脂与沥青均匀分散的混合效果。选取A、B组分比例为2.5∶1以评价拌合时间的影响，采用电动搅拌器常温拌合，搅拌转速为350 r·min-1，分别拌合5、10、20、30 min，试样在25 ℃条件下养护5 d。拉伸试验测试结果见图1。由图1可知：搅拌时间和拌合均匀性对冷拌环氧沥青材料力学性能影响显著，搅拌10 min可混合均匀，生产中需要严格控制施工工艺，保证环氧沥青A、B组分的混合均匀性。

图1 拌和时间对冷拌环氧沥青力学性能的影响

环氧树脂在488 nm蓝色激光照射下发出荧光，而沥青在激光照射下不发光，呈黑色，利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)可观察到环氧沥青的微观状态[16-17]。图2(a)为A组分的微观组成，其中黑色圆状体为沥青，呈20 μm粒径颗粒分布；图2(b)为B组分微观组成，在LSCM下发出绿色荧光。图2(c)～(f)分别为拌合5、10、20、30 mim环氧沥青微观形态荧光照片。可以看出，拌合5 min后开始形成5～10 μm粒径沥青颗粒，拌合10 min后沥青以2～3 μm颗粒均匀分布在环氧树脂中，拌合20～30 min后，沥青颗粒的粒径略减小。LSCM测试结果显示，沥青分散在环氧树脂网络结构中，起到填充和防腐作用，环氧树脂形成空间网络结构骨架，是环氧沥青材料强度主体结构。结合微观形态分析与不同拌合时间拉伸试验结果可知，该冷拌环氧沥青拌合10 min可达到均匀。

图2 冷拌环氧沥青LSCM照片

1.4 确定养生时间

图3 养护时间对冷拌环氧沥青力学性能的影响

钢桥面铺装施工周期和养生时间显著影响到钢桥的交通通行服务质量和能力，为评价冷拌环氧沥青养生时间，环氧沥青25 ℃养生时间分别为1、2、3、5、10 d，试验数据见图3。可以看出，环氧沥青养生1 d拉伸强度达到2.65 MPa，显示早期强度较高；养生3 d拉伸强度可达75%，达到开放交通水平；养生5 d可达100%强度。随着温度升高，冷拌环氧沥青养生速度显著提高，在40 ℃养生条件下，16 h即可开放交通。25 ℃条件下，温拌环氧沥青养生期约为45 d，热拌环氧沥青养生期约为14 d，冷拌环氧沥青养生期显著缩短，有利于环氧沥青钢桥面铺装快速开放交通。

2 环氧沥青性能

采用动态剪切流变仪(DSR)测试冷拌环氧沥青黏弹性，通过检测复数剪切模量(G*)和相位角(δ)表征黏弹性[18]。DSR温度扫描试验控制应变为0.01%，分别在52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃进行同一频率下(10 rad·s-1)的复数剪切模量和相位角测试，对比冷拌环氧沥青与SBS改性沥青性能差异。

温度扫描结果见图4、5。由图4可知，相位角随着温度升高而增大，且随着环氧沥青A组分掺量的增加而增大，显示材料黏性增加。冷拌环氧沥青的相位角显著高于SBS改性沥青，表明其黏弹性与SBS改性沥青显著不同，SBS改性沥青黏性较显著，而冷拌环氧沥青则具有较好的弹性变形能力。由图5可知，冷拌环氧沥青复数剪切模量显著高于SBS改性沥青，说明冷拌环氧沥青具有比SBS改性沥青更高的抗车辙性能。温度升高24 ℃，冷拌环氧沥青复数剪切模量降低10～15 kPa，降低幅度约为35%，远低于SBS改性沥青95%的降幅，表明冷拌环氧沥青对温度的敏感性相比改性沥青显著降低。

图4 相位角与温度的关系

图5 剪切模量与温度的关系

3 冷拌环氧沥青混合料性能

为了评价冷拌环氧沥青混合料的性能，对冷拌环氧沥青与典型的ChemCo温拌环氧沥青和KD热拌环氧沥青混合料进行综合试验性能比较。相同级配、油石比条件下，测试环氧沥青混合料的马歇尔性能、水稳定性、抗车辙性能、弯曲性能等技术指标，分析冷拌环氧沥青混合料的性能特点。

3.1 马歇尔试验

依据相关试验规程进行冷拌环氧改性沥青混合料马歇尔试验，结果见表3。从表3可以看出，冷拌环氧沥青马歇尔稳定度高于ChemCo温拌环氧沥青，与KD热拌环氧沥青接近，冷拌环氧沥青流值变形性能与温拌、热拌环氧沥青相当，显示出冷拌环氧沥青混合料具有较好的强度和韧性。

表3 马歇尔稳定度试验结果

3.2 水稳定性及耐油污稳定性

钢桥面铺装中的水或油污会引起坑槽病害，影响交通安全并腐蚀钢桥面板，为此对冷拌环氧沥青混合料进行浸水马歇尔试验和浸泡柴油24 h后的残留马歇尔稳定度试验，结果见表4。结果表明，冷拌环氧沥青混合料的水稳定性和抗油污侵蚀性优良，与ChemCo温拌、KD热拌环氧沥青混合料相当。

表4 环氧沥青马歇尔浸水、泡柴油试验结果

3.3 抗高温车辙性能

钢桥面铺装温度要比一般路面温度高15 ℃～30 ℃，因此对铺装材料高温性能要求较高。按照相关试验规程进行车辙试验，试验温度为60 ℃，试验结果见表5。表5数据显示，冷拌环氧沥青混合料的车辙动稳定度较高，表现出热固性特点，可满足钢桥面铺装工程对高温稳定性的要求。

表5 混合料车辙试验结果

3.4 弯曲性能试验

弯曲性能试验与材料疲劳性能试验具有较好的相关性，依据相关试验规程进行冷拌环氧沥青混合料的小梁弯曲试验，试验温度分别为15 ℃、-10 ℃，加载速度为50 mm·min-1，结果见图6、7和表6。由表6中15 ℃试验结果可知，冷拌环氧沥青混合料的变形性能与KD热拌环氧沥青接近，弯曲劲度模量高于ChemCo温拌和KD热拌环氧沥青混合料；由表6中-10 ℃试验结果可知，冷拌环氧沥青混合料具有较好的低温变形性能，可适应钢桥面铺装层的变形特点要求。

图6 15 ℃荷载-跨中挠度曲线

图7 -10 ℃荷载-跨中挠度曲线

4 结语

(1)根据变形性能和强度均衡的原则，研究设计的冷拌环氧沥青A、B组分比例为2.5∶1时性能最佳，可到达钢桥面铺装材料技术要求。

(2)LSCM测试结果表明，冷拌环氧沥青中，沥青以分散相形式分布在交联环氧树脂连续相体系中，形成了交联网状结构；A、B组分混合搅拌均匀所需时间约为10 min，25 ℃养生时间为3～5 d。

(3)冷拌环氧沥青混合料15 ℃抗弯拉强度达25.3 MPa，弯曲劲度模量达7 691 MPa，与温拌ChemCo环氧沥青和KD热拌环氧沥青相比，具有相当的强度、变形性能、高低温稳定性等综合性能，体现出高强度、高韧性特点。冷拌环氧沥青混合料施工工艺和设备简便，养生期短，利于快速开放交通。

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