徐 偉，謝偉偉，趙騰飛，葉永前

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)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(shù)脂類(lèi)鋼橋面鋪裝在高溫、重載條件下表現(xiàn)較好，其中以熱拌型和溫拌型環(huán)氧瀝青鋪裝應(yīng)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(yùn)距過(guò)大，滿足不了熱拌或溫拌環(huán)氧瀝青鋪裝施工要求；而且對(duì)于規(guī)模較小的鋪裝維修工程，應(yīng)用大型拌合站生產(chǎn)環(huán)氧瀝青成本過(guò)高[7-10]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼橋面鋪裝冷拌環(huán)氧瀝青的應(yīng)用研究相對(duì)較少[14-15]，為方便施工、節(jié)能環(huán)保和降低工程造價(jià)，有必要研究開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)冷拌型環(huán)氧瀝青鋪裝材料。本文設(shè)計(jì)一種高強(qiáng)度、高韌性的冷拌環(huán)氧瀝青，測(cè)試分析其微觀特征和黏彈特性，評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青混合料綜合性能，并與應(yīng)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(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料

為提高養(yǎng)生速度和保證施工作業(yè)允許時(shí)間，研究的冷拌環(huán)氧瀝青具有2～3 h施工時(shí)間，25 ℃養(yǎng)護(hù)周期約為3～5 d，夏季路面溫度達(dá)40 ℃～60 ℃，養(yǎng)護(hù)16 h可開(kāi)放交通，小型拌合及攤鋪碾壓設(shè)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(shù)脂與石油瀝青經(jīng)過(guò)反應(yīng)改性形成的環(huán)氧瀝青樹(shù)脂，具有柔性分子鏈段和多支鏈網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)；B組分為常溫固化脂肪胺固化劑。當(dāng)環(huán)氧基團(tuán)與固化劑反應(yīng)固化后，形成石油瀝青微珠均勻分散于樹(shù)脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的柔韌性高聚物，兼具有環(huán)氧樹(shù)脂的韌性和瀝青的防水防腐特性。

1.1 環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑

冷拌環(huán)氧瀝青的A組分環(huán)氧樹(shù)脂、B組分固化劑性能見(jiàn)表1。

表1 冷拌環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 A、B組分比例確定

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行23 ℃拉伸試驗(yàn)，冷拌環(huán)氧瀝青25 ℃養(yǎng)護(hù)5 d，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。綜合考慮拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率指標(biāo)，要求材料在具有較高的強(qiáng)度同時(shí)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(dá)到較優(yōu)良強(qiáng)度和韌性狀態(tài)，滿足鋼橋面鋪裝對(duì)材料的技術(shù)要求。

表2 冷拌環(huán)氧瀝青不同比例拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.3 A、B組分拌合時(shí)間及微觀組成分析

環(huán)氧瀝青設(shè)計(jì)存在一個(gè)難點(diǎn)，即環(huán)氧樹(shù)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(huì)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(shù)脂與瀝青的相容性，達(dá)到環(huán)氧樹(shù)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(píng)價(jià)拌合時(shí)間的影響，采用電動(dòng)攪拌器常溫拌合，攪拌轉(zhuǎn)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(hù)5 d。拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知：攪拌時(shí)間和拌合均勻性對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青材料力學(xué)性能影響顯著，攪拌10 min可混合均勻，生產(chǎn)中需要嚴(yán)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(shí)間對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青力學(xué)性能的影響

環(huán)氧樹(shù)脂在488 nm藍(lán)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(kāi)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(shù)脂中，拌合20～30 min后，瀝青顆粒的粒徑略減小。LSCM測(cè)試結(jié)果顯示，瀝青分散在環(huán)氧樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，起到填充和防腐作用，環(huán)氧樹(shù)脂形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架，是環(huán)氧瀝青材料強(qiáng)度主體結(jié)構(gòu)。結(jié)合微觀形態(tài)分析與不同拌合時(shí)間拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，該冷拌環(huán)氧瀝青拌合10 min可達(dá)到均勻。

圖2 冷拌環(huán)氧瀝青LSCM照片

1.4 確定養(yǎng)生時(shí)間

圖3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青力學(xué)性能的影響

鋼橋面鋪裝施工周期和養(yǎng)生時(shí)間顯著影響到鋼橋的交通通行服務(wù)質(zhì)量和能力，為評(píng)價(jià)冷拌環(huán)氧瀝青養(yǎng)生時(shí)間，環(huán)氧瀝青25 ℃養(yǎng)生時(shí)間分別為1、2、3、5、10 d，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。可以看出，環(huán)氧瀝青養(yǎng)生1 d拉伸強(qiáng)度達(dá)到2.65 MPa，顯示早期強(qiáng)度較高；養(yǎng)生3 d拉伸強(qiáng)度可達(dá)75%，達(dá)到開(kāi)放交通水平；養(yǎng)生5 d可達(dá)100%強(qiáng)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(kāi)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(kāi)放交通。

2 環(huán)氧瀝青性能

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)試?yán)浒璀h(huán)氧瀝青黏彈性，通過(guò)檢測(cè)復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)表征黏彈性[18]。DSR溫度掃描試驗(yàn)控制應(yīng)變?yōu)?.01%，分別在52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃進(jìn)行同一頻率下(10 rad·s-1)的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角測(cè)試，對(duì)比冷拌環(huán)氧瀝青與SBS改性瀝青性能差異。

溫度掃描結(jié)果見(jiàn)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(fù)數(shù)剪切模量顯著高于SBS改性瀝青，說(shuō)明冷拌環(huán)氧瀝青具有比SBS改性瀝青更高的抗車(chē)轍性能。溫度升高24 ℃，冷拌環(huán)氧瀝青復(fù)數(shù)剪切模量降低10～15 kPa，降低幅度約為35%，遠(yuǎn)低于SBS改性瀝青95%的降幅，表明冷拌環(huán)氧瀝青對(duì)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(guān)系

圖5 剪切模量與溫度的關(guān)系

3 冷拌環(huán)氧瀝青混合料性能

為了評(píng)價(jià)冷拌環(huán)氧瀝青混合料的性能，對(duì)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(jìn)行綜合試驗(yàn)性能比較。相同級(jí)配、油石比條件下，測(cè)試環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾性能、水穩(wěn)定性、抗車(chē)轍性能、彎曲性能等技術(shù)指標(biāo)，分析冷拌環(huán)氧瀝青混合料的性能特點(diǎn)。

3.1 馬歇爾試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行冷拌環(huán)氧改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)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(dāng)，顯示出冷拌環(huán)氧瀝青混合料具有較好的強(qiáng)度和韌性。

表3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)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(huì)引起坑槽病害，影響交通安全并腐蝕鋼橋面板，為此對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和浸泡柴油24 h后的殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)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(dāng)。

表4 環(huán)氧瀝青馬歇爾浸水、泡柴油試驗(yàn)結(jié)果

3.3 抗高溫車(chē)轍性能

鋼橋面鋪裝溫度要比一般路面溫度高15 ℃～30 ℃，因此對(duì)鋪裝材料高溫性能要求較高。按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表5數(shù)據(jù)顯示，冷拌環(huán)氧瀝青混合料的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度較高，表現(xiàn)出熱固性特點(diǎn)，可滿足鋼橋面鋪裝工程對(duì)高溫穩(wěn)定性的要求。

表5 混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

3.4 彎曲性能試驗(yàn)

彎曲性能試驗(yàn)與材料疲勞性能試驗(yàn)具有較好的相關(guān)性，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行冷拌環(huán)氧瀝青混合料的小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為15 ℃、-10 ℃，加載速度為50 mm·min-1，結(jié)果見(jiàn)圖6、7和表6。由表6中15 ℃試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)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(yīng)鋼橋面鋪裝層的變形特點(diǎn)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(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)變形性能和強(qiáng)度均衡的原則，研究設(shè)計(jì)的冷拌環(huán)氧瀝青A、B組分比例為2.5∶1時(shí)性能最佳，可到達(dá)鋼橋面鋪裝材料技術(shù)要求。

(2)LSCM測(cè)試結(jié)果表明，冷拌環(huán)氧瀝青中，瀝青以分散相形式分布在交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂連續(xù)相體系中，形成了交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；A、B組分混合攪拌均勻所需時(shí)間約為10 min，25 ℃養(yǎng)生時(shí)間為3～5 d。

(3)冷拌環(huán)氧瀝青混合料15 ℃抗彎拉強(qiáng)度達(dá)25.3 MPa，彎曲勁度模量達(dá)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(dāng)?shù)膹?qiáng)度、變形性能、高低溫穩(wěn)定性等綜合性能，體現(xiàn)出高強(qiáng)度、高韌性特點(diǎn)。冷拌環(huán)氧瀝青混合料施工工藝和設(shè)備簡(jiǎn)便，養(yǎng)生期短，利于快速開(kāi)放交通。

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