(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 401336)
國內(nèi)外大跨徑橋梁普遍采用鋼橋面,我國重載交通、氣候條件極為苛刻,給鋼橋面鋪裝帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和粘結(jié)性能,被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多座大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝,如南京長江二橋、潤揚長江大橋、蘇通長江大橋、武漢天興洲長江大橋、鄂東長江大橋、廣東虎門大橋(翻修)等[1-6]。然而,通過國內(nèi)環(huán)氧瀝青的研究以及一些實際工程應(yīng)用的分析,發(fā)現(xiàn)普通環(huán)氧瀝青固化后脆性高,延展性能較差,難以滿足鋼橋面鋪裝層對混凝土低溫抗裂性的要求。另一方面,環(huán)氧樹脂和瀝青極性有所差異,兩者混合時相容性較差,影響其性能的發(fā)揮[7]。
對環(huán)氧樹脂增韌改性能從根本上改善環(huán)氧瀝青脆性大、韌性差和耐久性差的缺點[8-12];同時,添加相容劑能有效改善環(huán)氧樹脂和瀝青的相容性,進而提高環(huán)氧瀝青的路用性能[7、13]。將增韌改性后的環(huán)氧瀝青應(yīng)用于橋面鋪裝工程,能為橋梁提供行駛性能良好而耐久的橋面鋪裝層。本試驗以自主研發(fā)的高韌性環(huán)氧瀝青為對象,研究了樹脂用量、相容劑種類和用量、高溫固化體系等因素對高韌性環(huán)氧瀝青及混合料性能的影響,以期為我國鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青類材料的研究提供參考。
瀝青:韓國SK70#道路瀝青,其基本性能指標如表1所示。樹脂:自制高韌性環(huán)氧樹脂,淺黃色液體,環(huán)氧值為(0.39±0.02)mol/100 g,40 ℃黏度為0.23 Pa·s;相容劑:Compatilizer1#(具有芳香氣味)、Compatilizer2#(黑褐色粘稠狀液體)和Compatilizer3#(自制非離子型);固化劑:由高溫固化劑和中溫固化劑復(fù)配而成;集料:優(yōu)質(zhì)耐磨的玄武巖;礦粉填料:石灰?guī)r礦粉。
表1 SK70#道路瀝青的技術(shù)指標
將高韌性環(huán)氧樹脂與SK70#基質(zhì)瀝青分別在60 ℃和135 ℃下加熱,通過機械攪拌的方式將其混合,攪拌均勻后,加入相容性和復(fù)配高溫固化劑,制得高韌性環(huán)氧瀝青。高韌性環(huán)氧瀝青混合料的集料級配如表2所示,馬歇爾試驗確定最佳油石比為6.6%,拌和溫度為170 ℃。
高韌性環(huán)氧瀝青及混合料成型后,放置于60 ℃或常溫(25 ℃)環(huán)境下養(yǎng)護,待試件完全固化后測試高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的相關(guān)性能。
表2 高韌性環(huán)氧瀝青混合料集料級配
利用萬能試驗機測試高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸強度和斷裂伸長率;采用旋轉(zhuǎn)黏度計測試環(huán)氧瀝青在170 ℃下黏度的增長趨勢,旋轉(zhuǎn)黏度增長至1 000 mPa·s 的時間記為施工容留時間;高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度、動穩(wěn)定度及抗彎應(yīng)變等按規(guī)范要求進行。
考察樹脂用量對高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能影響,試驗結(jié)果如表3、圖1及圖2所示。
表3 樹脂用量對高韌性環(huán)氧瀝青性能影響
從表3可以看出,隨著樹脂用量的增加,高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸強度呈上升趨勢,但施工容留時間隨之縮短。當樹脂用量為40%時(即樹脂與瀝青的質(zhì)量比為6 ∶4),高韌性環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的拉伸性能,且施工容留時間較長。圖1和圖2表明,樹脂用量對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的性能影響顯著;當樹脂用量小于20%時,其性能提升較慢;當用量大于20%后,混合料的馬歇爾性能、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性迅速增強。針對鋼橋面鋪裝的技術(shù)要求,環(huán)氧瀝青材料的馬歇爾穩(wěn)定度需大于40 kN。樹脂用量為40%和50%的高韌性環(huán)氧瀝青及混合料路用性能良好,施工容留時間較長,同時考慮成本等因素,確定高韌性環(huán)氧樹脂最佳用量為40%。
圖1 樹脂用量對高韌性環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響
圖2 樹脂用量對高韌性環(huán)氧瀝青混合料高低溫性能影響
在鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青的研究中,相容性一直是一個難以解決的難題,添加相容劑可以有效改善其相容性[13]。
2.2.1 相容劑種類及用量確定
考察相容劑種類及用量對高韌性環(huán)氧瀝青體系相容性的影響,試驗結(jié)果如表4所示。
表4 高韌性環(huán)氧瀝青相容性試驗結(jié)果
從表4可以看出,未加相容劑時,高韌性環(huán)氧樹脂和基質(zhì)瀝青的相容性較差,體系的上下層軟化點差達到19.1 ℃,而添加相容劑后,體系的相容性均有不同程度的提升,其中Compatilizer3#的改善效果最為明顯。一定范圍內(nèi),隨著相容劑用量的增加,體系的上下層軟化點差越小,當Compatilizer3#用量為高韌性環(huán)氧瀝青的10%時,體系的上下層軟化點差僅為0.3 ℃,此時高韌性環(huán)氧樹脂與瀝青基本完全相溶。因此,選擇自制非離子型相容劑Compatilizer3#,其較佳用量為10%。
2.2.2 存儲溫度對體系相容性的影響
考察存儲溫度對高韌性環(huán)氧瀝青相容性的影響,試驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 存儲溫度對體系相容性的影響
從圖3可以看出,存儲溫度對高韌性環(huán)氧瀝青體系的相容性有一定影響。隨著存儲溫度的升高,體系的上下層軟化點差增大,即高韌性環(huán)氧樹脂和瀝青的相容性變差,表明高溫對高韌性環(huán)氧瀝青體系的相容性有不利影響。
2.2.3 相容劑對其他性能的影響
考察相容劑對高韌性環(huán)氧瀝青及混合料其他性能的影響,試驗結(jié)果如表5所示??梢钥闯觯灾品请x子型相容劑能明顯提高高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的綜合性能。
2.3.1 復(fù)配固化體系性能考察
考察高溫固化劑與中溫固化劑復(fù)配比對高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能影響,試驗結(jié)果如圖4~7 所示。
表5 相容劑對體系其他性能的影響試驗結(jié)果
圖4 不同復(fù)配比例對高韌性環(huán)氧瀝青拉伸性能影響
圖5 不同復(fù)配比例對高韌性環(huán)氧瀝青施工容留時間影響
圖6 不同復(fù)配比例對高韌性環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響
圖7 不同復(fù)配比例對高韌性環(huán)氧瀝青混合料高低溫性能影響
可以看出,中溫固化劑的加入對高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸強度影響不大,但會明顯加快固化體系的固化反應(yīng)速率,且隨著其用量的增加,反應(yīng)速率加快。當高溫固化劑與中溫固化劑的復(fù)配比例為9 ∶1 時(對應(yīng)圖中高溫固化劑用量90%),其施工容留時間為150 min,與未添加中溫固化劑的高溫固化體系相比,縮短30 min。從圖6和圖7可以進一步看出,不同復(fù)配比對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和高低溫性能影響較小。
2.3.2 復(fù)配固化體系養(yǎng)護時間考察
將不同復(fù)配比例固化體系的高韌性環(huán)氧瀝青及混合料置于常溫環(huán)境下養(yǎng)護,考察其強度形成時間,試驗結(jié)果如表6所示。
表6 高韌性環(huán)氧瀝青及混合料常溫養(yǎng)護時間試驗結(jié)果
從表6可以看出,中溫固化劑的加入明顯加快了高韌性環(huán)氧瀝青的常溫養(yǎng)護速率,且其用量越高,常溫養(yǎng)護時間越短,高韌性環(huán)氧瀝青及混合料形成強度越快。環(huán)氧瀝青類材料在施工過程中,不僅要求在較高的溫度下,具有較長的施工容留時間,并且要求在施工完成后,具有較短的常溫養(yǎng)護時間。其中,未加中溫固化劑體系的常溫養(yǎng)護時間是高溫固化體系的兩倍以上,不利于及時開放交通。雖然中溫固化劑含量更高的復(fù)配固化體系能進一步縮短了常溫養(yǎng)護時間,但施工容留時間過短,不利于施工。因此,綜合確定高溫固化劑與中溫固化劑用量比9 ∶1 為高韌性環(huán)氧瀝青復(fù)配高溫固化體系的最佳配比。
高韌性環(huán)氧瀝青參考日本高溫固化型環(huán)氧瀝青的配方組成,按三組分設(shè)計,其中組分A 為高韌性環(huán)氧樹脂,組份B 為復(fù)配高溫固化劑體系及自制非離子型相容劑等外加劑,組分C 為SK70#基質(zhì)瀝青。分別采用不同顏色的密封桶裝常溫儲存,并分類堆放。
對比高韌性環(huán)氧瀝青及混合料與同類型環(huán)氧瀝青材料的性能,結(jié)果如表7所示。
從表7可以看出,高韌性環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的拉伸性能,其施工容留時間短于日本環(huán)氧瀝青,但長于美國環(huán)氧瀝青,其混合料亦具有更優(yōu)的低溫性能和抗疲勞性能。綜合來看,高韌性環(huán)氧瀝青及混合料性能優(yōu)異,具有廣闊的應(yīng)用前景。
采用自制高韌性環(huán)氧樹脂、基質(zhì)瀝青、自制非離子型相容劑及復(fù)配固化劑等原材料制備高韌性環(huán)氧瀝青及混合料。研究了多種因素對其性能的影響,主要取得如下結(jié)論。
(1)隨著樹脂用量的增加,高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能隨之增強,但其施工容留時間縮短;綜合考慮高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能、施工容留時間、經(jīng)濟成本等因素,確定其最佳用量為40%。
(2)高韌性環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青的相容性較差,添加相容劑可有效改善兩者的相容性,并提高高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的綜合性能。其中,自制非離子型相容劑改善效果最佳,其最佳用量為10%;高溫對高韌性環(huán)氧瀝青體系的相容性有不利影響。
(3)采用高溫固化劑與中溫固化劑復(fù)配體系,當其復(fù)配比為9 ∶1 時,高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸性能良好,施工容留時間較長,且常溫養(yǎng)護9 d 即可基本形成最終強度;不同復(fù)配比對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度及高低溫性能影響較小,綜合確定其最佳復(fù)配比為9 ∶1。
(4)高韌性環(huán)氧瀝青具有和美國環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青同樣優(yōu)異的綜合性能,低溫性能和抗疲勞性能尤為優(yōu)異,其應(yīng)用前景廣闊。
表7 環(huán)氧瀝青及混合料性能對比結(jié)果