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        水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層設(shè)計(jì)與性能研究

        2024-12-09 00:00:00丁林
        河南科技 2024年21期

        摘 要:【目的】研究水性環(huán)氧瀝青混合料在瀝青混凝土路面表層的應(yīng)用效果。【方法】以水性環(huán)氧瀝青作為膠結(jié)料,從原材料質(zhì)量要求、級(jí)配、最佳油石比設(shè)計(jì)、拌和工藝,以及擊實(shí)、養(yǎng)生方式等方面進(jìn)行設(shè)計(jì),得出水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的最優(yōu)配合比和制備方法;按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)范對(duì)其混合料試件的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等相關(guān)路用性能進(jìn)行研究?!窘Y(jié)果】結(jié)果表明:當(dāng)油石比為7.5%時(shí),瀝青混合料表現(xiàn)出良好的抗車轍性能和抗水損害性能。【結(jié)論】研究成果可水性環(huán)氧瀝青在路面表層的應(yīng)用提供依據(jù),但其抗低溫開(kāi)裂性較差、韌性不足,若要應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)仍需進(jìn)一步改善。

        關(guān)鍵詞:水性環(huán)氧瀝青;超薄磨耗層;配合比設(shè)計(jì);路用性能

        中圖分類號(hào):TU535 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003-5168(2024)21-0073-06

        DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.015

        Design and Performance Study of OGFC Ultra-thin Wear Layer for Waterborne Epoxy Asphalt

        DING Lin

        (Zhejiang Baihong Construction Technology Co., Ltd., Hangzhou 310057, China)

        Abstract: [Purposes] This paper aims to study the application effect of waterborne epoxy asphalt mixture on the surface of asphalt concrete pavement. [Methods] This article uses waterborne epoxy asphalt as teb202b6c521be465447bdb1fe5d66684he binder, and designs the optimal mix ratio and preparation method for waterborne epoxy asphalt OGFC ultra-thin wear layer mixture from the aspects of raw material quality requirements, gradation and optimal oil stone ratio design, mixing process, compaction and curing methods; meanwhile, according to JTG E20—2011, the high-temperature stability, water stability, and low-temperature crack resistance related road performance of the mixed material specimens were studied. [Findings] The test results show that when the oil stone ratio is 7.5%, the asphalt mixture exhibits good resistance to rutting and water damage. [Conclusions] The research results provide a basis for the application of waterborne epoxy asphalt in road surface layers, but since its low temperature cracking resistance and toughness are poor further improvement is needed for its application in cold regions.

        Keywords: waterborne epoxy asphalt; ultra-thin wear layer; mix proportion design;pavement performance

        0 引言

        乳化瀝青混合料因其常溫可拌和性、施工便捷性和環(huán)保特性,廣泛應(yīng)用于修補(bǔ)路面坑洼、稀漿封層和微表處理等領(lǐng)域。然而,與熱拌瀝青混合料相比,乳化瀝青混合料存在黏結(jié)性能差、強(qiáng)度形成速度緩慢、整體強(qiáng)度較弱等缺點(diǎn),對(duì)其應(yīng)用范圍產(chǎn)生了限制[1-2],因此,需要對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性,從而提高瀝青混合料的黏接強(qiáng)度、整體強(qiáng)度、高溫性質(zhì)及抗變形能力。水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑體系在常溫或潮濕環(huán)境下能有效固化,固化后的產(chǎn)物具有高交聯(lián)密度和優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性,將其融入乳化瀝青不僅能提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性和耐高溫能力,還能讓混合料展現(xiàn)早期強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)[3]。余定洋[4]對(duì)水性環(huán)氧改性乳化瀝青的流變性進(jìn)行了研究,通過(guò)流變學(xué)原理解釋了水性環(huán)氧的改性作用,結(jié)果表明當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂含量為15%時(shí)有助于混合料強(qiáng)度和高溫性能的進(jìn)一步提升;Zhang[5]通過(guò)剪切強(qiáng)度測(cè)試和黏度測(cè)試,對(duì)瀝青黏接層的材料特性進(jìn)行了評(píng)估。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,通過(guò)引入丁苯膠乳和水性環(huán)氧樹(shù)脂能顯著優(yōu)化黏接層的高溫、低溫性能和抗剪切能力。李亞菲[6]采用加速加載與疲勞試驗(yàn)方法,研究了水性環(huán)氧乳化瀝青冷再生混合料的道路應(yīng)用性能。研究發(fā)現(xiàn),加入2.5%的水性環(huán)氧樹(shù)脂后,混合料的早期強(qiáng)度、耐高低溫性能和耐久性顯著增強(qiáng)。

        本研究通過(guò)對(duì)原料的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、混合料的級(jí)配優(yōu)化與油石比例的最佳設(shè)定、拌和過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn),以及混合料的擊實(shí)、養(yǎng)護(hù)方法等方面進(jìn)行探究,確定了水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的最佳配比及其制備工藝。依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對(duì)該混合料在道路使用中的性能進(jìn)行了研究,以期開(kāi)發(fā)出一種既具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的黏結(jié)性能和高溫穩(wěn)定性,又滿足環(huán)保要求的水性環(huán)氧瀝青混合料。

        1 原材料及試驗(yàn)方法

        1.1 原材料

        1.1.1 水性環(huán)氧瀝青及固化劑。瀝青的選取對(duì)瀝青路面的性能和使用壽命至關(guān)重要。開(kāi)級(jí)配排水式瀝青磨耗層(OGFC)具有較大的空隙結(jié)構(gòu),因此,采用的瀝青膠結(jié)料必須具有較好的黏結(jié)性。本研究選用水性環(huán)氧瀝青,其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

        1.1.2 粗集料。OGFC中,粗集料需具有堅(jiān)固的質(zhì)地、良好的耐磨性、相對(duì)清潔且不包含任何風(fēng)化的優(yōu)質(zhì)石料顆粒,如玄武巖等均可選用,其性能指標(biāo)須滿足JTG F40—2004技術(shù)規(guī)范的要求,具體見(jiàn)表2。

        1.1.3 細(xì)集料。細(xì)骨料應(yīng)采用耐磨性好、硬度高的圓形或多棱形的天然砂或機(jī)制砂且粒徑分布在一定范圍內(nèi)。其技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)符合JTG F40—2004技術(shù)規(guī)范的要求,具體見(jiàn)表3。

        1.1.4 礦粉。本研究選用石灰?guī)r礦粉作為填料,用于填充瀝青混合料中的空隙,提高混合料的密實(shí)性,增加路面的穩(wěn)定性,其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。將成型并養(yǎng)護(hù)好的馬歇爾試件置于DF-3數(shù)顯全自動(dòng)馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定儀的上下壓頭中,設(shè)定加載速率為50 mm/min,啟動(dòng)設(shè)備,使試件承受荷載,讀取穩(wěn)定度和流值。

        1.2.2 肯特堡飛散試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)好的試件取出并稱量試件的初始重量,然后放入洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中,不加鋼球,蓋緊蓋子啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī),以30~33 r/min的速度轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn),打開(kāi)蓋子稱取試件質(zhì)量和碎石質(zhì)量,計(jì)算出飛散損失。

        1.2.3 車轍試驗(yàn)。采用HYCX-1車轍試樣成型機(jī)制備出300 mm×300 mm×50 mm的混凝土車轍板,并通過(guò)瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行車轍試驗(yàn)。

        1.2.4 浸水馬歇爾試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求將制備好的試件分為兩組,一組在60 ℃恒溫水箱中養(yǎng)護(hù)30 min,另外一組養(yǎng)護(hù)2 d,分別對(duì)兩組試件進(jìn)行穩(wěn)定度試驗(yàn)。

        1.2.5 凍融劈裂試驗(yàn)。按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)范要求,將試件分為兩組,一組不做處理,另一組進(jìn)行真空保水試驗(yàn)和水浴養(yǎng)護(hù)。利用凍融劈裂試驗(yàn)儀分別測(cè)出兩組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度,計(jì)算得出劈裂抗拉強(qiáng)度比。

        1.2.6 低溫彎曲試驗(yàn)。將成型好的車轍板切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁,在-10 ℃±0.5 ℃的試驗(yàn)條件下,利用瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

        2 配合比設(shè)計(jì)

        排水瀝青路面磨耗層空隙率普遍較大,有助于將路表積水引至下面層,最終通過(guò)道路邊緣排出,同時(shí)也能起到降噪、抗滑的作用,但空隙過(guò)大會(huì)影響混凝土密實(shí)度,導(dǎo)致飛散損失。因此,需要通過(guò)降低級(jí)配的空隙率以保證薄層具有良好的抗飛散能力。綜合考慮瀝青路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與使用性,目標(biāo)孔隙率設(shè)計(jì)為16%最適宜。

        2.1 礦料級(jí)配確定

        本研究以O(shè)GFC-10開(kāi)級(jí)配作為設(shè)計(jì)研究對(duì)象,首先對(duì)礦料進(jìn)行篩分,見(jiàn)表5。根據(jù)篩分結(jié)果和目標(biāo)空隙率合成最終級(jí)配,結(jié)果見(jiàn)表6和圖1。

        2.2 混合料拌和工藝及外加水的確定

        經(jīng)拌和試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),僅靠水性環(huán)氧瀝青自身的水分對(duì)集料進(jìn)行拌和遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,需要通過(guò)外加水對(duì)集料進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕,從而提高拌和物的工作度,但水不宜多加,加水過(guò)多會(huì)密閉在混合料內(nèi)部,影響成型試件的早期強(qiáng)度[7]。此外,礦粉的添加順序也會(huì)對(duì)和易性和馬歇爾試件成型效果產(chǎn)生影響。本研究選擇以下兩種拌和方式(先加礦粉、后加礦粉),對(duì)不同外加水量(礦料質(zhì)量的1%、1.5%、2%)混合料拌和時(shí)狀態(tài)(如圖2所示)及成型馬歇爾試件穩(wěn)定度(60 ℃養(yǎng)生3 d)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。其中水性環(huán)氧瀝青添加量是根據(jù)《陽(yáng)離子乳化瀝青》(SH/T 0624—1995)中推薦的添加量計(jì)算公式所得,初始摻量為7.0%[8]。

        方式1:按照配比將事先稱量好的集料、礦粉和水預(yù)先拌和,再加入瀝青膠結(jié)料攪拌至均勻,成型馬歇爾試件(一次性雙面各擊實(shí)50次)。

        方式2:首先將稱量好的集料和水加入攪拌機(jī)中與分散,其次加入瀝青膠結(jié)料進(jìn)行攪拌,最后加入礦粉攪拌至均勻,成型馬歇爾試件(一次性雙面各擊實(shí)50次)。

        從表7和圖2可以看出,外加水量能明顯改善混合料拌和時(shí)的和易性和流動(dòng)性,使得混合料表面濕潤(rùn),延緩乳化瀝青的破乳且選用后加礦粉的拌和方式制備出的馬歇爾試件穩(wěn)定度更高。這是因?yàn)椴捎孟燃拥V粉的拌和方式時(shí)瀝青膠結(jié)料最先與礦粉結(jié)合,出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,使得大粒徑集料瀝青膜較薄,集料間黏結(jié)力不足而導(dǎo)致試件整體結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)。此外,從馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果可以看出,外加水量也不是越多越好,當(dāng)外加水量提高到2%時(shí),穩(wěn)定度反而降低了,其原因可能是混凝土試件表面水分在經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后揮發(fā)了,但內(nèi)部水難以揮發(fā),從而影響了混合料初始強(qiáng)度。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知,選用后加礦粉,外加水量為1.5%時(shí)拌和效果最佳。

        2.3 擊實(shí)與養(yǎng)生條件的確定

        擊實(shí)次數(shù)和養(yǎng)生條件同樣會(huì)對(duì)馬歇爾試件性能產(chǎn)生影響。本研究采用馬歇爾試驗(yàn)方法成型試件,并在已有研究成果的基礎(chǔ)上[9],設(shè)計(jì)3種擊實(shí)與養(yǎng)生方法,具體如下:①雙面各擊實(shí)50次,放入60 ℃烘箱中養(yǎng)生7 d;②雙面各擊實(shí)75次,放入60 ℃烘箱中養(yǎng)生7 d;③先雙面各擊實(shí)50次,60 ℃ 烘箱養(yǎng)生3 d后,取出再雙面擊實(shí)25次,放入烘箱中60 ℃養(yǎng)生4 d。

        選用同樣油石比7.0%且按照如上3種方法制備和養(yǎng)護(hù)試件,并測(cè)試其穩(wěn)定度,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

        由表8可知,采用一次性雙面擊實(shí)75次,60 ℃烘箱養(yǎng)生7 d的方式制備出的馬歇爾試件穩(wěn)定度最高,達(dá)到18.17 kN,而采用分兩次擊實(shí)的馬歇爾試件穩(wěn)定度最低。其原因可能是,一次性雙面擊實(shí)75次使得馬歇爾試件整體結(jié)構(gòu)更為密實(shí),更有利于混合料強(qiáng)度的形成,而分兩次擊實(shí)可能會(huì)破壞水性環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)料的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和混合料骨架結(jié)構(gòu),反而降低了混合料試件的最終強(qiáng)度。

        2.4 最佳油石比確定

        根據(jù)以上確定的級(jí)配組成、外加水量、最佳拌和工藝,以及最佳制備養(yǎng)護(hù)條件,采用修正馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)確定水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的最佳油石比。以初始瀝青添加量7.0%為基礎(chǔ),0.5%的用量間隔成型馬歇爾試件(礦料總質(zhì)量的6.0%、6.5%、7.0%、7.5%)如圖3所示。分別對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

        由表9可知,隨著水性環(huán)氧瀝青添加量的不斷提高,混合料馬歇爾穩(wěn)定度不斷提高,飛散損失量逐漸減少,這主要得益于水性環(huán)氧瀝青的引入增強(qiáng)了乳化瀝青混合料的黏結(jié)性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)添加量提高到8.0%時(shí),混合料穩(wěn)定度反而下降,分析其原因,一方面可能是當(dāng)水性環(huán)氧乳化瀝青的摻量較少時(shí),混合料內(nèi)部膠凝材料和表面有所欠缺,進(jìn)而影響了骨料之間的黏附性,降低了混合料的密實(shí)性,使得空隙率增大,最終導(dǎo)致混合料強(qiáng)度降低;另一方面,隨著添加量逐漸增大,混合料中的自由瀝青也增多,增加了瀝青的流動(dòng)性,對(duì)混合料的成型效果產(chǎn)生了負(fù)面影響,造成了強(qiáng)度下降和流值增加的現(xiàn)象。此外,瀝青膠結(jié)料的增加無(wú)形中也會(huì)增加總加水量,多余的水分隱藏在混合料試件內(nèi)部,同樣會(huì)影響混合料的強(qiáng)度。綜合以上,確定混合料最佳油石比為7.5%。

        3 路用性能

        根據(jù)上文確定的最佳制樣方法及最佳油石比,分別成型馬歇爾試件與車轍試驗(yàn)板,并按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)范要求對(duì)其路用性能進(jìn)行檢測(cè)并評(píng)價(jià)。

        3.1 高溫穩(wěn)定性

        OGFC超薄磨耗層作為路表結(jié)構(gòu)層,與外界環(huán)境直接接觸。在夏季高溫天氣,路表溫度急速上升,瀝青混合料路面材料勁度模量和抗剪強(qiáng)度迅速降低,在重載車輛荷載作用下,如果面層混合料沒(méi)有良好的耐高溫性能,極易產(chǎn)生推移、車轍、擁包等路面病害現(xiàn)象。本研究采用瀝青混合料自動(dòng)車轍儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)(車轍試件為成型后60 ℃養(yǎng)生3 d),探究水性環(huán)氧瀝青混合料高溫穩(wěn)定性,通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)其在高溫環(huán)境下抵抗軸載塑性變形的能力,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

        由表10可知,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最高能達(dá)到8 658.282次/mm,是技術(shù)規(guī)范要求的2.47倍,說(shuō)明水性環(huán)氧瀝青混合料具有較強(qiáng)的高溫抗車轍性能。分析其原因,水性環(huán)氧瀝青膠結(jié)料中摻入了水性環(huán)氧樹(shù)脂,含有環(huán)氧基團(tuán),與固化劑中的活性氫發(fā)生固化反應(yīng),形成立體網(wǎng)狀聚合物,將混合骨料包裹其中,增強(qiáng)了環(huán)氧瀝青的黏結(jié)性,促進(jìn)骨料間的密實(shí)黏結(jié),從而提升了混合料在高溫條件下的抗車轍能力。

        3.2 水穩(wěn)定性

        水穩(wěn)定性是評(píng)估瀝青路面抗水損害的關(guān)鍵指標(biāo)。OGFC具有高空隙率,能夠確保路面排水效果,但也存在水損害隱患,對(duì)冷拌瀝青尤為嚴(yán)重。路面空隙中的水分,在汽車荷載作用下,會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)水壓力,對(duì)膠結(jié)料和礦料進(jìn)行反復(fù)的沖刷,致使瀝青膠結(jié)料與礦料間的黏附力下降,倘若瀝青混合料長(zhǎng)期在濕度較大、低溫凍融等環(huán)境條件下,路面結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)強(qiáng)度則會(huì)降低[10]。本研究按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)范要求,根據(jù)浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度兩項(xiàng)數(shù)據(jù),對(duì)混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

        由表11可知,本研究的水性環(huán)氧瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足技術(shù)要求,具有較好的抗水損害能力,這是由于水性環(huán)氧瀝青中的水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化產(chǎn)物具有黏附力大、強(qiáng)度高的特點(diǎn),加入混合料中可提高礦料之間的黏結(jié)力,進(jìn)而提高混合料的強(qiáng)度和抗拉伸破壞性能。

        3.3 低溫抗裂性

        瀝青混合料的低溫抗裂性考察了瀝青路面在車輛荷載作用下和瀝青混合料之間的容許拉應(yīng)力與溫縮應(yīng)力之間的關(guān)系。當(dāng)容許拉應(yīng)力低于溫縮應(yīng)力時(shí),混合料之間就會(huì)產(chǎn)生裂紋,從而導(dǎo)致路面的開(kāi)裂,為進(jìn)一步地減少和消除低溫裂縫,同時(shí)為超薄磨耗層在各地區(qū)的應(yīng)用提供參考[11],本研究按照J(rèn)TG E20—2011對(duì)水性環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

        由表12可知,水性環(huán)氧瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變低于規(guī)范中要求且低于普通熱拌瀝青混合料。這一方面是由于開(kāi)級(jí)配瀝青混合料內(nèi)部的空隙較多,密實(shí)性不足,導(dǎo)致其抗彎拉性能較差;另一方面是由于冷拌瀝青混合料不同于熱拌瀝青,其含水率較高,部分水分隱藏在試件內(nèi)部,低溫條件下致使試件受凍損壞。另外,環(huán)氧樹(shù)脂在低溫條件下表現(xiàn)出樹(shù)脂的脆性,因此,水性環(huán)氧瀝青混合料在受彎拉時(shí)易發(fā)生脆性破裂,抗低溫性能較差。

        4 結(jié)論

        本研究利用水性環(huán)氧瀝作為膠結(jié)料,對(duì)OGFC超薄磨耗層混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其路用性能進(jìn)行探究,結(jié)論如下。

        ①拌和時(shí)需要通過(guò)外加水對(duì)集料進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕且礦粉必須在最后添加。經(jīng)過(guò)拌和試驗(yàn)和馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)外加水量為1.5%時(shí)效果最佳。

        ②通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),選用一次性雙面各擊實(shí)75次后60 ℃養(yǎng)生7 d的制樣養(yǎng)護(hù)方法最佳,有利于混合料強(qiáng)度的形成。

        ③采用修正馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn),并通過(guò)對(duì)不同油石比馬歇爾試件的穩(wěn)定度、流值析漏損失和飛散損失進(jìn)行考察,發(fā)現(xiàn)當(dāng)油石比為7.5%時(shí),水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的性能最佳。

        ④通過(guò)對(duì)混合料路用性能進(jìn)行測(cè)試可以發(fā)現(xiàn),水性環(huán)氧瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性均滿足GB/T 38990—2020中技術(shù)要求,但其低溫抗裂性較差,若在嚴(yán)寒地區(qū)使用需進(jìn)一步改善其低溫韌性。

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