李 寒 韓文生 宋冰泉 張志宏 張 凱 南海軍 姜曉飛

1 寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司（315000） 2 寧波天意鋼橋面鋪裝工程有限公司（315000）

1 研究的目的和需求

1.1 存在的問(wèn)題

橋面瀝青混凝土鋪裝層最常見(jiàn)的病害之一是剪切推移破壞。其典型特征是鋪裝層車(chē)輛水平力作用下出現(xiàn)了很大的流動(dòng)變形或剪切滑移。瀝青鋪裝層間的黏結(jié)材料一般多采用熱噴改性瀝青、改性乳化瀝青等改性瀝青類(lèi)材料，這些材料的共同特征是環(huán)境溫度升高自身迅速變軟，致使鋪裝層間的黏結(jié)能力大幅下降。 長(zhǎng)江中下游的炎熱季節(jié)，瀝青鋪裝的地表溫度可接近70 ℃， 常規(guī)的黏結(jié)材料的黏結(jié)力僅剩約0.1 MPa，鋪裝層間失去了可靠的約束，故容易出現(xiàn)推擠蠕動(dòng)，形成剪切推移破壞。

橋面瀝青鋪裝不僅需要層間黏結(jié)牢固，還需要有效防水。 防止水在鋪裝層間自由穿行，引發(fā)坑槽和松散等鋪裝層水損害。提高黏結(jié)層的瀝青的灑布量可有效地縮小鋪裝層與橋面之間的空隙，有利于防水。 但當(dāng)界面或?qū)娱g存在較多瀝青時(shí)，鋪裝層因富含瀝青而趨于飽和狀態(tài)，鋪裝層的高溫穩(wěn)定性明顯下降，容易出現(xiàn)推擠和蠕變破壞。

因此，橋面瀝青鋪裝需要同時(shí)兼顧這兩種使用需求，既要提高黏結(jié)層的瀝青用量，使鋪裝層與橋面之間的空隙盡可能填滿(mǎn)，避免水的侵入，又要保證鋪裝層不會(huì)高溫變軟，形成推擠剪切破壞（如圖1 所示）。 常規(guī)瀝青材料因基本特性不良而難以兼顧兩全。

圖1 瀝青混凝土鋪裝層間排水

1.2 當(dāng)前的環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料使用情況

采用新型的環(huán)氧瀝青可以良好地兼顧這兩方面的使用需求。 其原理是，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑與瀝青等材料混合熔融后發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，形成了新的不可逆轉(zhuǎn)的大分子固體膠狀材料，從根本上改變了瀝青材料高溫流變的特性，其黏結(jié)強(qiáng)度和韌性均顯著提高。 通常，熱固性環(huán)氧瀝青采用酸或酸酐類(lèi)的材料作為固化劑，但酸類(lèi)固化劑需要一定的溫度并持續(xù)一定時(shí)間才能與環(huán)氧完成固化反應(yīng)，如需要120 ℃并持續(xù)6 h 以上。 普通環(huán)氧瀝青在實(shí)際應(yīng)用方面并不十分理想，其最大的問(wèn)題是“不熱不固”。 橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)是常溫狀態(tài)，并不具備120 ℃并持續(xù)6 h的固化條件， 環(huán)氧瀝青灑布后長(zhǎng)時(shí)間處于較稠的漿糊狀，運(yùn)輸車(chē)輛和攤鋪設(shè)備等因粘連和污染等問(wèn)題無(wú)法在漿糊狀的界面上進(jìn)行施工操作，設(shè)備輪胎或履帶粘連漿糊狀的界面，也會(huì)破壞防水黏結(jié)層的完整性，留下質(zhì)量隱患。 鋪裝施工完成后需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，等養(yǎng)生固化達(dá)到強(qiáng)度才能開(kāi)放交通。

采用常溫固化的環(huán)氧瀝青材料雖可以規(guī)避“不熱不固”問(wèn)題，但需要考慮，瀝青混合料高溫?cái)備伿┕?duì)已經(jīng)固化的環(huán)氧界面的破壞程度。 理論上，這與水泥混凝土初凝后被受力擾動(dòng)導(dǎo)致混凝土本身造成松散破壞的情況類(lèi)似，這方面的研究結(jié)論還不十分清晰。

從日本采購(gòu)的一種“二階反應(yīng)性”環(huán)氧瀝青較好地規(guī)避了“不熱不固”產(chǎn)生的問(wèn)題。 所謂“二階”是指該膠結(jié)料存在兩個(gè)反應(yīng)階段，即該環(huán)氧瀝青灑布（涂布）后在常溫下可以很快表干固化（一階反應(yīng)），使得車(chē)輛和人員在該黏結(jié)層上作業(yè)時(shí)避免發(fā)生粘連。 當(dāng)熱拌瀝青混合料鋪筑時(shí)，該黏結(jié)層在瀝青混合料熱量作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料熔融相連并最終在熱量的幫助下完成環(huán)氧的固化反應(yīng)（二階反應(yīng)）。 二階反應(yīng)的黏結(jié)材料規(guī)避了先固化再擾動(dòng)破壞的問(wèn)題，但由于國(guó)內(nèi)缺少競(jìng)爭(zhēng)，該進(jìn)口的二階反應(yīng)性樹(shù)脂材料售價(jià)昂貴，每噸價(jià)格超過(guò)了10萬(wàn)元，普通的橋面鋪裝無(wú)法承受其高昂的價(jià)格。

因此，國(guó)內(nèi)橋面鋪裝工程界迫切需要研發(fā)一種相對(duì)廉價(jià)的二階反應(yīng)性環(huán)氧瀝青材料，來(lái)解決橋面鋪裝工程中遇到的防水和界面黏結(jié)的兩難問(wèn)題。

2 熱固性環(huán)氧瀝青材料的特性

2.1 新型的二階環(huán)氧瀝青原理和組成

課題研究單位在環(huán)氧瀝青再生混合料的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在熱固性環(huán)氧瀝青膠結(jié)料中增加催化劑的數(shù)量可有效地加快環(huán)氧瀝青的初期固化速度，具有一階快速表干的特征。 當(dāng)再次加熱時(shí)，表干后的環(huán)氧瀝青可以再次熔融液化， 然后完成最終固化。 這些特征恰恰是工程技術(shù)人員期待的二階環(huán)氧瀝青材料。 而材料的價(jià)格僅為進(jìn)口材料的約1/4。

該二階熱固性環(huán)氧瀝青由兩部分組成，可使固化劑快速反應(yīng)，形成表干的黏結(jié)層表面，方便后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)施工。 當(dāng)熱拌瀝青混合料攤鋪時(shí)，該黏結(jié)層在混合料熱量幫助下先熔融液化，再逐漸固化成交聯(lián)互織的高分子材料，形成既有一定強(qiáng)度又有一定變形能力的環(huán)氧瀝青固體膠狀材料，從而大幅改善鋪裝層界面的黏結(jié)能力和耐高溫能力。

2.2 新型環(huán)氧瀝青的基本特性

該熱固性環(huán)氧瀝青在理想條件下固化后呈現(xiàn)表1、圖1 的性能特征。

圖1 熱固性環(huán)氧瀝青的基本特性

從表1 可見(jiàn)，熱固性環(huán)氧瀝青自身強(qiáng)度和對(duì)鋼板的黏結(jié)能力十分優(yōu)秀。 試驗(yàn)還表明，該黏結(jié)層在夏季高溫季節(jié)涂布后1 d 左右即不粘手指。 在課題組XX 橋ERS 鋼橋面鋪裝工地的實(shí)地應(yīng)用表明，熱固性環(huán)氧瀝青用于SMA 下的黏結(jié)層，涂布1 d 后可基本不粘車(chē)輪（如圖2 所示）。

表1 熱固性環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的主要特征

此時(shí)的膠結(jié)料并沒(méi)有完全固化，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)或經(jīng)過(guò)混合料加熱，膠結(jié)料的固化程度還會(huì)大幅增加。以150 ℃持續(xù)1 h 來(lái)模擬SMA 混合料高溫對(duì)界面固化的影響與實(shí)際情況是比較接近的。 以此為邊界考察該膠結(jié)料的強(qiáng)度增長(zhǎng)（見(jiàn)表2）。

表3 不同溫度下的膠膜拉伸斷裂強(qiáng)度及延伸率試驗(yàn)結(jié)果

表4 環(huán)氧瀝青黏結(jié)層對(duì)鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度（拉拔試驗(yàn)）

表5 60 ℃養(yǎng)生下的膠結(jié)料斷裂強(qiáng)度

上述基本性能試驗(yàn)（見(jiàn)表3、表4、表5）結(jié)果表明，該黏結(jié)層在150 ℃保溫1～2 h 的理想固化條件下性能優(yōu)良。 模擬夏季60 ℃的地表高溫時(shí)，膠膜強(qiáng)度逐漸增加， 表明膠結(jié)料在此溫度下可持續(xù)固化。這意味著，即使工地上的鋪裝混合料不能給黏結(jié)層提供150 ℃、1～2 h 的連續(xù)熱量時(shí)，通過(guò)一段時(shí)間的夏季高溫，該黏結(jié)層依然可以良好固化。

2.3 與其他界面黏結(jié)材料的對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比材料常采用的高黏改性瀝青、瀝青防水涂料（乳化瀝青）和水乳性環(huán)氧瀝青等。 試驗(yàn)表明，二階熱固性環(huán)氧瀝青的黏結(jié)性能最好，特別在高溫狀態(tài)下，其黏結(jié)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于瀝青類(lèi)的黏結(jié)材料（見(jiàn)表6）。 其原因是，二階熱固的黏結(jié)層表面在熱料攤鋪時(shí)表現(xiàn)為熔融狀態(tài)，與熱拌瀝青混合料相親相融并在熱量幫助下實(shí)現(xiàn)固化。

表6 不同黏結(jié)材料層間拉拔試驗(yàn)

3 二階熱固性環(huán)氧瀝青的施工特性和要求

熱固性環(huán)氧瀝青在常溫下比較黏稠，不易進(jìn)行涂布或?yàn)⒉际┕ぁ?界面涂布（灑布）施工前需要分別對(duì)A、B 組分進(jìn)行預(yù)熱，降低其初始黏度。 當(dāng)預(yù)熱溫達(dá)到為70 ℃～80 ℃時(shí)， 膠結(jié)料的初始黏度接近于1.0 Pa·S，涂布（灑布）施工比較麻煩。操作時(shí)將已經(jīng)加熱的A、B 組分分別稱(chēng)量好，當(dāng)涂布（灑布）施工擬開(kāi)始時(shí)，將A、B 組分按比例混合并添加催化劑。 一旦A、B 混合并添加催化劑， 膠結(jié)料黏度會(huì)迅速增加，涂布或?yàn)⒉际┕け仨氃谝?guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。 因此，各項(xiàng)準(zhǔn)備工作必須提前做好，催化劑添加后應(yīng)立即開(kāi)始施工并盡快完成。

4 結(jié)語(yǔ)

二階熱固性環(huán)氧瀝青新材料工作原理清晰，作為界面黏結(jié)層時(shí)，可以有效地減小鋪裝混合料與界面的空隙，提高鋪裝層與界面的黏結(jié)能力。 熱拌瀝青混合料與環(huán)氧瀝青黏結(jié)界面的熔融相接還可有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。 課題組研發(fā)的二階環(huán)氧瀝青新材料綜合價(jià)格低廉，雖目前的施工還不夠方便，但通過(guò)對(duì)材料特性的進(jìn)一步改進(jìn)，應(yīng)有良好的應(yīng)用前景。