環氧瀝青混合料后摻法工藝正交試驗及性能研究

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任公司，云南 大理 671000； 2.云南武倘尋高速公路有限責任公司， 昆明 650000； 3.云南省交通規劃設計研究院有限公司, 昆明 650000； 4.昆明理工大學 建筑工程學院(云南省土木工程防災重點試驗室)， 昆明 650500； 5.云南暢坦科技有限公司， 昆明 650000)

環氧瀝青混合料是采用環氧瀝青作為膠結料，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，具有強度高、剛性大等優點，且有良好的耐化學腐蝕能力、抗疲勞性能、抗車轍能力及水穩定性。因其優異的路用性能，在國內多座大跨徑鋼橋面鋪裝工程中得到成功應用[1-2]。經過多年理論和實踐檢驗，我國已形成環氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝設計與施工成套技術，但對環氧瀝青混合料的研究尚未成熟，與之相關的施工技術仍待進一步深入研究。

環氧瀝青是由瀝青及助劑作為增柔、增韌相材料，環氧樹脂與固化劑固化物形成連續相的高溫不熔熱固性材料[3]，是一種化學改性材料，隨著環氧樹脂固化反應的進行，黏度隨時間增加而增大。固化反應進行到一定程度時會凝膠化，黏度迅速增加，并最終形成不熔不溶的三維交聯結構。環氧瀝青的化學反應程度和速率受時間、溫度的影響很大。因環氧瀝青的容留時間短，且容留時間受溫度的影響非常大，故環氧瀝青混合料的施工條件十分苛刻[4]。環氧瀝青混凝土常規施工工藝流程如圖1所示。流程是將環氧瀝青A/B組分拌勻后與集料、礦粉填料等先進行拌和，再經等料、運輸、現場待料、攤鋪及壓實等諸多環節方能完成施工。影響容留的環節多，運輸過程、現場待料及攤鋪等環節時間不確定性大，導致環氧瀝青的施工風險高，容易出現嚴重的質量缺陷[5-7]。

目前，解決環氧瀝青混合料黏度增長的方法主要有2種：1) 研制高品質的環氧瀝青材料，減緩其黏度增長速度，延長容留時間[8-11]；2) 結合環氧瀝青黏度增長規律及流變特征，合理預測環氧瀝青混凝土容留時間，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量的可控性，但仍不能根本解決環氧瀝青混合料施工要求高、質量風險大的問題。為此，本文采用正交試驗分析環氧瀝青混合料性能影響因素，優選了后摻法最佳制備工藝，并驗證了該工藝的可行性[3，6]。

圖1 環氧瀝青常規工藝流程

1 后摻法制備環氧瀝青混合料

1.1 后摻法

后摻法工藝分2階段添加發生化學反應的環氧瀝青B組分、A組分，具體工藝為：1) 將環氧瀝青中比例較高的環氧瀝青B組分在后場經拌和樓與集料、礦粉等材料拌和；2) 將環氧瀝青B組分混合料運到現場；3) 在攤鋪時通過專用后摻法攤鋪設備將環氧瀝青A組分以霧狀形式精確、智能添加到環氧B組分混合料中，并經過霧狀噴灑、二級強制攪拌及螺旋布料器等多個裝置二次拌和均勻；4) 攤鋪、碾壓，完成整個施工流程，如圖2所示。與常規環氧瀝青混凝土施工工藝相比，后摻法施工工藝影響環氧瀝青容留的環節僅有攤鋪和碾壓2個環節，攤鋪、碾壓施工過程一般少于10 min，能有效解決常規環氧瀝青混凝土施工工藝應用范圍受限、施工風險高的問題，顯著增加施工可控性。

1.2 試驗材料

環氧瀝青為自制雙組分環氧瀝青，A組分為環氧樹脂E51，B組分是由瀝青、固化劑及增韌劑、促進劑等相關助劑共混而成的均質混合物，A∶B=100∶903；粗集料為玄武巖、細集料為石灰巖，經檢測，粗、細集料所檢指標均滿足規范要求，環氧瀝青主要參數見表1，礦料級配見表2，油石比為6.8%。

圖2 環氧瀝青后摻法工藝流程

1.3 試件制備

環氧瀝青混合料采用常規和后摻2種工藝制備。

1) 常規工藝

(1) 將環氧瀝青A組分加熱至60 ℃～80 ℃；(2) 將 120 ℃～140 ℃的環氧瀝青B組分按照100∶903的質量比攪拌3 min～5 min均勻混合；(3) 按6.8%的油石比與120 ℃的礦質集料進行拌和，環氧瀝青混合料的成品溫度控制在110 ℃～120 ℃；(4) 拌和混合料運輸到現場攤鋪、碾壓后完成施工。

2) 后摻法

(1) 將環氧瀝青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組分按量添加至環氧瀝青B組分混合料進行二次拌和，混合料出料溫度為110 ℃～120 ℃。后摻法制備工藝的關鍵是第一次僅添加環氧B組分的混合料不能出現花白料，環氧瀝青A組分添加要準確、二次拌和要均勻。

每種工藝分別成型10個車轍板試件和25個馬歇爾試件。制件方式參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，車轍試件采用輪碾法制作，馬歇爾試件采用標準擊實法制作。每組制備的5個馬歇爾試件常溫條件放置，其余試件均帶模具在120 ℃條件下養生4 h至完全固化。

表1 環氧瀝青性能指標

表2 礦料級配

1.4 性能指標及試驗方法

1) 馬歇爾穩定度試驗：試驗溫度，采用恒位移控制模式，加速速率50 mm/min。試驗前試件放置在60 ℃恒溫水浴30 min，浸水馬歇爾穩定度試驗則在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規程》T0709執行。

2) 車轍試驗：輪壓為0.7 MPa，試驗溫度分別為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規程》T0719執行。

3) 彎曲試驗：試驗溫度-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：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：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 性能試驗結果及分析

按常規工藝及后摻法工藝制備的環氧瀝青混合料試件的體積指標、馬歇爾穩定度、低溫最大彎拉應變、60 ℃動穩定度與凍融劈裂抗拉強度比等試驗結果見表3，熱固性及耐腐蝕試驗后圖片分別如圖3、圖4所示。

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

表3 不同工藝環氧瀝青混合料試件試驗結果

圖3 240 ℃下-4 h的環氧瀝青混合料

圖4 60 ℃煤油-7 d下的環氧瀝青混合料

后摻法制備環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，仍有一定強度，足以證明后摻入的環氧瀝青A組分與環氧瀝青B組分中的固化劑發生了固化反應，轉變為熱固性材料。

從上述試驗及分析可得出結論：環氧瀝青混合料的后摻法工藝制備的環氧瀝青混合料能實現環氧瀝青熱塑性向熱固性轉變，且各項技術指標均滿足要求。但二次拌和會導致少量環氧樹脂和固化劑未接觸，造成環氧瀝青固化物交聯網絡密度減少，進而導致環氧瀝青膠結料強度較低。

3 關鍵因素對后摻法制備環氧瀝青混合料性能的影響及分析

為分析拌和時間、拌和成型溫度及環氧瀝青材料組分變化3個關鍵因素對后摻法制備環氧瀝青混合料的性能影響，基于馬歇爾穩定度指標測試簡單，且變化顯著，因此，在室內開展了三因素三水平正交試驗。

3.1 馬歇爾穩定度正交試驗

試驗設計以A/B組分比例、拌和溫度、拌和時間為主要因素，每個因素各選取3個水平。選用L9(34)正交表開展試驗設計，制件后進行馬歇爾穩定度試驗，因素水平設計見表4。

表4 后摻法環氧瀝青混合料正交試驗設計

3.2 正交試驗結果的極差分析及方差分析

正交試驗馬歇爾穩定度極差及各因素的方差采用大型SPSS(Statistical Product and Service Solutions)軟件計算，計算結果見表5。

表5 環氧瀝青混凝土正交試驗馬歇爾穩定度實測結果

從表5可以看出，各影響因素馬歇爾穩定度的極差RA>RC>RB，說明A/B組分摻量對環氧瀝青混凝土馬歇爾穩定度的影響顯著。隨著溫度升高，環氧瀝青黏度降低，影響到成型試件質量，因而溫度對馬歇爾穩定度有一定影響。時間對環氧瀝青混凝土馬歇爾穩定度的影響較小，表明經一次拌和均勻后，二次拌和更容易拌和均勻。按各因素正交試驗極差結果確定最佳工藝為A3B3C1。按最佳工藝A3B3C1制備環氧瀝青混合料，實測馬歇爾穩定度分別為146.1 kN、154.8 kN、141.2 kN、150.7 kN，均值為148.2 kN，試驗結果均高于9組正交試驗的結果，有效證明了優選結果的準確性。

在任何試驗過程中，都存在試驗誤差，試驗誤差通常可以忽略不計。試驗誤差和各因素水平引起的波動和變化可通過表6方差分析區分開來，并能分析出各因素對試驗結果影響的顯著程度。

表6 環氧瀝青混凝土正交試驗穩定度方差分析

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

4 結束語

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

2) 環氧瀝青A/B組分比例的F值分別是拌和時間、拌和溫度的58.7、69.4倍，對混合料的性能影響最為顯著，實際施工時應加強該指標的控制。

3) 與常規工藝性能相當或更優的后摻法最佳組合為：環氧瀝青A/B組分比例為100∶903，拌和溫度為120 ℃，后摻拌和時間為60 s。

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