水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土性能及施工工藝研究

摘要 為探索冷拌水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土與熱拌瀝青混凝土相比，所具備的優(yōu)異路用性能及施工技術(shù)要點(diǎn)，文章首先對(duì)其原材料性能進(jìn)行了分析，并展開(kāi)配合比設(shè)計(jì)和最佳油石比確定；然后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定性、水穩(wěn)性、高低溫穩(wěn)定性的檢測(cè)；最后從施工準(zhǔn)備、施工工藝等方面對(duì)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，按照30%比例摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂的改性乳化瀝青混凝土的力學(xué)性能、水穩(wěn)性、高低溫穩(wěn)定性均滿(mǎn)足路用要求；按照設(shè)計(jì)要求采取路面加熱養(yǎng)護(hù)方式后可快速開(kāi)放交通，保證公路路面經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的提前發(fā)揮。

關(guān)鍵詞 水性環(huán)氧樹(shù)脂；改性乳化瀝青；混凝土；性能；施工工藝

中圖分類(lèi)號(hào) U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0087-03

0 引言

冷拌瀝青路面施工技術(shù)具有能耗低、排放小、污染少等優(yōu)勢(shì)，但在應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)論采用普通乳化瀝青還是改性乳化瀝青，其路用性能均達(dá)不到熱拌瀝青混合料的水平。近年來(lái)，隨著高分子材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，通過(guò)水性環(huán)氧樹(shù)脂改善冷拌瀝青性能更加可行。水性環(huán)氧樹(shù)脂自身網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分散進(jìn)入乳化瀝青中后可形成兩相貫穿性結(jié)構(gòu)，使整體性能得到顯著提升。此外，水性環(huán)氧樹(shù)脂和乳化瀝青均以水為載體，兩者能較好地相溶。基于此，該文立足公路工程實(shí)際，對(duì)水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土展開(kāi)設(shè)計(jì)，并對(duì)其工程應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行分析探究，以期為此類(lèi)冷拌瀝青混凝土在公路工程中的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能

（1）瀝青。使用自制慢裂型陰離子乳化瀝青，1.18 mm篩的剩余量在0.05%以下，蒸發(fā)殘留物含量在63.0%以上，25℃針入度取60.3（0.1 mm），軟化點(diǎn)在50.6℃以上，15℃延展不小于40.1 cm；24 h儲(chǔ)存穩(wěn)定性在0.55%以下，其性能全部滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)施工技術(shù)規(guī)范，JTG F40—2017）要求。

（2）集料。選取工程附近石料場(chǎng)生產(chǎn)的玄武巖粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料，其性能檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2所示。從表中可知，粗、細(xì)集料性能均符合技術(shù)要求。

（3）礦粉。為增強(qiáng)對(duì)混合料空隙的填充效果，提高混合料的強(qiáng)度與穩(wěn)定性[1]，選用表觀密度為2.731 t/m3、親水系數(shù)為0.6%的石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，其粒徑小于0.075 mm、

0.15 mm、0.6 mm的占比分別為84.5%、93.6%和100%。

（4）水性環(huán)氧樹(shù)脂。選用的水性環(huán)氧樹(shù)脂H及其固化劑外觀為淺色黏狀液體和淺黃色黏稠狀液體，固含量分別在95%～98%及50%～52%之間；pH值在7～8和8～9之間，均無(wú)明顯氣味。水性環(huán)氧樹(shù)脂屬多相體系，其與固化劑均能分散于水相，并隨水分蒸發(fā)與固化劑發(fā)生互相滲透和擴(kuò)散反應(yīng)[2]。

（5）水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青。通過(guò)流淌性較好的水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性，考慮先乳化后改性的方法得到的乳化瀝青的均勻性不良，故該文采用同時(shí)進(jìn)行乳化和改性的方法。按照設(shè)計(jì)用量摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂后，制備出水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土[3]，其高溫穩(wěn)定性、延度、低溫性能均優(yōu)于普通乳化瀝青。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范相關(guān)要求，水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料使用實(shí)驗(yàn)室常用的AC-13級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，級(jí)配范圍見(jiàn)表3所示：

按照施工技術(shù)規(guī)范并通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳油石比。結(jié)合施工技術(shù)規(guī)范，AC-13級(jí)配水氧比應(yīng)取1∶1，故該文按照水性環(huán)氧樹(shù)脂：固化劑∶拌和用水=1∶1.5∶1確定水性環(huán)氧改性乳化瀝青的配比，并按改性乳化瀝青的30%摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂，最終得到的油石比為6.9%。

2 水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土性能

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度

對(duì)不同級(jí)配的水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土展開(kāi)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4所示。由此看出，兩種養(yǎng)護(hù)模式下的混凝土孔隙率和馬歇爾穩(wěn)定度均增大。分析原因得知，混凝土失水速度隨孔隙率的增大而增大，乳化瀝青的破乳速度及水性環(huán)氧固化速度相應(yīng)加快[4]。60℃恒溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土馬歇爾穩(wěn)定度在初期大于自然養(yǎng)護(hù)，但兩者差值越來(lái)越小。

2.2 水穩(wěn)性

水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土的水穩(wěn)性，通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)規(guī)程，JTG E20—2011）展開(kāi)浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示。由此看出，水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度遠(yuǎn)高出85%的規(guī)范值。然而，JP3級(jí)配的馬歇爾強(qiáng)度形成時(shí)間較短，在養(yǎng)護(hù)后的固化反應(yīng)速度已經(jīng)較低，即使繼續(xù)養(yǎng)護(hù)其強(qiáng)度也不會(huì)增大。可見(jiàn)，環(huán)氧材料具備熱固性特征，殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)無(wú)法對(duì)其水穩(wěn)性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)[6]。

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程制備2組凍融劈裂試件，第二組試件在?18±2℃的環(huán)境下持續(xù)冷凍16±1 h；此后在60±0.5℃的環(huán)境下持續(xù)融化24 h。按照不同方式養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6所示。據(jù)此可知，兩種級(jí)配的水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土的凍融劈裂強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求；凍融劈裂強(qiáng)度和孔隙率直接相關(guān)，且呈反向變動(dòng)趨勢(shì)，這是因?yàn)樽匀火B(yǎng)護(hù)7 d后的水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土失水率比60℃恒溫養(yǎng)護(hù)24 h低、孔隙率小，故其混凝土凍融劈裂強(qiáng)度較高[7]。

2.3 高低溫穩(wěn)定性

通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)，進(jìn)行水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土的高溫性能試驗(yàn)。具體而言，按照馬歇爾試驗(yàn)方法制備試件并擊實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后展開(kāi)車(chē)轍試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，AC-13試件在60℃恒溫養(yǎng)護(hù)24 h及自然養(yǎng)護(hù)7 d的動(dòng)穩(wěn)定度分別為35 000次和32 500次；JP3試件在60℃恒溫養(yǎng)護(hù)24 h及自然養(yǎng)護(hù)7 d的動(dòng)穩(wěn)定度分別為48 470次和35 800次，取值均超出1 500次的規(guī)范值，表明水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土具有優(yōu)異的高溫性能。通過(guò)分析原因看出，環(huán)氧類(lèi)材料固化后會(huì)形成剛度大、耐久性好且性能穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)屬于熱固性材料[5]。

通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)，檢驗(yàn)水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土的低溫抗裂性能。按照0%、30%、50%、70%、100%的比例摻加水性環(huán)氧材料，按照AC-13級(jí)配制備試件，在60℃烘箱內(nèi)恒溫養(yǎng)護(hù)24 h后展開(kāi)低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7所示。據(jù)此看出，在0%的用量下，純?nèi)榛癁r青混凝土強(qiáng)度較小，難以切割出滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的試件，無(wú)法展開(kāi)試驗(yàn)。隨著水性環(huán)氧材料摻量的增大，撓度遞減；混凝土剛度增強(qiáng)，彎拉應(yīng)變持續(xù)減小。為取得較好的撓度和彎拉應(yīng)變性能，水性環(huán)氧材料摻量不宜過(guò)大。

3 水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某二級(jí)公路于2010年建成運(yùn)行，起初交通量小，此后隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快，重型重載車(chē)輛持續(xù)增多，路面先后出現(xiàn)磨光、掉粒等病害。為恢復(fù)路用性能，延長(zhǎng)路面使用壽命，公路段采取加鋪冷拌水性環(huán)氧改性乳化瀝青罩面的預(yù)養(yǎng)護(hù)處治技術(shù)。

3.2 施工準(zhǔn)備

在施工開(kāi)始前，應(yīng)合理選用攪拌機(jī)、運(yùn)料車(chē)、加熱設(shè)備及壓實(shí)機(jī)械。滾筒式拌和機(jī)出料速度低，故該公路試驗(yàn)段選用大型冷拌設(shè)備。水性環(huán)氧改性乳化瀝青運(yùn)輸車(chē)選用運(yùn)載噸數(shù)在10 t以?xún)?nèi)的小型車(chē)輛，瀝青混凝土則通過(guò)水泥混凝土罐車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸。因膠輪壓路機(jī)碾壓期間容易出現(xiàn)輕微車(chē)轍，故試驗(yàn)段選取重型鋼輪壓路機(jī)，以保證水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土路面的壓實(shí)效果，避免乳化瀝青上浮[8]。

3.3 施工工藝

選擇環(huán)境溫度在15～30°C之間、空氣濕度在80%以下時(shí)展開(kāi)施工，施工前應(yīng)使用高壓水槍和空壓機(jī)徹底清除待施工路面的浮渣、粉塵、雜物，并按0.5～1.2 kg/m2的設(shè)計(jì)用量均勻噴灑黏層油。黏層油應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際在環(huán)氧樹(shù)脂、熱瀝青、改性乳化瀝青中進(jìn)行選用。

在施工過(guò)程中，應(yīng)先生產(chǎn)水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料，確保集料干燥、清潔，拌和設(shè)備性能良好。按照用量將集料和礦粉投進(jìn)拌和機(jī)后展開(kāi)1～3 min的干拌和，避免改性乳化瀝青、細(xì)集料與礦粉混合后結(jié)塊。此后，分4次投加改性乳化瀝青，以減少拌和時(shí)間，提升混合料拌和的均勻程度[9]。

水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土通過(guò)常規(guī)自卸車(chē)運(yùn)輸，車(chē)輛內(nèi)壁應(yīng)鋪設(shè)雙層塑料薄膜，不用涂刷防黏油。裝車(chē)后應(yīng)及時(shí)覆蓋篷布保溫防塵，盡快拉運(yùn)，運(yùn)輸時(shí)間不得超出30 min。

為防止碾壓初期的振動(dòng)碾壓造成水性環(huán)氧改性乳化瀝青的上浮，造成黏輪；同時(shí)，為保證碾壓后期因水性環(huán)氧固化，振壓后引發(fā)路面開(kāi)裂，必須使用重型鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行全過(guò)程的靜壓施工。碾壓期間如遇冒漿、黏輪，必須暫停碾壓，預(yù)留出一定間歇時(shí)間后灑水淋濕鋼輪表面，并將水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土養(yǎng)護(hù)至表層變色后再恢復(fù)碾壓。

碾壓后必須通過(guò)輕型路面加熱車(chē)進(jìn)行往返加熱養(yǎng)護(hù)，并注意加熱深度控制，避免引發(fā)路面車(chē)轍。此后采取鉆孔取芯等方式進(jìn)行路面施工的質(zhì)量檢測(cè)，達(dá)標(biāo)后方可開(kāi)放交通，并通過(guò)水性環(huán)氧比例略高的乳化瀝青混凝土填補(bǔ)取芯孔，確保路面平整[10]。

4 結(jié)論

綜上所述，水性環(huán)氧改性乳化瀝青強(qiáng)度隨水性環(huán)氧摻量的增大而增強(qiáng)，基于馬歇爾穩(wěn)定度、抗拉強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性方面的綜合考慮，按30%摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂。水性環(huán)氧改性乳化瀝青固化時(shí)間約為3.0～3.5 h，固化后干縮嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)檢測(cè)。使用水泥代替50%礦粉后，水性環(huán)氧改性乳化瀝青混凝土路面在施工完成4 d后即可開(kāi)放交通；使用水泥完全代替礦粉后，施工后3 d即可開(kāi)放交通，縮短了施工時(shí)間。該公路試驗(yàn)段施工工藝在公路全線(xiàn)得到了推廣應(yīng)用，取得了較好的施工效果。

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