冷拌環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究

李林波，徐建暉，代劍鋒，陳 誠

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400060)

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冷拌環(huán)氧瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究

李林波，徐建暉，代劍鋒，陳 誠

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 400060)

將彩色瀝青、環(huán)氧樹脂在一定相容劑作用下進(jìn)行強(qiáng)制攪拌融合，并配合使用定量固化劑，從而形成一種淺色冷拌瀝青膠結(jié)料。該膠結(jié)料易于改色，所生產(chǎn)的混合料其路用性能較傳統(tǒng)瀝青混合料更優(yōu)異，適用于彩色化城市快速公交系統(tǒng)(BRT)、彩色非機(jī)動(dòng)車道等彩色路面鋪筑。目前該混合料已在貴州省遵義市公交車站臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，效果顯著。

城市快速公交系統(tǒng)(BRT)；冷拌混合料；彩色路面

近年來，中國城市化建設(shè)飛速發(fā)展，但在發(fā)展的同時(shí)城市交通問題日趨嚴(yán)重。為此，“優(yōu)先發(fā)展城市公共交通”便成為解決當(dāng)前中國城市交通問題的首要方案，而城市快速公交系統(tǒng)(BRT)則是這一方案的重要組成部分。目前，大部分BRT并非獨(dú)立的交通系統(tǒng)，大量私家車擠占BRT車道對(duì)其運(yùn)行造成較大影響。因此，隨著BRT的發(fā)展，為更好地起到公交專用通道警示作用，彩色化路面鋪裝便成為BRT的主要鋪裝形式，其中以彩色薄層與熱拌彩色瀝青混凝土應(yīng)用最為廣泛。但以彩色薄層與熱拌彩色瀝青混凝土為主的BRT并不能承載公交系統(tǒng)所帶來的重載荷。2種鋪裝形式的路面均存在路用性能差、高低溫性能有缺陷、易出現(xiàn)車轍及開裂等現(xiàn)象。BRT中公交車道常見車轍及開裂見圖1[1-2]。

針對(duì)以上問題，本文借鑒鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青，通過試驗(yàn)，對(duì)一種彩色、冷施工、高模量、性價(jià)比高的冷拌彩色環(huán)氧瀝青進(jìn)行了研究。冷拌彩色環(huán)氧瀝青利用反應(yīng)性環(huán)氧樹脂的高模量與冷施工，以及彩色瀝青較好的協(xié)同增韌作用，來增強(qiáng)其斷裂韌性與強(qiáng)度，滿足公交車道所需的高承載力、高剪切力及色彩交通分區(qū)要求。本文主要基于彩色冷拌型高載荷路面，結(jié)合環(huán)氧樹脂應(yīng)用于彩色冷拌瀝青路面的具體要求，通過試驗(yàn)對(duì)材料的組成設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。且通過配合比設(shè)計(jì)確定冷拌彩色環(huán)氧瀝青混合料的礦料級(jí)配，并與熱拌彩色瀝青混合料、進(jìn)口冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行高低溫性能、水穩(wěn)定性等路用性能比較。

圖1 BRT中公交車道常見破壞形式

1 冷拌環(huán)氧瀝青膠結(jié)料性能試驗(yàn)研究

1.1 材料組成

冷拌環(huán)氧瀝青膠結(jié)料(簡稱ZX-冷拌)由A、B雙組分組成，A組分由環(huán)氧樹脂、彩色瀝青及其相容劑(MS-3)組成，該組分為褐色均相稠狀液體；B組分為專用固化劑(G-1)。將A、B組分按規(guī)定比例混合，即得ZX-冷拌。ZX-冷拌為淺褐色均相液體，具有較好流動(dòng)性。

1.2 材料選擇

試驗(yàn)時(shí)，選用的ZX-冷拌主要由下述材料組成：E-44環(huán)氧樹脂；彩色瀝青；G-1固化劑；MS-3相容劑。

1.3 試樣制備

ZX-冷拌試樣制備程序如下：將彩色瀝青置于反應(yīng)釜中并加熱至80 ℃；待彩色瀝青完全軟化后，按比例加入環(huán)氧樹脂，攪拌均勻；添加一定重量比例的MS-3相容劑，攪拌均勻并80 ℃恒溫下反應(yīng)2 h；反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，即得到ZX-冷拌A組分；將A組分與B組分(G-1固化劑)按照比例混合即得ZX-冷拌。ZX-冷拌經(jīng)4 h反應(yīng)后可固化成型。

1.4 膠結(jié)料性能測(cè)試

本文主要從斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度、粘度及固化時(shí)間3方面對(duì)ZX-冷拌進(jìn)行性能研究。A、B組分性能指標(biāo)見表1，膠結(jié)料固化后性能指標(biāo)見表2[3]。

表1 ZX-冷拌A、B組分性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 ZX-冷拌固化后性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，ZX-冷拌為淺色膠結(jié)料，易于著色，能形成較為鮮艷的顏色，同時(shí)A、B組分在常溫下(25 ℃)混合后的粘度適宜于常溫混合料拌和，且可保證混合料不發(fā)生較大離析。

由表2可知，ZX-冷拌具有較好力學(xué)性能，其粘結(jié)強(qiáng)度高，強(qiáng)度與柔性平衡，致使混合料具有較為平衡的高低溫性能；其凝膠時(shí)間長，致使現(xiàn)場(chǎng)施工具有充足的可操作時(shí)間。綜上所述，ZX-冷拌具有較強(qiáng)施工性。

2 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

為深入了解冷拌環(huán)氧混合料的性能，本文通過馬歇爾、凍融劈裂、低溫彎曲、車轍等試驗(yàn)對(duì)冷拌環(huán)氧混合料性能進(jìn)行測(cè)試，主要考察瀝青混合料的高溫穩(wěn)定、低溫開裂、抗水侵蝕能力等，并將其與重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司生產(chǎn)的熱拌彩色瀝青(簡稱LS)、進(jìn)口冷補(bǔ)膠結(jié)料(簡稱CS)進(jìn)行比較。另外，本文基于JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)上述3種混合料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-5]。

2.1 材料組成及配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)集料采用玄武巖與石灰?guī)r礦粉，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》要求[6]。試驗(yàn)級(jí)配見表3，具體材料組成及油石比見表4。

表3 混合料礦料級(jí)配組成

表4 材料組成及油石比

2.2 馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。ZX-冷拌與CS試件成型后，在60 ℃條件下養(yǎng)護(hù)48 h；LS試件成型后，在常溫下(25 ℃)養(yǎng)護(hù)48 h。養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，ZX-冷拌與CS的馬歇爾穩(wěn)定度較高，其主要原因是混合料中環(huán)氧固化后形成不溶不熔三維膠聯(lián)體系，其致使ZX-冷拌機(jī)械性能得以大幅提升，力學(xué)性能得到極大增強(qiáng)。由此可知，添加環(huán)氧的瀝青混合料比常規(guī)瀝青混合料具有更高的穩(wěn)定度和更小的流值。穩(wěn)定度越高，混合料所能承受的載荷就越高；流值越小，混合料所受載荷后的形變也就越小。三者相比，ZX-冷拌在穩(wěn)定度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。而BRT中所涉及的路面屬于重載荷路面，需采用較高穩(wěn)定度的混合料進(jìn)行鋪裝。因此，由馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知，ZX-冷拌適合于BRT[7-8]。

表5 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 高溫車轍試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了瀝青混合料60 ℃高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，ZX-冷拌的車轍高達(dá)45 000次，遠(yuǎn)高于規(guī)范須大于3 000次的要求。與LS相比，其動(dòng)穩(wěn)定度為LS的10倍；與CS相比，其優(yōu)勢(shì)仍然明顯。ZX-冷拌中，通過添加相容劑使彩色瀝青與高性能彈性體形成高融合度的膠聯(lián)體系，此交聯(lián)體系形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提升了混合料的機(jī)械性能，使ZX-冷拌擁有更好的車轍性能。BRT的主要病害為車轍，故擁有良好抗車轍性能便可減小車轍病害的發(fā)生率，延長道路使用壽命。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，由于ZX-冷拌具有較高的動(dòng)穩(wěn)定度，故其具有較強(qiáng)的抗車轍性能。

表6 車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 低溫彎曲試驗(yàn)

開裂是國內(nèi)外瀝青路面使用中均會(huì)遇到的主要病害之一，無論是寒冷地區(qū)， 還是非寒冷地區(qū)，瀝青路面開裂均是普遍現(xiàn)象。路面開裂后，降水滲入路面，會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重危害。因此，有必要對(duì)瀝青路面的低溫開裂性能進(jìn)行深入研究。目前，采用何種試驗(yàn)方法和指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青及瀝青混合料的低溫性能，以控制或消除瀝青路面的溫度裂縫，依然是國際上的一個(gè)重要研究課題。特別是對(duì)于采用類似于環(huán)氧瀝青路面而言，因其剛度較大，故開裂的危險(xiǎn)性就更大。

混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，2種冷拌環(huán)氧瀝青低溫性能均優(yōu)于熱拌瀝青LS。對(duì)比ZX-冷拌與CS，可以發(fā)現(xiàn)，ZX-冷拌的彎拉應(yīng)變大于CS，其勁度模量小于CS。這是因?yàn)閆X-冷拌進(jìn)行了增韌改性，故ZX-冷拌具有較強(qiáng)的低溫性能。

表7 混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.5 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)固化試件進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)，以檢測(cè)殘留馬歇爾穩(wěn)定度，從而檢測(cè)瀝青混合料的抗水損害能力。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表8。由表8可知，ZX-冷拌水穩(wěn)定性滿足現(xiàn)行規(guī)范要求(≥80%)。本文對(duì)ZX-冷拌的基本特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，ZX-冷拌以環(huán)氧樹脂為基體，通過環(huán)氧樹脂的固化交聯(lián)反應(yīng)，使ZX-冷拌形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將各組分粘聚起來，并能承受一定的外應(yīng)力，因此在高溫、低溫及有水條件下，ZX-冷拌不易出現(xiàn)離析[9]。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.6 紫外老化試驗(yàn)

瀝青混合料鋪筑在室外，長期經(jīng)受暴曬與雨淋后會(huì)產(chǎn)生褪色及膠結(jié)料老化現(xiàn)象。為此，對(duì)瀝青混合料及膠結(jié)料進(jìn)行了紫外老化試驗(yàn)。試驗(yàn)采用紫外老化箱，將ZX-冷拌與瀝青混合料同時(shí)進(jìn)行48 h不間斷紫外老化，老化前、后材料對(duì)比見圖2。

圖2 ZX-冷拌紫外老化前、后對(duì)比

紫外老化前、后，瀝青混合料與ZX-冷拌均無明顯褪色，且ZX-冷拌無形變、起泡。性能檢測(cè)結(jié)果表明，瀝青混合料與ZX-冷拌性能無明顯衰減。由此可知，ZX-冷拌具有較好抗紫外老化性能。ZX-冷拌紫外老化試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 紫外老化后ZX-冷拌及瀝青混合料性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

3 遵義市公交車站試驗(yàn)段

選擇貴州省遵義市公交車站臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)段鋪筑。試驗(yàn)段面積120 m2，厚4 cm，采用ZX-冷拌AC-10混合料。試驗(yàn)段鋪筑完成后進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)時(shí)間檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，混合料養(yǎng)護(hù)9 h后初步形成強(qiáng)度且可以開放交通，養(yǎng)護(hù)48 h后達(dá)到最大穩(wěn)定度61.7 kN。試驗(yàn)段完成1年后再次對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)公交車站除路面表層污染外，路面完整度良好，無坑槽、脫落現(xiàn)象，無病害發(fā)生。不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下ZX-冷拌AC-10混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下ZX-冷拌AC-10混合料 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)性分析

ZX-冷拌屬于反應(yīng)型瀝青膠結(jié)料，反應(yīng)型瀝青膠結(jié)料因價(jià)格偏高，故難以大面積采用。熱拌彩色瀝青由于其路用性能低下，無法用于諸如BRT等特殊領(lǐng)域。本文基于大量的試驗(yàn)研究，得出若將彩色瀝青作為填充材料添加到環(huán)氧樹脂中，則ZX-冷拌價(jià)格將會(huì)大幅降低的結(jié)論。ZX-冷拌售價(jià)為 30 000 元/t。

ZX-冷拌與熱拌彩色瀝青(8 000～9 000元/t)相比，價(jià)格略高，但彩色熱拌瀝青無法在車行道和BRT等交通荷載較大路面中使用，且其使用壽命較短，平均使用壽命為2～3年。ZX-冷拌可在BRT等重載交通路面及極端氣候地區(qū)使用，其使用平均壽命為8～10年。由此可知，ZX-冷拌材料具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

ZX-冷拌與CS冷拌混合料環(huán)氧瀝青(75 000元/t)相比，價(jià)格適宜，且性能優(yōu)異。目前CS多用于路面修補(bǔ)，且色彩單一，使用具有較大局限性。

綜上所述，ZX-冷拌具有較好經(jīng)濟(jì)性。不同類型瀝青價(jià)格對(duì)比見表10。

表10 不同類型瀝青價(jià)格對(duì)比

5 結(jié)論

1) ZX-冷拌性能優(yōu)于熱拌彩色瀝青，其使用壽命長，不易出現(xiàn)熱拌彩色瀝青的常見病害，更適用于BRT、重載荷交通及極端環(huán)境地區(qū)的路面鋪筑。

2) ZX-冷拌施工工藝簡單，無需加熱，在常溫下拌和即可，可節(jié)約大量能量，并降低粉塵污染。其操作時(shí)間可達(dá)到4 h，實(shí)際開放交通時(shí)間為12～24 h，施工難度進(jìn)一步降低。

3) ZX-冷拌路用性能優(yōu)異，可調(diào)配顏色，價(jià)格適中，應(yīng)用范圍很廣。

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Mixing Ratio Design and Road Performance Research on Cold-mix Epoxy Asphalt Mixture

LI Linbo, XU Jianhui, DAI Jianfeng, CHEN Cheng

This paper introduces forced mixing fusion of colored asphalt and epoxy resin under certain compatilizer, in combination of quantitative curing agent, to form a light color cold mix asphalt cement. The color of this cement is easy to change, and the road performance of the mixture is better than conventional asphalt mixture, may apply on colored payment for BRT or colored non-motorized vehicle lane. By now, this mixture is applied on bus stations in Zunyi City, Guizhou Province and the effect is quite obvious.

Bus rapid transit (BRT); cold-mix mixture; colored pavement

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.004

2016-05-11

李林波(1978-)，男，湖北省鐘祥市人，碩士，高工。

1009-6477(2016)05-0013-05

U416.217

A