施工因素对冷拌环氧沥青混合料性能影响
孙文成 吕香华 张立
摘 要：為明确各施工因素对冷拌环氧沥青混合料性能的影响规律，首先通过马歇尔配合比试验，分析冷拌环氧沥青混合料最佳沥青用量，明确混合料路用性能的试验基本参数;然后通过强度追踪试验与黏度试验，探究沥青存储方式、矿料含水率、容留时间以及养生时间对冷拌环氧沥青混合料性能的影响规律。试验结果表明，采用密封胶桶存储各组分的冷拌环氧沥青性能稳定;混合料性能随矿料含水率增加而衰减，应控制矿料含水率不超过1%;混合料施工容留时间可达到120 min以上，且所需养护时间短，可以实现快速开放交通的目的。
关键词：冷拌;环氧沥青混合料;施工因素;性能;强度追踪实验;黏度实验
中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：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
在钢桥面铺装的实际工程中，根据环氧沥青混合料的施工温度可将其分为热拌环氧沥青混合料、温拌环氧沥青混合料和冷拌环氧沥青混合料[1]。热拌环氧沥青混合料因其路用性能突出以及其黏结层的两阶段反应优势，广泛应用于钢桥面铺装结构层，但其拌和与施工温度高，在生产过程中需要将沥青和集料加热到150～180 ℃[2]，这不仅会耗费大量的资源，还会释放有害气体，带来严重环境污染。现有主流温拌环氧沥青混合料的拌和摊铺温度也仅比热拌沥青混合料低约40 ℃[3-4]，并不能彻底改变环氧沥青混合料高能耗、高污染的问题。冷拌环氧沥青混合料可以在常温环境下进行拌和、摊铺以及碾压[5-7]，可有效降低传统热拌沥青混合料、温拌沥青混合料在生产、拌和施工过程中能源消耗和污染物排放问题，且冷拌环氧沥青混合料其路用性能与常规环氧沥青混合料相当。所以具有良好的工程应用前景。
基于环氧树脂体系固化反应的特性，冷拌环氧沥青在具备优异的强度、稳定性和耐久性的同时，对施工时的温度、时间以及施工作业面等环境因素要求也较为苛刻，需要较高的施工工艺来保证路面施工的质量。因此，亟须明确各施工因素对冷拌环氧沥青混合料性能的影响规律，以明确施工技术要求，以期为冷拌环氧沥青混合料实际工程应用提供参考与借鉴。
当前针对冷拌环氧沥青混合料的研究较少，王中文等[8]通过马歇尔试验探究了养护的时温条件对日本环氧沥青混凝土强度的影响;钱振东等[9]以不同升温速率下的动态示差扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）曲线为基础，构建混合料固化模型，推算出了各种环境温度下反应程度与时间的关系;张毅[10]通过冷拌环氧沥青的强度变化规律明晰了不同温度下的混合料容留时间。相关研究均十分有效地推进了温度、容留时间对冷拌环氧沥青混合料性能的研究，本文将从施工因素考虑角度上做进一步拓展。
首先通过马歇尔配合比试验，分析冷拌环氧沥青混合料最佳沥青用量，明确混合料路用性能的试验基本参数;而后通过强度追踪试验与黏度试验，探究沥青存储方式、矿料含水率、容留时间以及养生时间对冷拌环氧沥青混合料性能的影响规律。
1 冷拌环氧沥青混合料设计
1.1 试验原材料
研究选用玄武岩集料，最大公称粒径为9.5 mm，集料粒径范围为0.075～9.5 mm，分为1～4档，矿粉填料为石灰岩矿粉，玄武岩集料技术指标见表1。
冷拌环氧沥青组分为双酚A型环氧树脂、脂肪胺类固化剂与基质沥青，3种组分按照相应比例关系混合制备出冷拌环氧沥青，采用布式黏度仪测试其25 ℃时曲线，并在常温下养生24 h测试其25 ℃断裂延伸率和断裂强度，结果见表2。
级配选择对沥青混合料的体积参数、力学性质及路用性能具有很大影响。通常较细级配的沥青混合料，具有更好的水稳定性、耐久性，但高温抗车辙能力相对较差，而环氧树脂体系固化后强度大幅上升，其沥青混合料在高温条件下产生的剪切变形较小，因此环氧沥青混合料可以使用相对较细的级配，以全面保证沥青混合料的高温、低温及水稳定性能。参照以往研究经验[11-13]，制备成型冷拌环氧沥青混合料（CMEA-10），设计矿料级配见表3。
1.2 配合比设计
采用常规马歇尔击实仪成型冷拌环氧沥青混合料马歇尔试件，双面击实试件各50次，混合料拌和、成型温度控制在25 ℃±5 ℃。依据《JTG F 40—2004 公路沥青路面施工技术规范》，成型马歇尔试件，油石比为7.0%、7.5%、8.0%、8.5%和9.0%，马歇尔试验结果见表4。
由表4可知，随着油石比不断提高，冷拌环氧沥青混合料的最大理论密度不断减小，空隙率不断降低，沥青饱和度不断升高，当油石比为8.5%时，马歇尔稳定度出现最大值，试验结果表明冷拌环氧沥青混合料的马歇尔试验规律与普通沥青混合料相同。另一方面，基于《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40—2004）中B.6节最佳油石比确定方法，依据表4数据，计算确定冷拌环氧沥青混合料的最佳油石比（OAC）为（OAC1+OAC2）/2=8.3%。
2 施工要素对冷拌环氧沥青性能影响的实验探究
2.1 沥青存储方式的影响
实际工程中采用A、B组分现场拌和[14-15]，由于工程持续时间长，环氧沥青材料不可避免地需要在施工现场长时间存放，长期存储后，沥青混合料的使用性能也可能出现衰减，因此，需采用合理的存储方式，保证冷拌环氧沥青在整个工期内具有稳定的工程性能。
对不同存储方式和存储时间条件下的环氧沥青混合料开展马歇尔稳定度试验和70 ℃高温动稳定度试验，试验结果如图1和图2所示。
由图1和图2可以看出，存储方式对冷拌环氧沥青混合料的性能影响显著。敞口胶桶存储下，冷拌环氧沥青的马歇尔稳定度和动稳定度均随着存储时间增加而逐渐下降，下降速率逐渐加快。这是因为敞口存储方式无法隔绝空气，环氧树脂A、B组分接触空气后会发生氧化，且随着时间的推移，氧化程度逐渐加深，导致A、B组分混合后能够参与固化反应的环氧树脂和固化剂含量减少，进而导致混合料性能逐步下降。
各组分在密封铁桶和密封胶桶常温存储3个月后，冷拌环氧沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度变化都较小，说明密封铁桶装和密封胶桶装的存储方式能有效保证冷拌环氧沥青性能的稳定，满足施工时的存储时间要求。综合考虑施工成本，推荐采用密封胶桶保存。
2.2 矿料含水率的影响
对于冷拌环氧沥青混合料，矿料在常温下和环氧沥青混合，无加热干燥处理，因此矿料受潮含水率过高的现象较热拌环氧沥青混合料更加明显。因此，需探究矿料含水率对冷拌环氧沥青混合料性能的影响规律，以明确冷拌环氧沥青混合料中矿料含水率的阈值要求。
首先将7组集料烘干完全后冷却至室温，取出其中1组作为对照，然后利用高压喷枪精确地将占集料质量0.5%、1%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的水分别雾化喷洒其余6组矿料中，适当搅拌使得水分分散均匀。将不同含水率的集料成型马歇尔试件，在室温下养生24 h，养生完毕后放入60 ℃水箱中水浴保温0.5 h，测定试件的空隙率和稳定度，试验结果如图3和图4所示。
由图3和图4中空隙率和稳定度的变化曲线可知，混合料空隙率基本不受集料含水率影响，而马歇尔稳定度与集料含水率密切相关。当集料含水率为0%时，冷拌环氧沥青混合料的马歇尔稳定度为56.23 kN，随着集料含水率的增加，混合料的马歇尔稳定度呈现逐渐减小的趋势。当集料含水率保持在1%之内时，稳定度的变化较小;当集料含水率超过1%时，稳定度开始快速降低，集料含水率达到1.5%时，其稳定度比0%含水率沥青混合料降低了32.6%，此时已经不再满足稳定度大于40 kN的规范要求。
这是因为环氧沥青和集料之间的黏附性比较强，但受水分影响，当集料中水分比较少时，沥青和集料之间的黏附效果所受影响较小，所以含水率在1%以内时，马歇尔稳定度的变化较小。随着集料含水率进一步增加，在环氧沥青与集料拌和时，集料表面的水分子会渗入到环氧体系中，由于采用胺类固化剂，其与环氧树脂发生开环反应过程中会产生各级胺类活性基团，在潮湿条件下这些活性基团很容易和水分子发生氢键作用，无法与环氧基继续反应，影响到环氧树脂三维交联结构的形成，从而降低了马歇尔稳定度。综合考虑施工质量，推荐矿料含水率应不高于1%。
2.3 混合料容留时间的影响
从环氧沥青A、B组分与集料开始混合，到运输至摊铺现场摊铺、压实，环氧沥青混合料的黏度在不断变化，施工过程中难免会出现运输车辆故障、交通管制等一些无法预估的问题，进而导致混合料摊铺、压实时间的推迟。因此，需要考虑时间差异和温度差异对混合料性能造成的影响。研究时温因素对冷拌环氧沥青的黏度增长规律和冷拌环氧沥青混合料的马歇尔稳定度的影响，评价其施工容留時间。
2.3.1 冷拌环氧沥青黏度
采用布式黏度仪测试冷拌环氧沥青在不同温度下的黏时曲线，以评价冷拌环氧沥青混合料的施工容留时间，试验结果如图5所示。
由图5可知，在固化初期，冷拌环氧沥青材料的黏度增长相对缓慢，不同拌和温度对其早期黏度的影响较小，均保持在较低的黏度水平。同时，冷拌环氧沥青后期黏度増长的速度和拌和温度关系密切，拌和温度越高，黏度开始急剧增加的时间节点越靠前，增长速度也相对较快。这种现象可能是由于温度升高，增大活化分子的数量，反应物分子间的有效碰撞增加，加快了固化反应的速率，因而黏度增长的速度也相应加快。在10～40 ℃内，冷拌环氧沥青结合料黏度增长至3 （Pa·s）所用时间超过120 min;其中当拌和温度为10 ℃时，所用时间超过 150 min，说明冷拌环氧沥青在进入凝胶态之前，具备足够的施工容留时间，能满足实际的施工需求。
2.3.2 冷拌环氧混合料容留时间
在10、20、30、40 ℃4种不同温度条件下，成型不同保温时间后的冷拌环氧沥青混合料试件，待试件养生完全后，测试其马歇尔稳定度和空隙率，试验结果如图6和图7所示。
由图6和图7可知，由于环氧沥青固化体系前期黏度增长缓慢，保温120 min内成型的混合料马歇尔试件空隙率和稳定度均差别不大，满足规范要求。随着成型时间增加，环氧沥青进入凝胶化状态，固化速率开始迅速增大，环氧沥青体系黏度进一步增加，在马歇尔击实作用次数相同的情况下，试件的空隙率迅速增加，稳定度也随之下降。
不同温度条件对环氧沥青混合料马歇尔性能指标也有很大影响，随着成型温度的上升，马歇尔试件空隙率和稳定度开始变化的时间节点也随之提前;保温时间相同时，马歇尔试件空隙率增加和稳定度降低的幅度也随着温度的上升而变大。
综合马歇尔试件的空隙率和稳定度指标，冷拌环氧沥青混合料在10 ℃和20 ℃条件下保温和成型时，施工容留时间上限为 150 min，最佳施工容留时间为120 min，能够保证实际施工时运输和摊铺的时间需求;在30 ℃和40 ℃条件下保温和成型时，120 min后成型试件的马歇尔稳定度开始逐渐降低，空隙率也逐渐增大，可知在该温度下施工容留时间减少，施工容留时间上限以及最佳施工容留时间均为120 min，可以满足环氧沥青混合料施工时的一般需求。
2.4 混合料养生温度的影响
自然条件变化多样，施工温度也并非恒定，尤其对于钢桥面铺装层，由于正交异性板的导热性较差，相对应的铺装层在高、低温环境下的温度差异也就越大。因此，需探究不同养生温度下环氧沥青混合料的强度增长规律，并在此基础上确定其养护方案的时温控制指标。
制备成型马歇尔试件，在不同温度下（20、40、60℃）恒温养护，分别在恒温养护4、6、8、10、12、16、20、24 h后取出测试，马歇尔稳定度试验结果如图8所示。
由图8中可知，随着养生时间的增加，冷拌环氧沥青混合料稳定度呈现先平缓，而后快速增大，最后趋于稳定的三阶段变化状态。前期由于环氧沥青体系固化反应未充分进行，稳定度增长较为平缓，随着养护时间的延长，后期稳定度增长速度迅速增大，直至达到最终强度。同时，不同养护温度对冷拌环氧沥青混合料稳定度的增长速度也有很大影响，养护温度越高，固化反应速度越快，混合料稳定度的增长速度也就越大。结合稳定度达到40 kN的要求，冷拌环氧沥青混合料20 ℃养护12 h后可开放交通，达到最终强度需20 h;40 ℃养护10 h后可开放交通，达到最终强度需16 h;60 ℃养护8 h后可开放交通，达到最终强度需10 h。与热拌环氧沥青混合料养生时间（10 d）[16]、温拌环氧沥青混合料的养生时间（15 d）[17]相比，冷拌环氧沥青混合料具有更短的養生时间，能够实现实际工程中快速开放交通的目的。
2.5 小结
综上所述，沥青存储方式上，敞口胶桶存储时由于A、B组分的氧化，沥青混合料强度会受到极大的时域损伤，而密封铁桶和密封胶桶存储可较好地留置混合料强度。在矿料含水率上，随着集料含水率的增加，环氧固化过程中的活性基团与水分子的反应会使得固化不完全，马歇尔稳定度呈现渐减小，且超过矿料含水率1%阈值时，强度性能急速衰减。在混合料容留时间上，混合料黏度随容留时间逐渐增加，马歇尔稳定度随容留时间逐渐减少，以120 min为最佳容留时间。10 ℃和20 ℃保温成型时，施工容留时间阈值上限可扩展为150 min。而混合料的养生温度越高，固化反应速度越快，最终强度成型越早，且养生时间远远短于热拌及温拌环氧沥青混合料。
3 结论
本文结合早强型环氧沥青混合料的性能特性，对其在不同环境下的施工技术进行研究，首先分析了早强型环氧沥青常温下长期存放后的性能稳定性，比较得出适宜储存方式;其次从实际施工检测角度以及沥青混合料冷拌特性考虑，明确了集料含水率的控制值;然后结合早强型环氧沥青黏度的时温特性。从而确定了其在不同温度下的施工容留时间控制指标;最后基于不同养护温度下早强型环氧沥青混合料的稳定度增长规律，确定其养护时间控制指标。
（1）沥青混合料存储方式直接影响环氧树脂氧化损伤量。矿料含水率过高会阻碍固化反应的彻底进行。而施工容留时间以及混合料养生温度与施工难度密切相关，并决定混合料最终强度质量。
（2）组分敞口存储的冷拌环氧沥青，随着存储时间延长，其稳定度和动稳定度均显著降低;采用密封铁桶装和密封胶桶装时，冷拌环氧沥青混合料性能基本稳定。综合施工成本考虑，推荐冷拌环氧沥青结合料的A、B组分采用密封胶桶分开存储，以保证在施工工期内的性能稳定性。
（3）冷拌环氧沥青混合料空隙率基本不受矿料含水率影响，而马歇尔稳定度随着矿料含水率的增加而减小，当集料含水率超过1%时，稳定度不满足大于40 kN的规范要求。建议施工中所用集料含水率控制在1%以内，以保证混合料的路用性能稳定。
（4）10～40 ℃区间内，冷拌环氧沥青结合料黏度增长至3 （Pa·s）所用时间大于120 min。同时，冷拌环氧沥青混合料在10 ℃和20 ℃下的施工容留时间上限可达 150 min;在30 ℃和40 ℃下的施工容留时间上限可达到120 min，均可以满足环氧沥青混合料施工时间的一般需求。
（5）冷拌环氧沥青混合料养护时间短，可以实现快速开放交通的目的。
【参 考 文 献】
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