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        環(huán)氧瀝青混合料后摻法工藝正交試驗(yàn)及性能研究

        2021-11-08 11:26:06孫武云趙雁賓劉維娟張曉鋒封基良
        公路交通技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:馬歇爾穩(wěn)定度環(huán)氧

        馬 永, 孫武云, 趙雁賓, 劉維娟, 張曉鋒, 晏 永, 封基良

        (1.云南賓南高速公路有限責(zé)任公司,云南 大理 671000; 2.云南武倘尋高速公路有限責(zé)任公司, 昆明 650000; 3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 昆明 650000; 4.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院(云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室), 昆明 650500; 5.云南暢坦科技有限公司, 昆明 650000)

        環(huán)氧瀝青混合料是采用環(huán)氧瀝青作為膠結(jié)料,并與一定比例的集料、礦粉拌和而成的熱固性長壽命鋪裝材料,與普通瀝青混合料相比,具有強(qiáng)度高、剛性大等優(yōu)點(diǎn),且有良好的耐化學(xué)腐蝕能力、抗疲勞性能、抗車轍能力及水穩(wěn)定性。因其優(yōu)異的路用性能,在國內(nèi)多座大跨徑鋼橋面鋪裝工程中得到成功應(yīng)用[1-2]。經(jīng)過多年理論和實(shí)踐檢驗(yàn),我國已形成環(huán)氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工成套技術(shù),但對環(huán)氧瀝青混合料的研究尚未成熟,與之相關(guān)的施工技術(shù)仍待進(jìn)一步深入研究。

        環(huán)氧瀝青是由瀝青及助劑作為增柔、增韌相材料,環(huán)氧樹脂與固化劑固化物形成連續(xù)相的高溫不熔熱固性材料[3],是一種化學(xué)改性材料,隨著環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的進(jìn)行,黏度隨時(shí)間增加而增大。固化反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)會凝膠化,黏度迅速增加,并最終形成不熔不溶的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。環(huán)氧瀝青的化學(xué)反應(yīng)程度和速率受時(shí)間、溫度的影響很大。因環(huán)氧瀝青的容留時(shí)間短,且容留時(shí)間受溫度的影響非常大,故環(huán)氧瀝青混合料的施工條件十分苛刻[4]。環(huán)氧瀝青混凝土常規(guī)施工工藝流程如圖1所示。流程是將環(huán)氧瀝青A/B組分拌勻后與集料、礦粉填料等先進(jìn)行拌和,再經(jīng)等料、運(yùn)輸、現(xiàn)場待料、攤鋪及壓實(shí)等諸多環(huán)節(jié)方能完成施工。影響容留的環(huán)節(jié)多,運(yùn)輸過程、現(xiàn)場待料及攤鋪等環(huán)節(jié)時(shí)間不確定性大,導(dǎo)致環(huán)氧瀝青的施工風(fēng)險(xiǎn)高,容易出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷[5-7]。

        目前,解決環(huán)氧瀝青混合料黏度增長的方法主要有2種:1) 研制高品質(zhì)的環(huán)氧瀝青材料,減緩其黏度增長速度,延長容留時(shí)間[8-11];2) 結(jié)合環(huán)氧瀝青黏度增長規(guī)律及流變特征,合理預(yù)測環(huán)氧瀝青混凝土容留時(shí)間,以便制定更加合理的施工方案[12-15]。

        上述方法可在一定程度上提高施工質(zhì)量的可控性,但仍不能根本解決環(huán)氧瀝青混合料施工要求高、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大的問題。為此,本文采用正交試驗(yàn)分析環(huán)氧瀝青混合料性能影響因素,優(yōu)選了后摻法最佳制備工藝,并驗(yàn)證了該工藝的可行性[3,6]。

        圖1 環(huán)氧瀝青常規(guī)工藝流程

        1 后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料

        1.1 后摻法

        后摻法工藝分2階段添加發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的環(huán)氧瀝青B組分、A組分,具體工藝為:1) 將環(huán)氧瀝青中比例較高的環(huán)氧瀝青B組分在后場經(jīng)拌和樓與集料、礦粉等材料拌和;2) 將環(huán)氧瀝青B組分混合料運(yùn)到現(xiàn)場;3) 在攤鋪時(shí)通過專用后摻法攤鋪設(shè)備將環(huán)氧瀝青A組分以霧狀形式精確、智能添加到環(huán)氧B組分混合料中,并經(jīng)過霧狀噴灑、二級強(qiáng)制攪拌及螺旋布料器等多個(gè)裝置二次拌和均勻;4) 攤鋪、碾壓,完成整個(gè)施工流程,如圖2所示。與常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土施工工藝相比,后摻法施工工藝影響環(huán)氧瀝青容留的環(huán)節(jié)僅有攤鋪和碾壓2個(gè)環(huán)節(jié),攤鋪、碾壓施工過程一般少于10 min,能有效解決常規(guī)環(huán)氧瀝青混凝土施工工藝應(yīng)用范圍受限、施工風(fēng)險(xiǎn)高的問題,顯著增加施工可控性。

        1.2 試驗(yàn)材料

        環(huán)氧瀝青為自制雙組分環(huán)氧瀝青,A組分為環(huán)氧樹脂E51,B組分是由瀝青、固化劑及增韌劑、促進(jìn)劑等相關(guān)助劑共混而成的均質(zhì)混合物,A∶B=100∶903;粗集料為玄武巖、細(xì)集料為石灰?guī)r,經(jīng)檢測,粗、細(xì)集料所檢指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,環(huán)氧瀝青主要參數(shù)見表1,礦料級配見表2,油石比為6.8%。

        圖2 環(huán)氧瀝青后摻法工藝流程

        1.3 試件制備

        環(huán)氧瀝青混合料采用常規(guī)和后摻2種工藝制備。

        1) 常規(guī)工藝

        (1) 將環(huán)氧瀝青A組分加熱至60 ℃~80 ℃;(2) 將 120 ℃~140 ℃的環(huán)氧瀝青B組分按照100∶903的質(zhì)量比攪拌3 min~5 min均勻混合;(3) 按6.8%的油石比與120 ℃的礦質(zhì)集料進(jìn)行拌和,環(huán)氧瀝青混合料的成品溫度控制在110 ℃~120 ℃;(4) 拌和混合料運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場攤鋪、碾壓后完成施工。

        2) 后摻法

        (1) 將環(huán)氧瀝青B組分加熱至120 ℃~140 ℃后與120 ℃的集料、礦粉按6.1%的油石比進(jìn)行第一次拌和;(2) 將0.67%的A組分加熱至60 ℃~80 ℃;(3) 將加熱的A組分按量添加至環(huán)氧瀝青B組分混合料進(jìn)行二次拌和,混合料出料溫度為110 ℃~120 ℃。后摻法制備工藝的關(guān)鍵是第一次僅添加環(huán)氧B組分的混合料不能出現(xiàn)花白料,環(huán)氧瀝青A組分添加要準(zhǔn)確、二次拌和要均勻。

        每種工藝分別成型10個(gè)車轍板試件和25個(gè)馬歇爾試件。制件方式參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,車轍試件采用輪碾法制作,馬歇爾試件采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法制作。每組制備的5個(gè)馬歇爾試件常溫條件放置,其余試件均帶模具在120 ℃條件下養(yǎng)生4 h至完全固化。

        表1 環(huán)氧瀝青性能指標(biāo)

        表2 礦料級配

        1.4 性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法

        1) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn):試驗(yàn)溫度,采用恒位移控制模式,加速速率50 mm/min。試驗(yàn)前試件放置在60 ℃恒溫水浴30 min,浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)則在60 ℃恒溫水浴放置48 h,具體步驟和方法按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0709執(zhí)行。

        2) 車轍試驗(yàn):輪壓為0.7 MPa,試驗(yàn)溫度分別為60 ℃和80 ℃,具體步驟和方法按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0719執(zhí)行。

        3) 彎曲試驗(yàn):試驗(yàn)溫度-10 ℃,采用恒位移加載控制方式,加載速率50 mm/min。

        4) 熱固性試驗(yàn):將尺寸為250 mm×30 mm×35 mm小梁試件300 ℃烘箱保溫2 h。

        6) 耐腐蝕試驗(yàn):將尺寸為250 mm×30 mm×35 mm小梁試件分成3段置于60 ℃煤油中靜置7 d。

        2 性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

        按常規(guī)工藝及后摻法工藝制備的環(huán)氧瀝青混合料試件的體積指標(biāo)、馬歇爾穩(wěn)定度、低溫最大彎拉應(yīng)變、60 ℃動穩(wěn)定度與凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比等試驗(yàn)結(jié)果見表3,熱固性及耐腐蝕試驗(yàn)后圖片分別如圖3、圖4所示。

        對比表3的性能指標(biāo),未固化試件穩(wěn)定度、流值、體積指標(biāo)、殘留穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比變化很小,但固化試件馬歇爾穩(wěn)定度、車轍動穩(wěn)定度存在一定程度的衰減,表明環(huán)氧瀝青二次拌和會影響環(huán)氧體系材料接觸,固化反應(yīng)程度有所降低,但所有指標(biāo)均滿足GB/T 30598—2014《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》中鋼橋鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的技術(shù)要求。

        表3 不同工藝環(huán)氧瀝青混合料試件試驗(yàn)結(jié)果

        圖3 240 ℃下-4 h的環(huán)氧瀝青混合料

        圖4 60 ℃煤油-7 d下的環(huán)氧瀝青混合料

        后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料彎曲小梁試件在240 ℃烘箱中保溫4 h和在60 ℃煤油中浸泡7 d后的圖片如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出,試件均未松散,仍有一定強(qiáng)度,足以證明后摻入的環(huán)氧瀝青A組分與環(huán)氧瀝青B組分中的固化劑發(fā)生了固化反應(yīng),轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦圆牧稀?/p>

        從上述試驗(yàn)及分析可得出結(jié)論:環(huán)氧瀝青混合料的后摻法工藝制備的環(huán)氧瀝青混合料能實(shí)現(xiàn)環(huán)氧瀝青熱塑性向熱固性轉(zhuǎn)變,且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。但二次拌和會導(dǎo)致少量環(huán)氧樹脂和固化劑未接觸,造成環(huán)氧瀝青固化物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度減少,進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)氧瀝青膠結(jié)料強(qiáng)度較低。

        3 關(guān)鍵因素對后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料性能的影響及分析

        為分析拌和時(shí)間、拌和成型溫度及環(huán)氧瀝青材料組分變化3個(gè)關(guān)鍵因素對后摻法制備環(huán)氧瀝青混合料的性能影響,基于馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)測試簡單,且變化顯著,因此,在室內(nèi)開展了三因素三水平正交試驗(yàn)。

        3.1 馬歇爾穩(wěn)定度正交試驗(yàn)

        試驗(yàn)設(shè)計(jì)以A/B組分比例、拌和溫度、拌和時(shí)間為主要因素,每個(gè)因素各選取3個(gè)水平。選用L9(34)正交表開展試驗(yàn)設(shè)計(jì),制件后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn),因素水平設(shè)計(jì)見表4。

        表4 后摻法環(huán)氧瀝青混合料正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析及方差分析

        正交試驗(yàn)馬歇爾穩(wěn)定度極差及各因素的方差采用大型SPSS(Statistical Product and Service Solutions)軟件計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表5。

        表5 環(huán)氧瀝青混凝土正交試驗(yàn)馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)測結(jié)果

        從表5可以看出,各影響因素馬歇爾穩(wěn)定度的極差RA>RC>RB,說明A/B組分摻量對環(huán)氧瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度的影響顯著。隨著溫度升高,環(huán)氧瀝青黏度降低,影響到成型試件質(zhì)量,因而溫度對馬歇爾穩(wěn)定度有一定影響。時(shí)間對環(huán)氧瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度的影響較小,表明經(jīng)一次拌和均勻后,二次拌和更容易拌和均勻。按各因素正交試驗(yàn)極差結(jié)果確定最佳工藝為A3B3C1。按最佳工藝A3B3C1制備環(huán)氧瀝青混合料,實(shí)測馬歇爾穩(wěn)定度分別為146.1 kN、154.8 kN、141.2 kN、150.7 kN,均值為148.2 kN,試驗(yàn)結(jié)果均高于9組正交試驗(yàn)的結(jié)果,有效證明了優(yōu)選結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        在任何試驗(yàn)過程中,都存在試驗(yàn)誤差,試驗(yàn)誤差通??梢院雎圆挥?jì)。試驗(yàn)誤差和各因素水平引起的波動和變化可通過表6方差分析區(qū)分開來,并能分析出各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著程度。

        表6 環(huán)氧瀝青混凝土正交試驗(yàn)穩(wěn)定度方差分析

        從表6可以看出,F(xiàn)B、FC遠(yuǎn)小于FA,F(xiàn)A分別是FB、FC的58.7、69.4倍,據(jù)此可知因素A(A/B組分比例)對環(huán)氧瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度影響最顯著,因素B(拌和時(shí)間)與因素C(拌和溫度)對馬歇爾穩(wěn)定度的影響則相對較小。

        4 結(jié)束語

        1) 后摻法工藝制備的環(huán)氧瀝青混合料性能雖較常規(guī)工藝馬歇爾穩(wěn)定度衰減29.2%,60 ℃車轍動穩(wěn)定度衰減約20%,其它指標(biāo)如未固化穩(wěn)定度、流值、水穩(wěn)定性及低溫彎拉應(yīng)變等差異在5%以內(nèi),且性能結(jié)果滿足要求。通過適當(dāng)提高樹脂摻量,改變A/B組分比例,可實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)不衰減甚至略有增大,表明后摻工藝可行、有效。

        2) 環(huán)氧瀝青A/B組分比例的F值分別是拌和時(shí)間、拌和溫度的58.7、69.4倍,對混合料的性能影響最為顯著,實(shí)際施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該指標(biāo)的控制。

        3) 與常規(guī)工藝性能相當(dāng)或更優(yōu)的后摻法最佳組合為:環(huán)氧瀝青A/B組分比例為100∶903,拌和溫度為120 ℃,后摻拌和時(shí)間為60 s。

        4) 試驗(yàn)表明,后摻法環(huán)氧瀝青混合料制備工藝是一種可行的新型工藝。該工藝能從本質(zhì)上解決環(huán)氧瀝青混合料施工容留時(shí)間短而造成的質(zhì)量問題,且無需專門建設(shè)拌和樓,很大程度上降低了工程造價(jià),有利于環(huán)氧瀝青鋪裝材料的推廣和應(yīng)用。

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