孟利強(qiáng)
(山西省智慧交通研究院有限公司,山西 太原 030000)
環(huán)氧瀝青是一種由基質(zhì)瀝青、環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑以及其他外摻劑經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的一種熱固性材料。根據(jù)施工溫度不同可將環(huán)氧瀝青分為冷拌環(huán)氧瀝青(水性環(huán)氧乳化瀝青)、溫拌環(huán)氧瀝青及熱拌環(huán)氧瀝青[1]。與冷拌環(huán)氧瀝青相比,溫拌環(huán)氧瀝青等待破乳時(shí)間,瀝青黏度成長(zhǎng)較快,路面開(kāi)放時(shí)間較早;與熱拌環(huán)氧瀝青相比,溫拌環(huán)氧瀝青施工過(guò)程能耗可降低30%以上[2],且容留時(shí)間較長(zhǎng)。因此,溫拌環(huán)氧瀝青得到廣泛關(guān)注。
根據(jù)已有的研究成果,溫拌環(huán)氧瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能,在橋面鋪裝、“白改黑”等多種鋪面結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[3],但其仍然面臨一些基礎(chǔ)問(wèn)題。固化特征是環(huán)氧瀝青的本質(zhì)屬性,其區(qū)別于傳統(tǒng)的熱塑型瀝青,掌握溫拌環(huán)氧瀝青固化特征可以指導(dǎo)其工程應(yīng)用?;诖?,該文在不同加熱溫度、剪切速度及組分比例條件下制備溫拌環(huán)氧瀝青并進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn),以瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度為指標(biāo)分析其固化行為規(guī)律,并建立其布什黏度預(yù)估模型,以期為溫拌環(huán)氧瀝青路面的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。
該研究所采用的國(guó)產(chǎn)溫拌環(huán)氧瀝青由雙組分混合制備,其中A 組分為環(huán)氧樹(shù)脂,經(jīng)測(cè)試其技術(shù)指標(biāo)列于表1,B 組分為基質(zhì)瀝青、固化劑與外摻劑組成的混合物,其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。A 組分與B 組分完全固化后生成的溫拌環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。
表1 A 組分技術(shù)指標(biāo)
表2 B 組分技術(shù)指標(biāo)
表3 試驗(yàn)方案
表3 溫拌環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)已有的研究成果,環(huán)氧瀝青的固化過(guò)程是環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程[4]。不難推測(cè),該固化過(guò)程受到試驗(yàn)溫度、剪切速度、剪切時(shí)間以及A、B 組分比例的影響,因此制定的試驗(yàn)方案進(jìn)行溫拌環(huán)氧瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn),見(jiàn)表3。
該研究試驗(yàn)所用儀器為上海昌吉布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀NDJ-1D,其主要技術(shù)參數(shù)如下。1) 測(cè)量范圍:1×102mPa·s~2×106mPa·s。2)轉(zhuǎn)子規(guī)格:1、27、28、29 號(hào)四種轉(zhuǎn)子。3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速:0.5r/min、1r/min、2r/min、5r/min、10r/min、20r/min、50r/min 七檔。4)控溫范圍:20℃~200℃。5)控溫精度:±0.1℃;6)盛樣筒容積:20mL。
該研究溫拌環(huán)氧瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)步驟如下(以方案①為例),試驗(yàn)過(guò)程示意圖如圖1 所示。1) 以mA ∶mB=1 ∶5(質(zhì)量比)稱取A 組分與B 組分相應(yīng)質(zhì)量并分裝至盛樣容器中,同時(shí)將轉(zhuǎn)子和盛樣筒一起置于烘箱中加熱至110℃保溫60 min 備用。2)設(shè)定布氏旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試儀溫度控制系統(tǒng)為110℃,根據(jù)估計(jì)的環(huán)氧瀝青黏度選擇轉(zhuǎn)子。3)調(diào)整布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀水平水準(zhǔn)器氣泡處于居中狀態(tài)。4)從烘箱中取出轉(zhuǎn)子和盛樣筒,分別安裝到黏度計(jì)上:首先,用鉗子把盛樣筒放置到加熱器內(nèi)孔中,然后將選定的轉(zhuǎn)子、連接鉤及過(guò)渡螺桿按次序連好,將轉(zhuǎn)子放入盛樣筒。5)向黏度測(cè)試儀的盛樣筒中添加步驟(1)中準(zhǔn)備好的環(huán)氧瀝青A 組分與B 組分。6)調(diào)節(jié)黏度測(cè)試儀高度,使轉(zhuǎn)子插進(jìn)盛樣筒的環(huán)氧瀝青液面中,轉(zhuǎn)子應(yīng)完全沒(méi)入但不接觸盛樣筒底部。7)啟動(dòng)布旋轉(zhuǎn)黏度儀,轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min,觀察讀數(shù),扭矩讀數(shù)應(yīng)在10%~98%,不在該范圍時(shí)應(yīng)更換轉(zhuǎn)子。8)每隔5 min 觀測(cè)并記錄環(huán)氧瀝青旋轉(zhuǎn)黏度值,測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)達(dá)到2 h 后停止試驗(yàn)。
圖1 試驗(yàn)過(guò)程示意圖
不同加熱溫度下溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度隨時(shí)間變化曲線如圖2 所示。可以看到,溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增大,增長(zhǎng)速率先變大后變小,且在60 min 附近增長(zhǎng)速率達(dá)到最大值,溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)“S”形增長(zhǎng)曲線。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)穿插于基質(zhì)瀝青中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5],使瀝青短時(shí)間內(nèi)黏度迅速升高;隨著固化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑含量減少、濃度降低,瀝青的黏度增長(zhǎng)速度減緩。
此外,可以觀察到加熱溫度對(duì)溫拌環(huán)氧瀝青黏度的成長(zhǎng)作用顯著,隨著加熱溫度升高,溫拌環(huán)氧瀝青黏度及其增長(zhǎng)速率大幅提升,當(dāng)反應(yīng)60 min 時(shí),溫拌環(huán)氧瀝青黏度及其增長(zhǎng)速率分別增加1.1、4.3 倍。這是因?yàn)闇囟仍礁?,環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑分子運(yùn)動(dòng)越劇烈,提高了固化反應(yīng)速度以及瀝青黏度。在工程應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件(例如運(yùn)輸距離、交通管制等)選擇適當(dāng)加熱溫度以便更好地控制溫拌環(huán)氧瀝青混合料的拌合、攤鋪與壓實(shí)工作。
不同剪切速度下溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示??梢钥吹?,剪切速度對(duì)溫拌環(huán)氧瀝青的黏度有重要影響。一方面,當(dāng)剪切速度較低時(shí),溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)率先增大后變小,當(dāng)剪切速度較高時(shí),其黏度增長(zhǎng)率持續(xù)變小。另一方面,隨著剪切速度增加,溫拌環(huán)氧瀝青黏度仍然隨反應(yīng)時(shí)間的增加而升高,但黏度增長(zhǎng)值和增長(zhǎng)速率反而逐漸降低,當(dāng)剪切時(shí)間為60 min 時(shí),溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)率降低了約15%。這主要是由于固化反應(yīng)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)尚未穩(wěn)定,在較大的剪切力作用下部分結(jié)構(gòu)受到破壞,從而使瀝青黏度增長(zhǎng)變緩。因此,為了充分利用溫拌環(huán)氧瀝青的強(qiáng)度特性,在制備過(guò)程中剪切速度不宜過(guò)高。
圖3 不同剪切速度環(huán)氧瀝青布氏黏度變化曲線
不同A、B 組分質(zhì)量比條件下溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。從圖中可以觀察到,當(dāng)A、B組分質(zhì)量比由1 ∶5 降至1 ∶10 后,雖然溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)趨勢(shì)沒(méi)有顯著改變,但是在相同時(shí)刻其布氏黏度值明顯降低,且增長(zhǎng)速率較早進(jìn)入緩慢階段。這主要是由于固化劑含量降低,環(huán)氧樹(shù)脂未能全部與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而影響三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完整性與致密性。因此,應(yīng)根據(jù)溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)規(guī)律調(diào)整合適的A 組分與B 組分的質(zhì)量比例,避免浪費(fèi)溫拌環(huán)氧瀝青組成材料。
由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,溫拌環(huán)氧瀝青的黏度受到反應(yīng)時(shí)間、加熱溫度、剪切速度以及組分比的影響,這直接導(dǎo)致溫拌環(huán)氧瀝青混合料的施工質(zhì)量控制較為困難[6]。因此,將溫拌環(huán)氧瀝青應(yīng)用于工程實(shí)踐中,有必要建立其黏度預(yù)估模型。
根據(jù)溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度增長(zhǎng)規(guī)律特征,可參考Sigmodal 函數(shù)[7]建立其黏度預(yù)估模型,經(jīng)修正后該模型如公式(1)所示。
式中:η為溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度,Pa·s;t為反應(yīng)時(shí)間,min;δ、α、β為回歸系數(shù)。
采用1stOpt 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)不同試驗(yàn)條件下溫拌環(huán)氧瀝青黏度進(jìn)行數(shù)值擬合,經(jīng)非線性回歸分析得到結(jié)果如圖4和表4 所示。
圖4 溫拌環(huán)氧瀝青黏度擬合曲線
表4 溫拌環(huán)氧瀝青黏度模型擬合參數(shù)
從圖4 和表4 可以看出,該修正模型預(yù)測(cè)溫拌環(huán)氧瀝黏度值與實(shí)際測(cè)量值十分接近,擬合精度達(dá)到0.990 以上,說(shuō)明該模型在溫拌環(huán)氧瀝青工程應(yīng)用中可靠性良好。同時(shí),根據(jù)該模型可以推測(cè)任意時(shí)刻溫拌環(huán)氧瀝青黏度大小,進(jìn)而計(jì)算其容留時(shí)間,從而為溫拌環(huán)氧瀝青路面的鋪筑提供理論指導(dǎo)。
我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)采用瀝青在(0.28±0.03) Pa·s 對(duì)應(yīng)的加熱溫度作為瀝青混合料的壓實(shí)溫度[8],這對(duì)溫拌環(huán)氧瀝青隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)的黏度特性是不合理的。已有的研究結(jié)果表明,不同類型環(huán)氧瀝青其施工黏度控制標(biāo)準(zhǔn)不同[9],但整體上推薦環(huán)氧瀝青的施工黏度下限為1.0 Pa·s,并將其對(duì)應(yīng)的黏度成長(zhǎng)時(shí)間作為環(huán)氧瀝青施工容留時(shí)間。
基于此,該研究以1.0 Pa·s 作為溫拌環(huán)氧瀝青目標(biāo)黏度,結(jié)合上述黏度預(yù)估模型擬合結(jié)果,可以得到方案①~方案④所需時(shí)間分別為45 min、24 min、70 min 以及80 min。進(jìn)一步分析可知,當(dāng)反應(yīng)溫度從110 ℃升至130 ℃時(shí),溫拌環(huán)氧瀝青施工容留時(shí)間減少近46.7%,但在2 h 內(nèi)其黏度最大值增大了66.9%,這說(shuō)明在允許容留時(shí)間內(nèi),適當(dāng)增加溫度可以使溫拌環(huán)氧瀝青路面強(qiáng)度成型。當(dāng)剪切速率從20 r/min 升至50 r/min 時(shí),溫拌環(huán)氧瀝青施工容留時(shí)間增加55.6%,但其黏度最大值卻降低了約72.4%;當(dāng)A 組分與B 組分質(zhì)量比由1 ∶5 降至1 ∶10 后,溫拌環(huán)氧瀝青施工容留時(shí)間增加77.8%,但其黏度最大值卻降低約33.7%。再次表明過(guò)大的剪切速率及較低的A、B 組分比并不能充分發(fā)揮溫拌環(huán)氧瀝青的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。
該文對(duì)溫拌環(huán)氧瀝青在不同加熱溫度、剪切速度及組分質(zhì)量比條件下進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn),以黏度為表征指標(biāo)分析其固化特征,得到以下4 個(gè)結(jié)論:1)溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨時(shí)間呈現(xiàn)“S”形增長(zhǎng)關(guān)系,溫度越高,其黏度增長(zhǎng)越快,固化反應(yīng)速度越快。2)溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨剪切速度的增加而降低,這主要是由于剪切速度過(guò)大會(huì)破壞部分固化反應(yīng)所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。3)縮減溫拌環(huán)氧瀝青A 組分與B 組分質(zhì)量比會(huì)顯著降低其黏度值及增長(zhǎng)速率,應(yīng)根據(jù)溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)規(guī)律調(diào)配合適材料組成比例。4)基于Sigmodal 函數(shù)建立的溫拌環(huán)氧瀝青黏度模型可以較為準(zhǔn)確地反映和預(yù)測(cè)其黏度隨時(shí)間的增長(zhǎng)規(guī)律,從而為溫拌環(huán)氧瀝青的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。