環(huán)氧樹脂改性瀝青路用性能研究

莫德興

摘要：為優(yōu)化環(huán)氧樹脂改性瀝青組分設計并研究其路用性能，文章通過拉伸、拉拔試驗確定固化劑種類、環(huán)氧樹脂-固化劑質量比及環(huán)氧體系摻量，制備環(huán)氧樹脂改性瀝青，與日本TAF環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青的路用性能進行對比。結果表明：采用b類酸酐固化劑、環(huán)氧樹脂-固化劑質量比為1 ∶ 1，摻量為10%制得的改性瀝青滿足規(guī)范要求;環(huán)氧樹脂改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性均優(yōu)于SBS改性瀝青;自制環(huán)氧樹脂改性瀝青路用性能與日本TAF環(huán)氧瀝青相近，但在-15 ℃低溫條件下，自制環(huán)氧樹脂改性瀝青具備更好的低溫柔性，抗裂性能更佳。

關鍵詞：道路工程;改性瀝青;環(huán)氧樹脂;固化劑;路用性能

0 引言

隨著我國近年來交通量和車輛軸載的不斷增加，一些重交通和特殊路段在通車后不久就產生了大量工程質量問題。廣西地區(qū)大多處于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，持續(xù)時間長，瀝青道路長期在高溫潮濕的情況下更易發(fā)生車轍這類高溫病害，其中鋼橋面鋪裝瀝青層就經常出現(xiàn)擁包、剝落、橫向推擠等病害[1]。常見的橋面鋪裝材料主要為各類改性瀝青混合料，而鋼橋面由于其懸空結構和特殊的下承層材質，在夏季橋面的溫度比氣溫高25 ℃以上，比一般瀝青路面更易產生高溫車轍;在冬季則比氣溫低5 ℃以上，更易出現(xiàn)低溫開裂[2]。為了應對廣西地區(qū)橋面瀝青層的常見病害問題，本文采用環(huán)氧樹脂對瀝青進行改性以優(yōu)化其混合料的路用性能，并對其進行研究。

環(huán)氧樹脂改性瀝青主要由環(huán)氧樹脂、基質瀝青、固化劑和其他助劑組成，通過環(huán)氧樹脂和固化劑反應生成穩(wěn)固的三維網絡結構，約束瀝青顆粒流動，使瀝青由熱塑性改性為熱固性[3]。其具有柔韌性好、抗裂性能強、溫度穩(wěn)定性好、抗疲勞性能強、耐腐蝕等優(yōu)點，是一種能夠滿足鋼橋面鋪裝層性能要求的特種瀝青材料[4]。但是環(huán)氧樹脂改性瀝青工藝難度和經濟代價較高，其原材料之間的相容性、環(huán)氧體系的確定和制備工藝是影響性能和成本的重要因素[5，6]。本文為解決上述問題，對固化劑選擇、環(huán)氧體系摻量、制備工藝以及混合料的拌和工藝展開研究，為實際工程中的環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料設計提供依據。

1 環(huán)氧樹脂改性瀝青

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

基質瀝青和環(huán)氧樹脂的相容性是保證性能的關鍵因素，兩者的溶解度之差<1.5時可以較好地相融。環(huán)氧樹脂的溶解度約9.6～10.5，而普通基質瀝青約8.65，所以本文選取瀝青質和樹脂含量較高的70#A石油瀝青作為基質瀝青，具體技術指標見表1。

1.1.2 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂與一定比例的固化劑混合后，會反應生成固化產物，形成一種不可逆的三維網絡結構，使混合物整體性能不斷增強。雙酚A型環(huán)氧樹脂因為產量大、性能優(yōu)異等特點，是研制環(huán)氧瀝青的主要原材料。本文采用E-51環(huán)氧樹脂（E表示雙酚A型環(huán)氧樹脂，51表示平均環(huán)氧值為0.51 mol/100 g），其技術指標如表2所示。

1.1.3 固化劑和環(huán)氧樹脂-固化劑質量比

環(huán)氧改性瀝青主要應用于正交異性鋼橋面鋪裝，這對環(huán)氧樹脂改性瀝青的強度提出較高要求，而環(huán)氧改性瀝青的強度是由環(huán)氧樹脂與固化劑的固化產物決定的。容留時間對工藝難度和工程質量影響較大，當環(huán)氧瀝青黏度到達1 500 MPa時混合料將會難以壓實，因此應保證容留時間≥10 min。本文通過以拉拔強度、拉伸強度為指標，對環(huán)氧樹脂-固化劑質量比為1 ∶ 1，環(huán)氧體系摻量為50%，并同為酸酐類的a～e五種固化劑制備的改性瀝青進行對比（見圖1），最終確定使用b類酸酐固化劑?；赽類酸酐固化劑、設定環(huán)氧體系摻量為50%，對0.8 ∶ 1、0.9 ∶ 1、1 ∶ 1、1.1 ∶ 1、1.2 ∶ 1五種環(huán)氧樹脂-固化劑質量比的環(huán)氧瀝青拉拔強度、拉伸強度進行對比，如圖2所示，最終確定環(huán)氧樹脂-固化劑質量比為1 ∶ 1。

1.1.4 環(huán)氧體系摻量

基于上文確定的固化劑類型和環(huán)氧樹脂-固化劑質量比，以拉拔強度和拉伸強度為指標，確定環(huán)氧體系占瀝青總質量的比例，擬設計5%、10%、15%、20%、30%、50%摻量，分別對6組環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青進行拉伸和拉拔實驗，結果見表3。

隨著環(huán)氧體系摻量的增加，拉伸強度和拉拔強度逐漸增大，瀝青斷裂伸長率逐漸減小。這是因為環(huán)氧樹脂改性瀝青的強度主要由固化產物決定，當環(huán)氧體系摻量增加時，固化產物含量增加，瀝青的強度隨之提高。而瀝青延展性主要由基質瀝青決定，基質瀝青相較于環(huán)氧樹脂具有更高的延展性，當環(huán)氧體系含量提高時基質瀝青含量相應減少，因此表現(xiàn)出斷裂伸長率降低。

與SBS改性瀝青相比，即使環(huán)氧體系摻量為5%，環(huán)氧瀝青的拉伸強度和拉拔強度也更強，當環(huán)氧體系摻量增加時，這種趨勢顯著增長。說明環(huán)氧樹脂改性瀝青更適合作為橋面鋪磚混合料粘結料。綜合考慮經濟效益和路用性能，本文采用10%摻量環(huán)氧體系制備環(huán)氧樹脂改性瀝青用于后續(xù)研究。

1.2 環(huán)氧樹脂改性瀝青的制備

將基質瀝青加熱到140 ℃后與增容劑混合，恒溫攪拌10 min，再加入固化劑和其他添加劑，恒溫攪拌10 min，待溫度降低到120 ℃時，與加熱到80 ℃的環(huán)氧樹脂原料混合，以2 000 r/min的轉速剪切攪拌3 min后制得環(huán)氧樹脂改性瀝青，具體性能指標見表4。

2 混合料路用性能

2.1 混合料制備

鋼橋鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料所采用的粗集料為玄武巖，石灰?guī)r為細集料，參考目前美國和日本常用的鋼橋鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的級配設計方法，級配結構為懸浮密實型（見表5），環(huán)氧體系摻量為10%，通過馬歇爾試驗最終確定最佳油石比為6.5%。

2.2 高溫穩(wěn)定性

為探究自制環(huán)氧瀝青混合料高溫性能，本文參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）進行車轍試驗，并設定同樣級配的日本TAF環(huán)氧瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料作為對比組。試驗結果如表6所示。

由表6可知：環(huán)氧瀝青混合料具備較好的高溫穩(wěn)定性。環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定度遠大于《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術條件》（GB/T 30598-2014）的技術要求，且明顯大于SBS改性瀝青混合料。這是因為高溫下環(huán)氧樹脂與固化劑等助劑混合后形成固化產物，能夠在瀝青中形成均勻的三維立體網絡結構，限制基質瀝青顆粒的自由移動，高溫下環(huán)氧樹脂改性瀝青會變軟但因其含有熱固材料，在高溫條件下仍保留固態(tài)，因此環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定度能達到SBS改性混合料的數倍。高溫下SBS改性瀝青主要表現(xiàn)為高粘性，因此更易受外力而變形。自制環(huán)氧樹脂瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與日本TAF環(huán)氧瀝青混合料相當，前者動穩(wěn)定度僅比后者低6.3%，說明自制環(huán)氧樹脂混合料高溫性能優(yōu)異。

2.3 低溫抗裂性

本文根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）對自制環(huán)氧瀝青、日本TAF環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青混合料進行小梁低溫彎曲試驗，結果如表7所示。

由表7可知：環(huán)氧樹脂瀝青混合料具備更優(yōu)良的低溫抗裂性，與SBS改性瀝青相比，環(huán)氧樹脂瀝青混合料的抗彎強度和勁度模量更高，說明其低溫柔性更好;鋼橋鋪裝路面由于橋下空氣流通，表面溫度往往低于土基路面，自制環(huán)氧瀝青在-15 ℃時最大彎拉應變高于日本TAF環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青，說明其具有更好的柔性，在冬季低溫抗裂性更好。

2.4 水穩(wěn)定性

自制環(huán)氧瀝青、日本TAF環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果如后頁表8所示。

由表8可知：環(huán)氧瀝青混合料的凍融劈裂強度比（TSR）均高于SBS改性瀝青，自制環(huán)氧瀝青混合料的劈裂強度和凍融劈裂強度高于日本TAF環(huán)氧瀝青，是SBS改性瀝青的3.32倍和3.75倍。這說明自制環(huán)氧瀝青混合料有較好的水穩(wěn)定性和物理力學性能。

3 結語

（1）選擇相融性高、容留時間≥10 min的固化劑，并通過拉伸、拉拔試驗確定選用b類酸酐作為固化劑，環(huán)氧樹脂-固化劑質量比為1 ∶ 1，環(huán)氧體系摻量為10%，制備環(huán)氧樹脂改性瀝青，且性能符合規(guī)范要求。

（2）自制環(huán)氧瀝青混合料的60 ℃高溫抗車轍幾乎沒有變形，變形量和動穩(wěn)定度與日本TAF環(huán)氧瀝青相近，說明其具有較好的高溫穩(wěn)定性能。

（3）自制環(huán)氧瀝青在-15 ℃時低溫柔性好于日本TAF環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青，在冬季低溫抗裂性更好。

（4）自制環(huán)氧瀝青的凍融劈裂強度比（TSR）高于日本TAF環(huán)氧瀝青，且劈裂強度遠高于SBS改性瀝青，說明其具有較好的水穩(wěn)定性和間接抗拉強度。

參考文獻：

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收稿日期：2020-05-27