后掺法环氧阻燃沥青混合料路用性能及工程应用

张林艳，柏 耘，孙武云，周 宇，封基良

(1.云南大学 建筑与规划学院，昆明 650000；2.昭通市交通建设工程质量安全监督局，云南 昭通 657000；3.云南武倘寻高速公路建设指挥部，昆明 650100；4.云南省交通运输厅综合建设处，昆明 650000；5.云南畅坦科技有限公司，昆明 650012)

随着高速公路建设向深山峡谷及地质条件更加艰险的区域延伸，公路桥隧比大幅升高，且以隧道占比增幅尤为突出。截止2019年底，全国公路隧道19 067处、18 966.6 km，仅2019年新增1 329处、1 730.5 km，其中特长隧道1 175处、5 217.5 km，长隧道4 784处、8 263.1 km。我国已成功修建了世界级的超特长山岭隧道和水下隧道，如单洞长18.02 km的秦岭终南山隧道及6.21 km的港珠澳大桥沉管隧道。这些世纪工程的建成，极大地提升了我国公路隧道建造技术。但同时，超长隧道工程存在空间相对狭小、内部光线差、环境相对封闭、行车单调、易引发行车疲劳及行车安全的隐患问题，是运营期极其重要的问题[1-2]。隧道运营过程中，世界上许多国家都发生过不同程度的火灾事故，隧道火灾已成为一个国际性难题[3-4]。为此，许多学者从隧道路面安全性能调查与分析[5-6]、燃烧机理、阻燃方面开展了大量研究[7-12]。目前，隧道路面主要有水泥混凝土路面及复合式沥青混凝土路面2种类型，隧道行车环境的特殊性、路面抗滑性能和耐久性是影响高速公路隧道交通安全的重要因素[7,13-17]。沥青路面铺筑施工时烟尘大、能耗高，运营期间的水损害、使用耐久性、防火灾以及行车安全性问题等都无疑限制了普通热拌沥青混合料在公路隧道路面铺装中的应用[18-19]。

环氧沥青是一种高性能化学改性材料，具有强度高、刚度大、疲劳寿命长、抗化学腐蚀、耐高温、节能环保等优点[20-22]，尤其是在400 ℃不发生形变，拥有高熔化点的特性，使得环氧沥青在隧道特别是特长隧道应用时，可有效避免火灾引发隧道路面燃烧、软化等次生灾害。施工时辅以掺加阻燃材料及烟雾剂后可形成阻燃型环氧沥青隧道路面，环氧沥青将拥有阻燃、防滑、耐腐蚀、耐久等普通沥青无可比拟的优越性，使之成为目前特长隧道路面铺筑材料的最佳选择。

尽管环氧沥青优点非常突出，但其成本高，加上施工要求苛刻，实际工程应用范围受限[20,23]，目前主要用于大跨径钢桥面铺装。为此，本文针对环氧沥青施工要求苛刻、施工难度大、造价高的问题，研发了树脂比例仅为6%～11%的低树脂掺量环氧沥青，通过系统路用性能试验及耐久性评价，证实了自主研发的后掺法环氧沥青混合料是一种可推广用于工程实际的卓越路用材料。

1 环氧沥青后掺法工艺

环氧沥青混合料常规施工方法为：先将环氧沥青A、B组分按一定比例均匀混合，并与加热除尘后的集料拌和，拌和完成后运输至施工现场摊铺、碾压，工艺流程如图1(a)所示。这一方法最大的缺陷在于A、B组分一接触，固化反应随即开始，要求拌和、运输、摊铺、碾压整个工艺环节必须在特定的要求下完成，容许施工时间一般少于1 h，且受温度影响很大，施工要求苛刻、质量隐患大。由于容许施工时间短，因此，要求拌和设备必须就近设置在工程附近，致使该法施工单价高昂，限制了推广应用。

后掺法工艺是针对现有施工工艺方法缺陷及低树脂掺量环氧沥青研发基础上提出的一种革新施工方法，工艺流程如图1(b)所示。基本原理是将环氧沥青发生化学反应的组分分2步添加：1)掺量大的环氧沥青B组分在拌和场地与集料厂拌，严格控制级配、B组分的用量及拌和均匀性；2)将含B组分拌和好的混合料运至现场，然后通过专用摊铺设备准确、智能雾状添加环氧沥青A组分，并搅拌均匀后摊铺碾压。这一工艺减少了拌和过程等料、运输、现场待料等环节的影响，现场施工所需时间不到10 min，极大缩短了施工周期，克服了施工要求苛刻、应用范围受限的问题，质量风险显著降低，进而单价大幅降低。采用后掺法工艺施工环氧沥青混合料的前提条件是最佳油石比扣除A组分树脂后，拌和场地厂拌的环氧沥青B组分能与集料拌和均匀无花白料，因此要求A组分的掺量比较低，A组分与B组分的比例宜不高于100∶700。

(a)常规工艺 (b)后掺法工艺

2 室内后掺法制备环氧沥青混合料

2.1 材料及级配

2.1.1 原材料

环氧沥青由云南某公司提供，其中A组分环氧树脂为双酚A型E-51，B组分为基质沥青、增溶剂、固化剂及相关助剂组成的均质混合物，A组分与B组分质量比为100∶903，材料拉伸强度为3.6 MPa，23 ℃断裂延伸率为246%，满足规范要求。

集料由云南某项目施工单位采备，粗集料为玄武岩，细集料为石灰岩，矿粉为石灰岩加工而成。各种集料性能指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》及设计文件要求。

2.1.2 配合比

环氧沥青固化反应后为热固性材料，不会随使用温度的升高析出轻油组分，空隙率可小于3%甚至更低，且环氧沥青混合料强度形成主要依赖环氧沥青的固化，对集料间的内摩擦力依赖较小，故在配合比设计时，在保障构造深度的前提下，选择空隙率低的偏细级配。最终确定的矿料配合比为1#∶2#∶3#∶4#∶矿粉=35∶32∶7∶22.5∶3.5，确定最佳油石比为5.3%，合成级配通过率如表1所示。

表1 EAC-13C矿料合成级配

2.2 路用性能试验

为评价后掺法制备环氧沥青混合料性能，采用后掺工艺按上述级配及最佳油石比分2次室内拌和制得环氧沥青混合料，再按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中试验方法开展路用性能指标测试。指标包括空隙率、马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、劈裂强度、动稳定度、渗水系数、构造深度及摩擦系数，试验结果如表2所示。为全面了解环氧沥青相应路用性能指标的水平及效果，将环氧沥青的试验结果与使用最广的SBS改性沥青性能试验结果进行对比分析。

从表2可见，环氧沥青混合料的性能较目前常用的SBS改性沥青混合料在高温、低温、水稳定性及柔性均有显著提高，是一种高性能路面新材料。

表2 后掺法制备环氧沥青及SBS改性沥青混合料性能试验结果对比

2.3 动态模量试验

动态模量是力学—经验法沥青路面设计的重要参数。本文采用动态伺服液压沥青混合料试验系统(UTM)对后掺法制备环氧沥青混合料、SBS改性沥青混合料动态模量进行测定和对比。试验温度选定-10 ℃、5 ℃、20 ℃、50 ℃；加载频率选定0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。不同温度条件、不同加载频率下，环氧沥青混合料与SBS改性沥青混合料动态模量对比结果如表3所示。

表3 环氧沥青混合料与SBS改性沥青混合料动态模量的对比

从表3可见，环氧沥青混合料与SBS改性沥青混合料相似，动态模量随温度升高、加载频率的减小而减小，具有典型的粘弹性特征。但在高温、低频条件下，环氧沥青混合料模量远高于SBS改性沥青混合料，进一步验证了环氧沥青混合料优越的高温性能；而在低温及高频条件下，环氧沥青混合料的模量与SBS改性沥青混合料模量差值及比例的变小，进一步验证了环氧沥青混合料良好的低温性能及较小的温度敏感性。

2.4 长期性能模拟测试

为研究隧道路面环氧沥青铺装层的耐久性，本文采用南非研发的MMLS3加速加载设备进行试验。轮胎加载压力为0.7 MPa，加载频率为26.67 Hz。室内采用旋转压实设备先制备成型直径150 mm、高度100 mm的圆柱体试件，再对称切割两圆弧制成宽105 mm的试件并固定。试验采集中部断面，测点数200个，加载至5 000次时测量试件断面数据作为初始读数，后续采集3.75万次、10万次、30万次，加速加载测得数据的典型曲线如图2所示。

图2 环氧沥青混合料捕装层60 ℃浸水条件下加速加载试验结果

从图2可以看出，环氧沥青混合料铺装层在60 ℃浸水试验条件下，除两端与中间试件不平，局部下凹外，加速加载作用3.75万次、10万次、30万次的变形基本重合，最大车辙深度仅为1.5 mm，未出现掉渣及脱粒现象，表明环氧沥青混合料即使在浸水条件下，仍具有良好的抗车辙能力及抗水损坏能力。

2.5 热固性及耐腐蚀性

环氧沥青混合料制成的小梁试件，在60 ℃煤油浸泡7 d后依旧完整、未见掉渣及脱粒现象；在240 ℃条件烘箱放置4 h后外观完整，用纸巾探试表面未变黑，沥青未析出。放置于燃烧炉进行燃烧试验，温度达430 ℃，取出仍未出现坍塌及形变。说明环氧沥青混合料同时兼具优异的耐腐蚀性和耐热性。

2.6 防火性能

为模拟油罐车燃烧时，罐内燃料外泄时易燃化学物倾泻在隧道路面表面，并引发燃烧时隧道路面的损坏状况，按下述试验步骤和方法进行直观模拟测试：在开口直径约为20 cm、深约10 cm不锈钢材料盆底面放置环氧沥青马歇尔试件，然后添加95#汽油，浸泡深度至少高出试样表面3 cm，点火燃烧。观测火焰大小，燃烧前后芯样是否存在脱渣掉粒现象；测量燃烧时间、烧失量、燃烧前后的马歇尔强度损失。

燃烧快结束时，红外温度仪测试芯样试件表面温度超过300 ℃，因研发的环氧沥青混合料试件在约430 ℃环境中也没有可视形变，其熔融点高，故无论是否添加阻燃材料，外观均未出现掉渣及脱粒现象。燃烧后质量损失随阻燃剂及烟雾抑制剂掺量的增加而增大，但马歇尔强度指标燃烧前后强度相当，强度损失小于5%。

3 后掺法环氧沥青混合料工程应用

为验证后掺法环氧沥青混合料摊铺时树脂添加量控制效果及拌和均匀性，将该成果用于云南某一级公路隧道路面铺设。该隧道单洞长约750 m，隧道路面宽7.3 m，结构设计方案为26 cm水泥混凝土+3 cm后掺法环氧沥青混凝土EAC-13。

3.1 现场均匀性试验

为评价横、纵断面不同位置现场环氧沥青混合料的均匀性，对后掺环氧沥青A组分并搅拌均匀后的混合料，在现场取样并用马歇尔击实仪成型后，置于120 ℃烘箱快速固化。然后在60 ℃恒温水箱放置时间不少于30 min后，按马歇尔试验方法，用可控制加载速率的万能试验机按50 mm/min±5 mm/min的加载速率进行试验，并记录稳定度及流值。

3.1.1 横断面位置均匀性试验

不同断面位置的马歇尔试验结果统计如图3所示。从图3可见，除摊铺机中部位置强度相对较低外，试件的强度总体较好，且偏差较小，整个断面的马歇尔强度变异系数在10.1%以内。马歇尔稳定度单个试件最小值为61.0 kN，最大值为89.6 kN，远大于GB/T 30598—2014《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》路面用环氧沥青混合料不小于20 kN及混凝土桥面用环氧沥青混合料马歇尔稳定度不小于30 kN的要求。摊铺机中部马歇尔试验结果偏低，说明现有摊铺机的搅拌及分散能力还有待提升，螺旋布料器具有一定的搅拌能力，能有效提升二次搅拌的均匀性。

图3 不同断面位置马歇尔试验结果统计

3.1.2 纵坡位置均匀性试验

评价后掺法环氧沥青混合料摊铺均匀性的马歇尔试件共28个，试验结果如图4所示。制件混合料取自不同的运料车及横、纵断面不同位置专用后摊法摊铺后的混合料，并在容留时间内成型。现场马歇尔成型后，置于120 ℃烘箱养生4 h后试验，测得的马歇尔稳定度最大值为89.6 kN，最小值为61.0 kN，平均值为75.6 kN，变异系数为9.1%；最大空隙率为6%，最小为2.5%，平均空隙率为3.8%；最大流值为4.12 mm，最小为2.25 mm，平均值为3.02 mm。从试验结果看，现场后掺法生产的环氧沥青混合料性能略优于实验室制备的混合料性能，且变异系数小于10%，进一步验证了后掺工艺法的可行性及有效性。

图4 不同位置马歇尔试验结果散点

3.2 实体工程指标检验结果

混合料性能为拌和楼拌和后的B组分混合料取样后，在实验室按比例添加环氧沥青A组分后进行制件检验，测试指标包括水稳定性、车辙动稳定度及工程实体厚度、压实度、路面渗水、构造深度、摆式摩擦值、平整度，试验结果如表4所示。

表4 实体工程检测结果

通过试验检测，在隧道水泥混凝土路面上加铺3 cm环氧沥青混合料EAC-13，能有效提高路面平整度，改善行车条件。后掺法环氧沥青混合料路用性能及实体工程检测指标符合设计及规范要求。

4 结束语

1)后掺法环氧沥青混合料将环氧沥青A、B两个组分分2步添加后，有效减少了拌和、等料、运输及待料的施工环节，A、B两组分混合后施工周期短，质量风险低，可有效解决运输及施工周期带来的应用范围受限问题。

2)室内二次拌和后掺法成型试件马歇尔稳定度为77.17 kN，浸水残留稳定度为95.5%，冻融劈裂强度比为90.6%，60 ℃动稳定度为31 500次/mm，-10 ℃低温弯拉强度为9.45 MPa，弯拉应变为 3.65×10-3，60 ℃浸水条件下南非小型加速加载作用30万次无脱粒掉渣，且最大变形量仅为1.5 mm，具有耐化学腐蚀、阻燃特性，表明后掺法环氧沥青混合料是一种卓越的路面混合料。

3)拌和站拌和的B组分混合料二次拌和成型制件及现场经二次拌和后摊铺混合料马歇尔结果表明，后掺拌和均匀，马歇尔稳定度远大于规范20 kN稳定度的要求，证明后掺法环氧沥青路面是一种可行且效果良好的隧道路面铺筑方案。

4)在既有隧道水泥混凝土路表仅加铺一层后掺法环氧沥青混合料的方案，通过严格控制施工过程，平整度指标平均值为0.71 m/km，构造深度为0.78 mm，换算20 ℃摆值为69.0，是一种良好的长寿命的功能性路表。