施工因素對冷拌環氧瀝青混合料性能影響

孫文成 呂香華 張立

摘 要：為明確各施工因素對冷拌環氧瀝青混合料性能的影響規律，首先通過馬歇爾配合比試驗，分析冷拌環氧瀝青混合料最佳瀝青用量，明確混合料路用性能的試驗基本參數;然后通過強度追蹤試驗與黏度試驗，探究瀝青存儲方式、礦料含水率、容留時間以及養生時間對冷拌環氧瀝青混合料性能的影響規律。試驗結果表明，采用密封膠桶存儲各組分的冷拌環氧瀝青性能穩定;混合料性能隨礦料含水率增加而衰減，應控制礦料含水率不超過1%;混合料施工容留時間可達到120 min以上，且所需養護時間短，可以實現快速開放交通的目的。

關鍵詞：冷拌;環氧瀝青混合料;施工因素;性能;強度追蹤實驗;黏度實驗

中圖分類號：U414??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）03-0115-07

Influence of Construction Factors on the Performance of Cold

Mixed Epoxy Asphalt Mixture

SUN Wencheng， LYU Xianghua， ZHANG Li

（Hubei Shishou Yangtze River Highway Bridge Co. Ltd.， Jingzhou 434400， China）

Abstract：In order to clarify the influence of construction factors on the performance of cold mixed epoxy asphalt mixture， the optimal asphalt dosage of cold mixed epoxy asphalt mixture was firstly analyzed through the Marshall mix ratio test， making clear the basic test parameters of the road performance. Then， through the strength tracking test and viscosity test， the influence of asphalt storage mode， mineral moisture content， retention time and curing time on the cold mixed epoxy asphalt mixture performance was explored. The test results showed that the performance of cold mixed epoxy asphalt stored in sealant bucket was stable and it decreased with the increase of the moisture content of the mineral material， which should be controlled no more than 1%. The retention time of the mixture could reach more than 120 min. The curing time was short， which can realize the purpose of rapid opening of traffic.

Keywords：Cold mixed; epoxy asphalt mixture; construction factors; performance; intensity tracking experiment; viscosity experiment

0 引言

在鋼橋面鋪裝的實際工程中，根據環氧瀝青混合料的施工溫度可將其分為熱拌環氧瀝青混合料、溫拌環氧瀝青混合料和冷拌環氧瀝青混合料[1]。熱拌環氧瀝青混合料因其路用性能突出以及其黏結層的兩階段反應優勢，廣泛應用于鋼橋面鋪裝結構層，但其拌和與施工溫度高，在生產過程中需要將瀝青和集料加熱到150～180 ℃[2]，這不僅會耗費大量的資源，還會釋放有害氣體，帶來嚴重環境污染。現有主流溫拌環氧瀝青混合料的拌和攤鋪溫度也僅比熱拌瀝青混合料低約40 ℃[3-4]，并不能徹底改變環氧瀝青混合料高能耗、高污染的問題。冷拌環氧瀝青混合料可以在常溫環境下進行拌和、攤鋪以及碾壓[5-7]，可有效降低傳統熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料在生產、拌和施工過程中能源消耗和污染物排放問題，且冷拌環氧瀝青混合料其路用性能與常規環氧瀝青混合料相當。所以具有良好的工程應用前景。

基于環氧樹脂體系固化反應的特性，冷拌環氧瀝青在具備優異的強度、穩定性和耐久性的同時，對施工時的溫度、時間以及施工作業面等環境因素要求也較為苛刻，需要較高的施工工藝來保證路面施工的質量。因此，亟須明確各施工因素對冷拌環氧瀝青混合料性能的影響規律，以明確施工技術要求，以期為冷拌環氧瀝青混合料實際工程應用提供參考與借鑒。

當前針對冷拌環氧瀝青混合料的研究較少，王中文等[8]通過馬歇爾試驗探究了養護的時溫條件對日本環氧瀝青混凝土強度的影響;錢振東等[9]以不同升溫速率下的動態示差掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）曲線為基礎，構建混合料固化模型，推算出了各種環境溫度下反應程度與時間的關系;張毅[10]通過冷拌環氧瀝青的強度變化規律明晰了不同溫度下的混合料容留時間。相關研究均十分有效地推進了溫度、容留時間對冷拌環氧瀝青混合料性能的研究，本文將從施工因素考慮角度上做進一步拓展。

首先通過馬歇爾配合比試驗，分析冷拌環氧瀝青混合料最佳瀝青用量，明確混合料路用性能的試驗基本參數;而后通過強度追蹤試驗與黏度試驗，探究瀝青存儲方式、礦料含水率、容留時間以及養生時間對冷拌環氧瀝青混合料性能的影響規律。

1 冷拌環氧瀝青混合料設計

1.1 試驗原材料

研究選用玄武巖集料，最大公稱粒徑為9.5 mm，集料粒徑范圍為0.075～9.5 mm，分為1～4檔，礦粉填料為石灰巖礦粉，玄武巖集料技術指標見表1。

冷拌環氧瀝青組分為雙酚A型環氧樹脂、脂肪胺類固化劑與基質瀝青，3種組分按照相應比例關系混合制備出冷拌環氧瀝青，采用布式黏度儀測試其25 ℃時曲線，并在常溫下養生24 h測試其25 ℃斷裂延伸率和斷裂強度，結果見表2。

級配選擇對瀝青混合料的體積參數、力學性質及路用性能具有很大影響。通常較細級配的瀝青混合料，具有更好的水穩定性、耐久性，但高溫抗車轍能力相對較差，而環氧樹脂體系固化后強度大幅上升，其瀝青混合料在高溫條件下產生的剪切變形較小，因此環氧瀝青混合料可以使用相對較細的級配，以全面保證瀝青混合料的高溫、低溫及水穩定性能。參照以往研究經驗[11-13]，制備成型冷拌環氧瀝青混合料（CMEA-10），設計礦料級配見表3。

1.2 配合比設計

采用常規馬歇爾擊實儀成型冷拌環氧瀝青混合料馬歇爾試件，雙面擊實試件各50次，混合料拌和、成型溫度控制在25 ℃±5 ℃。依據《JTG F 40—2004 公路瀝青路面施工技術規范》，成型馬歇爾試件，油石比為7.0%、7.5%、8.0%、8.5%和9.0%，馬歇爾試驗結果見表4。

由表4可知，隨著油石比不斷提高，冷拌環氧瀝青混合料的最大理論密度不斷減小，空隙率不斷降低，瀝青飽和度不斷升高，當油石比為8.5%時，馬歇爾穩定度出現最大值，試驗結果表明冷拌環氧瀝青混合料的馬歇爾試驗規律與普通瀝青混合料相同。另一方面，基于《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F 40—2004）中B.6節最佳油石比確定方法，依據表4數據，計算確定冷拌環氧瀝青混合料的最佳油石比（OAC）為（OAC1+OAC2）/2=8.3%。

2 施工要素對冷拌環氧瀝青性能影響的實驗探究

2.1 瀝青存儲方式的影響

實際工程中采用A、B組分現場拌和[14-15]，由于工程持續時間長，環氧瀝青材料不可避免地需要在施工現場長時間存放，長期存儲后，瀝青混合料的使用性能也可能出現衰減，因此，需采用合理的存儲方式，保證冷拌環氧瀝青在整個工期內具有穩定的工程性能。

對不同存儲方式和存儲時間條件下的環氧瀝青混合料開展馬歇爾穩定度試驗和70 ℃高溫動穩定度試驗，試驗結果如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可以看出，存儲方式對冷拌環氧瀝青混合料的性能影響顯著。敞口膠桶存儲下，冷拌環氧瀝青的馬歇爾穩定度和動穩定度均隨著存儲時間增加而逐漸下降，下降速率逐漸加快。這是因為敞口存儲方式無法隔絕空氣，環氧樹脂A、B組分接觸空氣后會發生氧化，且隨著時間的推移，氧化程度逐漸加深，導致A、B組分混合后能夠參與固化反應的環氧樹脂和固化劑含量減少，進而導致混合料性能逐步下降。

各組分在密封鐵桶和密封膠桶常溫存儲3個月后，冷拌環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度和動穩定度變化都較小，說明密封鐵桶裝和密封膠桶裝的存儲方式能有效保證冷拌環氧瀝青性能的穩定，滿足施工時的存儲時間要求。綜合考慮施工成本，推薦采用密封膠桶保存。

2.2 礦料含水率的影響

對于冷拌環氧瀝青混合料，礦料在常溫下和環氧瀝青混合，無加熱干燥處理，因此礦料受潮含水率過高的現象較熱拌環氧瀝青混合料更加明顯。因此，需探究礦料含水率對冷拌環氧瀝青混合料性能的影響規律，以明確冷拌環氧瀝青混合料中礦料含水率的閾值要求。

首先將7組集料烘干完全后冷卻至室溫，取出其中1組作為對照，然后利用高壓噴槍精確地將占集料質量0.5%、1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的水分別霧化噴灑其余6組礦料中，適當攪拌使得水分分散均勻。將不同含水率的集料成型馬歇爾試件，在室溫下養生24 h，養生完畢后放入60 ℃水箱中水浴保溫0.5 h，測定試件的空隙率和穩定度，試驗結果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4中空隙率和穩定度的變化曲線可知，混合料空隙率基本不受集料含水率影響，而馬歇爾穩定度與集料含水率密切相關。當集料含水率為0%時，冷拌環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度為56.23 kN，隨著集料含水率的增加，混合料的馬歇爾穩定度呈現逐漸減小的趨勢。當集料含水率保持在1%之內時，穩定度的變化較小;當集料含水率超過1%時，穩定度開始快速降低，集料含水率達到1.5%時，其穩定度比0%含水率瀝青混合料降低了32.6%，此時已經不再滿足穩定度大于40 kN的規范要求。

這是因為環氧瀝青和集料之間的黏附性比較強，但受水分影響，當集料中水分比較少時，瀝青和集料之間的黏附效果所受影響較小，所以含水率在1%以內時，馬歇爾穩定度的變化較小。隨著集料含水率進一步增加，在環氧瀝青與集料拌和時，集料表面的水分子會滲入到環氧體系中，由于采用胺類固化劑，其與環氧樹脂發生開環反應過程中會產生各級胺類活性基團，在潮濕條件下這些活性基團很容易和水分子發生氫鍵作用，無法與環氧基繼續反應，影響到環氧樹脂三維交聯結構的形成，從而降低了馬歇爾穩定度。綜合考慮施工質量，推薦礦料含水率應不高于1%。

2.3 混合料容留時間的影響

從環氧瀝青A、B組分與集料開始混合，到運輸至攤鋪現場攤鋪、壓實，環氧瀝青混合料的黏度在不斷變化，施工過程中難免會出現運輸車輛故障、交通管制等一些無法預估的問題，進而導致混合料攤鋪、壓實時間的推遲。因此，需要考慮時間差異和溫度差異對混合料性能造成的影響。研究時溫因素對冷拌環氧瀝青的黏度增長規律和冷拌環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度的影響，評價其施工容留時間。

2.3.1 冷拌環氧瀝青黏度

采用布式黏度儀測試冷拌環氧瀝青在不同溫度下的黏時曲線，以評價冷拌環氧瀝青混合料的施工容留時間，試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，在固化初期，冷拌環氧瀝青材料的黏度增長相對緩慢，不同拌和溫度對其早期黏度的影響較小，均保持在較低的黏度水平。同時，冷拌環氧瀝青后期黏度増長的速度和拌和溫度關系密切，拌和溫度越高，黏度開始急劇增加的時間節點越靠前，增長速度也相對較快。這種現象可能是由于溫度升高，增大活化分子的數量，反應物分子間的有效碰撞增加，加快了固化反應的速率，因而黏度增長的速度也相應加快。在10～40 ℃內，冷拌環氧瀝青結合料黏度增長至3 （Pa·s）所用時間超過120 min;其中當拌和溫度為10 ℃時，所用時間超過 150 min，說明冷拌環氧瀝青在進入凝膠態之前，具備足夠的施工容留時間，能滿足實際的施工需求。

2.3.2 冷拌環氧混合料容留時間

在10、20、30、40 ℃4種不同溫度條件下，成型不同保溫時間后的冷拌環氧瀝青混合料試件，待試件養生完全后，測試其馬歇爾穩定度和空隙率，試驗結果如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，由于環氧瀝青固化體系前期黏度增長緩慢，保溫120 min內成型的混合料馬歇爾試件空隙率和穩定度均差別不大，滿足規范要求。隨著成型時間增加，環氧瀝青進入凝膠化狀態，固化速率開始迅速增大，環氧瀝青體系黏度進一步增加，在馬歇爾擊實作用次數相同的情況下，試件的空隙率迅速增加，穩定度也隨之下降。

不同溫度條件對環氧瀝青混合料馬歇爾性能指標也有很大影響，隨著成型溫度的上升，馬歇爾試件空隙率和穩定度開始變化的時間節點也隨之提前;保溫時間相同時，馬歇爾試件空隙率增加和穩定度降低的幅度也隨著溫度的上升而變大。

綜合馬歇爾試件的空隙率和穩定度指標，冷拌環氧瀝青混合料在10 ℃和20 ℃條件下保溫和成型時，施工容留時間上限為 150 min，最佳施工容留時間為120 min，能夠保證實際施工時運輸和攤鋪的時間需求;在30 ℃和40 ℃條件下保溫和成型時，120 min后成型試件的馬歇爾穩定度開始逐漸降低，空隙率也逐漸增大，可知在該溫度下施工容留時間減少，施工容留時間上限以及最佳施工容留時間均為120 min，可以滿足環氧瀝青混合料施工時的一般需求。

2.4 混合料養生溫度的影響

自然條件變化多樣，施工溫度也并非恒定，尤其對于鋼橋面鋪裝層，由于正交異性板的導熱性較差，相對應的鋪裝層在高、低溫環境下的溫度差異也就越大。因此，需探究不同養生溫度下環氧瀝青混合料的強度增長規律，并在此基礎上確定其養護方案的時溫控制指標。

制備成型馬歇爾試件，在不同溫度下（20、40、60℃）恒溫養護，分別在恒溫養護4、6、8、10、12、16、20、24 h后取出測試，馬歇爾穩定度試驗結果如圖8所示。

由圖8中可知，隨著養生時間的增加，冷拌環氧瀝青混合料穩定度呈現先平緩，而后快速增大，最后趨于穩定的三階段變化狀態。前期由于環氧瀝青體系固化反應未充分進行，穩定度增長較為平緩，隨著養護時間的延長，后期穩定度增長速度迅速增大，直至達到最終強度。同時，不同養護溫度對冷拌環氧瀝青混合料穩定度的增長速度也有很大影響，養護溫度越高，固化反應速度越快，混合料穩定度的增長速度也就越大。結合穩定度達到40 kN的要求，冷拌環氧瀝青混合料20 ℃養護12 h后可開放交通，達到最終強度需20 h;40 ℃養護10 h后可開放交通，達到最終強度需16 h;60 ℃養護8 h后可開放交通，達到最終強度需10 h。與熱拌環氧瀝青混合料養生時間（10 d）[16]、溫拌環氧瀝青混合料的養生時間（15 d）[17]相比，冷拌環氧瀝青混合料具有更短的養生時間，能夠實現實際工程中快速開放交通的目的。

2.5 小結

綜上所述，瀝青存儲方式上，敞口膠桶存儲時由于A、B組分的氧化，瀝青混合料強度會受到極大的時域損傷，而密封鐵桶和密封膠桶存儲可較好地留置混合料強度。在礦料含水率上，隨著集料含水率的增加，環氧固化過程中的活性基團與水分子的反應會使得固化不完全，馬歇爾穩定度呈現漸減小，且超過礦料含水率1%閾值時，強度性能急速衰減。在混合料容留時間上，混合料黏度隨容留時間逐漸增加，馬歇爾穩定度隨容留時間逐漸減少，以120 min為最佳容留時間。10 ℃和20 ℃保溫成型時，施工容留時間閾值上限可擴展為150 min。而混合料的養生溫度越高，固化反應速度越快，最終強度成型越早，且養生時間遠遠短于熱拌及溫拌環氧瀝青混合料。

3 結論

本文結合早強型環氧瀝青混合料的性能特性，對其在不同環境下的施工技術進行研究，首先分析了早強型環氧瀝青常溫下長期存放后的性能穩定性，比較得出適宜儲存方式;其次從實際施工檢測角度以及瀝青混合料冷拌特性考慮，明確了集料含水率的控制值;然后結合早強型環氧瀝青黏度的時溫特性。從而確定了其在不同溫度下的施工容留時間控制指標;最后基于不同養護溫度下早強型環氧瀝青混合料的穩定度增長規律，確定其養護時間控制指標。

（1）瀝青混合料存儲方式直接影響環氧樹脂氧化損傷量。礦料含水率過高會阻礙固化反應的徹底進行。而施工容留時間以及混合料養生溫度與施工難度密切相關，并決定混合料最終強度質量。

（2）組分敞口存儲的冷拌環氧瀝青，隨著存儲時間延長，其穩定度和動穩定度均顯著降低;采用密封鐵桶裝和密封膠桶裝時，冷拌環氧瀝青混合料性能基本穩定。綜合施工成本考慮，推薦冷拌環氧瀝青結合料的A、B組分采用密封膠桶分開存儲，以保證在施工工期內的性能穩定性。

（3）冷拌環氧瀝青混合料空隙率基本不受礦料含水率影響，而馬歇爾穩定度隨著礦料含水率的增加而減小，當集料含水率超過1%時，穩定度不滿足大于40 kN的規范要求。建議施工中所用集料含水率控制在1%以內，以保證混合料的路用性能穩定。

（4）10～40 ℃區間內，冷拌環氧瀝青結合料黏度增長至3 （Pa·s）所用時間大于120 min。同時，冷拌環氧瀝青混合料在10 ℃和20 ℃下的施工容留時間上限可達 150 min;在30 ℃和40 ℃下的施工容留時間上限可達到120 min，均可以滿足環氧瀝青混合料施工時間的一般需求。

（5）冷拌環氧瀝青混合料養護時間短，可以實現快速開放交通的目的。

【參 考 文 獻】

[1]許龍.環氧瀝青鋼橋面鋪裝級配優化設計與壓實規律研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

XU L. Study on gradation optimization design and compaction law of the epoxy asphalt for steel deck pavement[D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2016.

[2]王俊彥，李洋，顧帆，等.冷拌環氧瀝青混合料路用性能的室內試驗[J].材料科學與工程學報，2019，37（2）：296-299，338.

WANG J Y， LI Y， GU F， et al. Laboratory study on road performances of cold mixed epoxy asphalt mixture[J]. Journal of Materials Science and Engineering， 2019， 37（2）： 296-299， 338.

[3]周健，魏小皓，劉鎏，等.鋼橋面鋪裝用熱、溫拌環氧瀝青混凝土性能對比[J].公路，2018，63（11）：1-7.

ZHOU J， WEI X H， LIU L， et al. Performance comparison of hot and warm mix epoxy asphalt concrete for steel deck pavement[J]. Highway， 2018， 63（11）： 1-7.

[4]李國芬，張高勤，陳研.環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝的施工質量控制[J].森林工程，2007，23（3）：62-64.

LI G F， ZHANG G Q， CHEN Y. Quality controlling of epoxy asphalt concrete in steel-deck surfacing[J]. Forest Engineering， 2007， 23（3）： 62-64.

[5]李林波，徐建暉，代劍鋒，等.冷拌環氧瀝青混合料配合比設計及路用性能研究[J].公路交通技術，2016，32（5）：13-16，20.

LI L B， XU J H， DAI J F， et al. Mixing ratio design and road performance research on cold-mix epoxy asphalt mixture[J]. Technology of Highway and Transport， 2016， 32（5）： 13-16， 20.

[6]符適，吉澤中，虞浩，等.制備工藝對冷拌環氧瀝青相容性的影響研究[J].公路工程，2021，46（2）：112-116，163.

FU S， JI Z Z， YU H， et al. Study on the effect of preparation technology on compatibility of cold-mixed epoxy asphalt[J]. Highway Engineering， 2021， 46（2）： 112-116， 163.

[7]李款，解建光，潘友強，等.基于活性增韌劑改善冷拌環氧混合料路用性能[J].材料導報，2021，35（22）：22200-22205.

LI K， XIE J G， PAN Y Q， et al. Improving the pavement performance of cold-mix epoxy resin mixture by adding active toughening agent[J]. Materials Reports， 2021， 35（22）： 22200-22205.

[8]王中文，曾利文.TAF環氧瀝青混合料的施工控制[J].公路交通科技，2013，30（1）：12-16.

WANG Z W， ZENG L W. Construction control of TAF epoxy asphalt mixture[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2013， 30（1）： 12-16.

[9]錢振東，王亞奇，沈家林.國產環氧瀝青混合料固化強度增長規律研究[J].中國工程科學，2012，14（5）：90-95.

QIAN Z D， WANG Y Q， SHEN J L. Research on strength developing law during the curing of domestic epoxy asphalt mixture[J]. Engineering Sciences， 2012， 14（5）： 90-95.

[10]張毅.長大隧道路面多孔彩色冷拌環氧瀝青混合料開發及性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

ZHANG Y. Development and performance research of porous colored cold-mix epoxy asphalt mixture pavement for long tunnels[D]. Chongqing： Chongqing Jiaotong University， 2017.

[11]郭彤，楊毅，張平.環氧瀝青流變特性及施工容留時間研究[J].中外公路，2018，38（1）：272-275.

GUO T， YANG Y， ZHANG P. Research on rheological properties and construction shelter time of epoxy-tar[J]. Journal of China & Foreign Highway， 2018， 38（1）： 272-275.

[12]楊樹榮，馮芳霞，劉美爽.環氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝復合結構試驗研究[J].森林工程，2009，25（6）：64-69.

YANG S R， FENG F X， LIU M S. Experimental research on composite structure of steel bridge deck pavement with epoxy resin asphalt mixture[J]. Forest Engineering， 2009， 25（6）： 64-69.

[13]石佳.冷拌瀝青混合料配合比設計方法及技術性能研究[D].天津：河北工業大學，2015.

SHI J. Study on cold mix asphalt mixture design method and technical performance[D]. Tianjin： Hebei University of Technology， 2015.

[14]胡芃，屈新龍.冷拌環氧瀝青混合料的路用性能研究[J].施工技術，2018，47（S1）：1151-1154.

HU P， QU X L. Study on pavement performance of cold mixed epoxy asphalt mixture[J]. Construction Technology， 2018， 47（S1）： 1151-1154.

[15]徐偉，謝偉偉，趙騰飛，等.高性能冷拌環氧瀝青鋪裝材料的設計與性能評價[J].筑路機械與施工機械化，2017，34（12）：75-79.

XU W， XIE W W， ZHAO T F， et al. Design and performance evaluation of high performance cold mix epoxy asphalt for paving[J]. Road Machinery & Construction Mechanization， 2017， 34（12）： 75-79.

[16]徐偉，李孝旭，蘇權科，等.熱拌環氧瀝青混凝土鋼橋面鋪裝施工控制試驗研究[J].公路，2014，59（10）：17-21.

XU W， LI X X， SU Q K， et al. Test and research on construction control of hot mixed epoxy asphalt pavement on steel deck[J]. Highway， 2014， 59（10）： 17-21.

[17]李永鱗.溫拌環氧瀝青混凝土鋪裝在特大跨徑鋼橋中的應用分析[J].黑龍江交通科技，2017，40（7）：97-98，100.

LI Y L. A dissertation on the application of warm mix epoxy asphalt concrete pavement in super long span steel bridge[J]. Communications Science and Technology Heilongjiang， 2017， 40（7）： 97-98， 100.