一种环氧树脂改性乳化沥青混合料设计方法 |
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| 申请号 | CN201610015341.5 | 申请日 | 2016-01-11 | 公开(公告)号 | CN105731908A | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 北京建筑大学; | 发明人 | 季节; 索智; 许鹰; 杨松; 刘禄厚; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种环 氧 树脂 改性乳化 沥青 混合料设计方法，该方法适用于 水 性 环氧树脂 改性 乳化沥青 混合料，包括选择沥青混合料的种类、选择原材料，设计级配，确定掺水量，确定乳液用量以及检测性能。本方法是基于试验及理论分析总结发明的一种关于水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的设计方法。经试验证明，采用本发明设计的水性环氧树脂改性乳化沥青混合料，其路用性能好，满足工程要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种环氧树脂改性乳化沥青混合料设计方法，该方法适用于水性环氧树脂改性乳化沥青混合料，包括选择沥青混合料的种类、选择原材料，设计级配，确定掺水量，确定乳液用量以及检测性能，具体步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种环氧树脂改性乳化沥青混合料设计方法技术领域背景技术[0002] 随着环境污染的加重，冷拌沥青混合料低能耗无污染的特点越来越受到人们的关注，然而关于冷拌沥青混合料的设计方法并没有统一的指标及流程，在《公路沥青路面施工规范》(JTGF40-2004)中规定冷拌沥青混合料可参照规范第5章相应的矿料级配使用，并根据已有的成功经验经试拌确定设计级配范围和施工配合比。乳化沥青碎石混合料的乳液用量应根据当地实践经验以及交通量、气候、集料情况、沥青标号、施工机械等条件确定，也可按热拌沥青混合料的沥青用量折算，实际的沥青残留物数量可较同规格热拌沥青混合料的沥青用量减少10％～20％。可见其规定比较模糊，经验性比较强。 [0003] 在《乳化沥青路面施工及验收规范》(CJJ 42-1991)中也没有专门给出乳化沥青的设计方法，且该规范已经很多年没有更新。 [0004] 在现有的冷拌沥青混合料设计中有的工程按照《沥青路面再生应用技术规范》(JTG F41-2007)设计，有的工程按照《公路沥青路面施工规范》(JTG F40-2004)设计，并没有统一的设计方法及对比指标。 [0005] 而最新的冷拌水性环氧树脂改性乳化沥青混合料作为一种新材料，更没有与其相对应的设计方法。另外水性环氧树脂改性乳化沥青不同于传统的改性乳化沥青，因此，有必要提供一种新的设计方法，来设计水性环氧树脂改性乳化沥青冷拌混合料。 发明内容[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种环氧树脂改性乳化沥青混合料设计方法。 [0007] 本发明提供了如下的技术方案： [0008] 一种环氧树脂改性乳化沥青混合料设计方法，该方法适用于水性环氧树脂改性乳化沥青混合料，包括选择沥青混合料的种类、选择原材料，设计级配，确定掺水量，确定乳液用量以及检测性能，具体步骤如下： [0009] (1)根据工程要求选择沥青混合料的种类； [0011] (3)设计级配：根据选择的混合料类型设计级配； [0012] (4)确定外掺水量：通过修正土工试验，确定外掺水量； [0014] (6)检测性能：根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)检测所述环氧树脂改性乳化沥青混合料的性能，进行马歇尔稳定度试验，低温性能试验，高温性能试验，浸水马歇尔试验，冻融劈裂试验； [0015] (7)步骤(6)中性能指标全部满足要求时，则完成配合比设计，如果性能指标不满足要求，则从第2步开始，重新设计混合料，改变材料的组成或者改变级配，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)和(6)，直到满足要求为止，完成水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的设计。 [0016] 在上述方案中优选的是，步骤(2)中，所述集料按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行测试，并满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。 [0018] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述填料包括矿粉和水泥材料，所述矿粉按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行测试，并满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求；所述水泥材料按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)进行试验，并满足《通用硅酸盐水泥》(GB175—007)要求。 [0020] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述水性环氧树脂和固化剂选定后，需确定所述水性环氧树脂与所述固化剂的比例，通过理论计算获得水性环氧树脂与固化剂的理论配合比，具体计算方法如下：固化剂用量＝环氧树脂环氧值×固化剂活泼氢当量(环氧树脂和固化剂的值均为固含量的值)，进而确定所述水性环氧树脂与所述固化剂的比例。 [0021] 其中所述固化剂的用量相当于所述水性环氧树脂为100重量份时所需固化剂的量。 [0022] 在上述任一方案中优选的是，所述水性环氧树脂选自EP-12固体环氧树脂的水性乳液，EP-20固体环氧树脂水性乳液，EP-44半固体环氧树脂水性乳液，EP-51液体环氧树脂水性乳液中一种或几种；所述固化剂选自改性多元胺环氧固化剂水性乳液，改性脂肪胺环氧固化剂水性乳液，芳香胺环固化剂水性乳液中一种或几种。 [0023] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述乳化沥青选定后，首先将水性环氧树脂加入乳化沥青搅拌，然后将固化剂加入已经加入水性环氧树脂的乳化沥青，并进行试验，观察相容性及是否发生反应，相容性良好，混合后无明显变稠离析现象，则所述乳化沥青符合要求。 [0024] 因为有的树脂或者固化剂在加入时可能发生反应，主要现象为稠度明显增大以及沉淀离析等。 [0026] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中，修正土工试验的具体方法为：根据同种类热拌沥青混合料的经验沥青用量，确定一个初始的乳化沥青用量，以1％为梯度进行1-5％五个梯度的外加水，将混合料拌合，混合料拌合后进行四小时的闷料，再进行土工击实，然后再进行烘干，测量五个含水率下击实的结果；根据密度曲线，确定最佳含水率，其中此时的含水率为外掺水量与乳化沥青中的水量之和，考虑到四小时闷料过程中，水性环氧树脂与固化剂发生了固化反应得到水性环氧树脂乳化沥青混合料，对所述水性环氧树脂乳化沥青混合料的最佳外掺水量在土工试验的基础上进行修正，即确定最佳的含水量为：m＝m1-m2-0.5％，其中m1为土工试验中的最佳含水率，m2为乳化沥青中的水占矿料的百分比。 [0027] 其中，m2为乳化沥青中的水，假设乳化沥青固含量为65％，乳化沥青用量为7％，则水为7％*(1-65％)＝2.45％。 [0028] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中，初始的乳化沥青用量为相同类型的热拌沥青混合料的沥青用量减去其9-11％，然后将这个沥青用量换算为乳化沥青用量，并取整。 [0029] 例：热拌AC-13类型混合料经验油石比为4.5％，可取4％，乳化沥青的固含量为64.7％，换算为乳化沥青为：4％/64.7％＝6.18％，所以初始值取为6％。 [0030] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中，乳化沥青包括阳离子乳化沥青，阴离子乳化沥青和非离子乳化沥青中的一种或几种。 [0031] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中，所述闷料方法为将拌合好的混合料装入塑料袋，保证其与外界没有水分交换，在室温下保持4小时。 [0032] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中，所述闷料方法按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行；所述土工击实按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行；所述烘干按照《公路土工试验规程》(JTGE40—2007)进行。 [0033] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中，所述拌合方法为：首先将集料及水泥倒入拌合锅，在5-35℃进行干拌5-10s，加入外加水进行拌合30s，再加入乳化沥青拌合30-45s，加入矿粉，拌合30-45s。 [0034] 在上述任一方案中优选的是，步骤(5)中，通过修正马歇尔试验确定沥青混合料的油石比，具体方法为：按照配比首先将集料及水泥倒入拌合锅，在5-40℃进行干拌5-10s，再加入由步骤(4)确定的含水量的水，进行拌合30s，再加入乳化沥青，拌合30-45s，再加入矿粉，拌合30-45s，其中乳化沥青以初始值以及初始值的±1.0％，±2.0％五个乳化沥青用量进行试验，拌合完成后将混合料装到料盘中，称取一定质量的混合料装模进行马歇尔击实，两面各击实50次，第一个试件为试击实，击实完成后量测其高度是否在65±1.5mm范围内，后面试件装料质量根据高度值进行相应的调整，将击实完成的试件放入110℃烘箱中24h后，拿出进行二次击实，双面各击实25次，后在室温下养生24h，然后将试件脱模，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0702的方法实验规范进行试件的试验，按照《公路沥青路面施工规范》(JTG F40-2004)的附录B画出上述指标的曲线图，根据曲线图确定最佳的油石比。 [0035] 在上述任一方案中优选的是，步骤(5)中，初始值为相同类型的热拌沥青混合料的沥青用量减去其9-11％(优选为10％)，然后将这个沥青用量换算为乳化沥青用量，并取整。 [0036] 例：热拌AC-13类型混合料经验油石比为4.5％，可取4％，乳化沥青的固含量为64.7％，换算为乳化沥青为：4％/64.7％＝6.18％，所以初始值取为6％。 [0037] 最佳的油石比的确定，具体可见公路沥青路面施工规范附录B。 [0038] 在上述任一方案中优选的是，所述按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0702的方法实验规范进行试件的试验包括最大理论密度，密度。 [0039] 在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中，所述歇尔稳定度试验步骤为:首先按照步骤(5)介绍的方法进行试件制作，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0709-2011进行车辙及稳定度试验。 [0040] 在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中，所述低温性能试验步骤如下：按照高温性能试验介绍的方法制作车辙试件，将试件脱模进行切梁，对切割得到的沥青混合料小梁试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0715-2011沥青混合料弯曲试验进行试验。 [0041] 在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中，所述高温性能试验步骤为：首先成型车辙板，在混合料的成型过程成，配料与拌合方法与步骤(5)一致，将混合料装入试模后，首先进行第一次压实，第一次压实过程按照先压实两次后更换方向压实十二次的顺序进行，将压实后的试件放入110℃的烘箱中养生24h，养生完成后，进行二次压实，在压实十二次的方向上再进行6次压实，然后将所述试件放在室温下养生24h，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0719-2011沥青混合料车辙试验进行试验。 [0042] 在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中，所述浸水马歇尔试验步骤为：首先按照步骤(5)介绍的方法进行试件制作，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0709-201进行马歇尔稳定度试验并计算残留稳定度。 [0043] 在上述任一方案中优选的是，步骤(6)中，冻融劈裂试验步骤为：首先按照步骤(5)介绍的方法进行试件制作，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0729-2011进行冻融劈裂试验，并计算劈裂强度及冻融劈裂强度比。 [0044] 本发明使用的各原料可根据当地矿产情况选择，要满足规范要求。 [0045] 本发明中所涉及的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)、《通用硅酸盐水泥》(GB175—007)、《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)等均为中国采用的试验规范、技术规范、试验规程、通用标准、施工规范。 [0046] 各原料用量可选择性参考：总量为初步估算制作试件所需混合料的量，然后乘以一个大于1系数。例：制作四个马歇尔试件，每个试件约重1200g，共需4800g，乘以一个大于1的系数1.1，所以总量可以取5280g，其中集料+矿粉+水泥：水性环氧树脂改性乳化沥青＝100:8，所以为方便计算可取集料+矿粉+水泥为5000g，水性环氧树脂改性乳化沥青为400g。 [0047] 本发明是针对水性环氧改性乳化沥青这种新材料，基于试验及理论分析总结发明的设计方法。经试验证明，采用本发明设计的水性环氧树脂改性乳化沥青混合料，其路用性能好，满足工程要求。可以很好地反应这种材料的特点，缩短室内设计的时间，较传统热拌混合料节省10％左右的沥青。附图说明 [0048] 图1是本发明的一种环氧树脂改性乳化沥青混合料设计方法的流程示意图； [0049] 图2是实施例1中含水率与密度曲线； [0050] 图3是实施例1中确定最佳沥青用量曲线图。 具体实施方式[0051] 为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。 [0052] 实施例1： [0053] 本实施例以最大公称粒径为13.2的水性环氧树脂改性乳化沥青混合料设计为例，具体步骤如下： [0054] 1、根据工程要求选择沥青混合料的种类，即为最大公称粒径为13.2的水性环氧树脂改性乳化沥青混合料。 [0055] 2、原材料选择及性能测试 [0056] 试验所用原材料主要有0-5mm、5-10mm、10-15mm三种碎石材料，石灰岩矿粉，水泥，水性环氧树脂，固化剂以及乳化沥青。 [0057] 2.1试验前测试了矿料的密度试验数据如表1所示，以及水性环氧树脂、固化剂与乳化沥青的性能指标如表2，表3所示。 [0058] 表1矿料密度 [0059] [0060] 表2水性环氧树脂和固化剂的性质 [0061] [0062] 表3乳化沥青的性能指标(《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)) [0063] [0064] [0065] 按照水泥出厂报告可知其符合要求，再根据表1-3可知各原料符合要求。 [0066] 2.2计算水性环氧树脂和固化剂的配比: [0067] 以水性环氧树脂(EP51液体环氧树脂水性乳液-EP51)与固化剂(芳香胺环固化剂水性乳液-水性固化剂AB-HGF)的理论计算用量： [0068] 水性环氧树脂的环氧值为0.50，固化剂的活泼氢当量为250，那么100克E51环氧树脂所需要的AB-HGF水性环氧固化剂用量为：125克＝0.50×250。所以水性环氧树脂与固化剂的用量比例为1：1.25，根据固含量换算后，采用的水性环氧树脂：固化剂为1：1。 [0069] 先将水性环氧树脂加入乳化沥青，将其搅匀，发现二者混融较好，无反应，将固化剂加入后继续进行搅拌，观察混溶程度及黏度状况。 [0070] 可见水性环氧树脂、固化剂和乳化沥青符合要求。 [0071] 3.设计级配 [0072] 由于要设计最大公称粒径为13.2的混合料，通过电算法进行级配设计。 [0073] 表4.集料的级配组成 [0074] [0075] 本例所采用的沥青混合料级配如表5所示。 [0076] 表5沥青混合料的合成级配 [0077] [0078] 其中各档比例分别占 [0079] 10-15mm：5-10mm：0-5mm：矿粉：水泥＝30：27：38：4：1 [0080] 4.用水量确定 [0081] 4.1将各档集料按比例配置 [0082] 计算初始乳化沥青含量，普通的13粒径的热拌沥青混合料为4.5左右，所以此次采用的初始乳化沥青用量为6％。 [0083] 4.2共进行五组试验，含水率变化为1％-5％，含水量梯度为1％，2％，3％，4％，5％。 [0084] 4.3混合料拌合：首先将集料及水泥倒入拌合锅，在5-35℃进行干拌5-10s，加入外加水进行拌合30s，加入乳化沥青拌合30-45s，加入矿粉，拌合30-45s。将拌合好的混合料装入盘中并进行密封，进行四小时的闷料，后进行土工击实，然后进行烘干，测量五个含水率下击实的结果，将试验结果作图2和表5-1。根据确定最佳含水率为，后进行修正，修正后外掺水率为：2.7％。 [0085] 表5-1含水率与密度关系 [0086]含水率 3.17 4.23 4.53 5.24 5.78 密度 2.22 2.25 2.27 2.27 2.26 [0087] 5.确定乳化沥青用量 [0088] 5.1按照配比首先将集料及水泥倒入拌合锅，在5-40℃进行干拌5-10s，加入计算的水量2.7％，进行拌合30s，加入乳化沥青拌合30-45s，加入矿粉，拌合30-45s。其中乳化沥青分别为4.0％，5.0％，6.0％，7.0％，8.0％，五组试验。拌合完成后将混合料装到料盘中，称取一定质量的混合料装模进行马歇尔击实。两面各击实50次，第一个试件为试击实，击实完成后量测其高度是否在65±1.5mm范围内，后面试件装料质量根据高度值进行相应的调整。将击实完成的试件放入110℃烘箱中24h后，拿出进行二次击实，双面各击实25次，后在室温下养生24h。养生完成后进行最大理论密度试验，密度试验等，将结果作图3。确定水基高分子改性乳化沥青混合料的最佳乳化沥青用量为6.4％。 [0089] 6.进行混合料的性能验证 [0090] 6.1稳定度及流值试验： [0091] 配料与拌合方法及击实养生方法与步骤5一致，此时采用6.4％的水性环氧树脂改性乳化沥青。 [0092] 按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中进行混合料最大理论密度，马歇尔稳定度与流值试验。试验结果如下： [0093] 表6.马歇尔试件体积指标与力学指标 [0094] [0095] 6.2高温性能试验： [0096] 配料与拌合方法与步骤4一致，此时采用6.4％的水性环氧树脂改性乳化沥青。 [0097] 首先成型车辙板，根据上面测得混合料密度，计算加入试模中的质量为11263g，将混合料装入试模中，并在装料过程中进行人工击实，装完混合料的试模，将其放在成型机上进行碾压，首先进行第一次压实，第一次压实过程按照先压实两次后更换方向压实十二次的顺序进行，将压实后的试件放入110℃的烘箱中养生24h，养生完成后，进行二次压实，在压实12次的方向上再进行6次压实。后将试件放在室温下养生24h。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0719-2011沥青混合料车辙试验进行试验。 [0098] 试验结果为： [0099] 表8.水性环氧树脂改性乳化沥青混合料动稳定度试验 [0100] [0101] 6.3低温性能试验步骤如下：按照高温性能试验介绍的方法制作车辙试件，将试件脱模进行切梁。 [0102] 对切割得到的沥青混合料小梁试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0715-2011沥青混合料弯曲试验进行试验，试验结果如下： [0103] 表9.水性环氧树脂改性乳化沥青混合料低温性能试验 [0104] [0105] 6.4浸水马歇尔试验步骤如下：首先按照步骤5介绍的方法进行试件制作，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0709-201进行马歇尔稳定度试验并计算残留稳定度。试验及计算结果如下: [0106] 表10.水性环氧树脂改性乳化沥青混合料残留稳定度试验 [0107] [0108] 6.5冻融劈裂试验步骤如下：首先按照步骤5介绍的方法进行试件制作，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0729-2011进行冻融劈裂试验，并计算劈裂强度及冻融劈裂强度比，试验及计算结果为90.1％。 [0109] 7.将各项指标与进行比较，发现其满足规范要求，所以完成环氧树脂改性乳化沥青混合料的设计。 [0110] 本发明中所涉及的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)、《通用硅酸盐水泥》(GB175—007)、《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)等均为中国采用的试验规范、技术规范、试验规程、通用标准、施工规范。 |
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