基質瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料性能影響分析

郝增恒，李凱，劉攀，趙云

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336)

隨著我國橋梁建設的快速發(fā)展，橋面鋪裝材料的性能要求也愈來愈高，特別在鋼橋面鋪裝領域，普通石油瀝青及其混合料性能不能更好滿足路用性能，進而出現適應性更好的新型鋪裝材料——環(huán)氧瀝青。環(huán)氧瀝青混合料具有高強度、韌性好、黏結性好、良好的溫度穩(wěn)定性及良好的耐久性等優(yōu)勢[1-4]，因此得到廣泛應用。

目前國內市場可選擇的環(huán)氧樹脂種類較少，而瀝青來源則多種多樣，其組成成分、技術指標及化學特性各異[5-7]。原材料的變異性將會導致環(huán)氧瀝青的力學性能變化較大，最終影響其混合料路用性能[8-11]。同時，在國內實體工程中，各地區(qū)獲取油源路徑不同，且多以就地取材為主,使用的瀝青基體不同，鋪裝工程的使用性能及使用壽命可能會受到一定影響。鑒于此，本文選取不同種類的常用瀝青基體，對其制備的高韌性環(huán)氧瀝青及混合料進行性能評價，為鋼橋面鋪裝實體工程提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

殼牌70#基質瀝青、勝利70#基質瀝青、泰普克70#基質瀝青、茂名70#基質瀝青、SK70#基質瀝青，其基本技術指標見表1；高韌性環(huán)氧樹脂、復配高溫固化劑體系均為自制；集料(耐磨、堅硬的玄武巖)、礦粉(磨細石灰?guī)r)的基本性能指標見表2。

NDJ-1C型布氏旋轉黏度儀；WDW3100型微機控制電子萬能實驗機；BFA獨立式小梁疲勞實驗機。

表1 基質瀝青的基本技術指標

表2 集料與礦粉的基本性能指標

1.2 高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的制備

將高韌性環(huán)氧樹脂及其固化劑按質量比67∶33比例混合，加熱至55～60 ℃，提高其流動性。基質瀝青加熱至130～140 ℃，將瀝青與高韌性環(huán)氧樹脂按質量比50∶50混合均勻，制得高韌性環(huán)氧瀝青膠結料。

將制得的高韌性環(huán)氧瀝青膠結料與烘干的集料按最佳油石比在170 ℃下拌和3 min，拌制高韌性環(huán)氧瀝青混合料。高韌性環(huán)氧瀝青混合料級配曲線見圖1，最佳油石比為6.7%。需要注意的是，制備工藝需嚴格控制溫度。

圖1 高韌性環(huán)氧瀝青混合料級配組成設計

1.3 性能評價

參照ASTM的相關標準，將高韌性環(huán)氧瀝青制成啞鈴型試件，測試其拉伸強度和拉伸破壞時的斷裂伸長率。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》(JTG E20—2011)要求測試高韌性環(huán)氧瀝青的針入度、軟化點及175 ℃旋轉黏度及其混合料的力學性能、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性能以及疲勞性能。

高韌性環(huán)氧瀝青及混合料試件在60 ℃恒溫箱養(yǎng)護4 d即可形成最終強度。

2 結果與討論

2.1 高韌性環(huán)氧瀝青的基本性能

考察基質瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青基本性能的影響，結果見表3。

表3 高韌性環(huán)氧瀝青基本性能實驗結果

由表3可知，高韌性環(huán)氧瀝青固化后，體系由熱塑性轉變?yōu)闊峁绦?，極大地提升了瀝青的高溫性能和力學性能，針入度下降，軟化點上升，拉伸強度增大?；|瀝青種類對其高韌性環(huán)氧瀝青的基本性能影響較小，5種高韌性環(huán)氧瀝青的軟化點均大于150 ℃， 拉伸強度均在5 MPa左右，斷裂伸長率均在110%左右，其中采用低溫延性優(yōu)異的殼牌瀝青制備的高韌性環(huán)氧瀝青具有最大的斷裂伸長率。

施工容留時間(黏度上升至1 000 mPa·s所需的時間)是環(huán)氧瀝青混合料施工的關鍵因素，對施工質量及使用性能影響大，必須嚴格控制施工容留時間。由表3可知，5種高韌性環(huán)氧瀝青的施工容留時間均在120～130 min之間，其中高溫黏度最小的勝利牌瀝青制備的高韌性環(huán)氧瀝青施工容留時間最長。瀝青中的活性官能團可能會和環(huán)氧樹脂發(fā)生復雜的反應，進而影響環(huán)氧瀝青的施工容留時間，這還有待實驗的進一步論證。以上5種高韌性環(huán)氧瀝青均能夠滿足實體工程對環(huán)氧瀝青材料施工提出的苛刻要求。

2.2 混合料的力學性能

瀝青混合料的力學性能與其路用性能關系緊密?？疾旎|瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的力學性能影響，結果見表4。

表4 高韌性環(huán)氧瀝青混合料力學性能實驗結果

由表4可知，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的體積參數差異較小，其穩(wěn)定度均滿足鋼橋面鋪裝技術規(guī)范中對環(huán)氧瀝青混合料大于40 kN的要求。其中，泰普克70#-EA和SK70#-EA的穩(wěn)定度更大。混合料的流值都在3.5～4 mm之間，反映了混合料具有良好的抗塑性變形能力?；旌狭系呐芽估瓘姸染笥?.8 MPa，反映了混合料良好的抗拉強度。高韌性環(huán)氧瀝青優(yōu)異的拉伸性能使其混合料的力學性能大大提高，這主要是由高韌性環(huán)氧樹脂自身的強度所決定，與基質瀝青的種類關系不大。

2.3 混合料的高溫性能

在高溫及長時間荷載作用下瀝青混合料會產生顯著的變形，車轍病害嚴重影響路面的使用質量和壽命，特別在鋼橋面，高溫季節(jié)溫度可達60～70 ℃，鋪裝層混合料需有更好的高溫性能?？疾旎|瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料高溫性能的影響，結果見表5。

由表5可知，高韌性環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)異，其70 ℃動穩(wěn)定度均達到30 000次/mm以上，70 ℃車轍深度均不大于0.4 mm。5種高韌性環(huán)氧瀝青的軟化點均大于150 ℃，由于高韌性環(huán)氧樹脂發(fā)生了固化反應，使其形成了三維立體互穿網狀結構的熱固體系，從而大幅度提高了混合料的高溫性能?；|瀝青種類對混合料的高溫性能幾乎沒有影響，主要取決于高韌性環(huán)氧樹脂的熱固性作用。

表5 高韌性環(huán)氧瀝青混合料車轍實驗結果

2.4 混合料的低溫性能

破壞彎拉應變作為低溫彎曲破壞實驗評價指標，能夠很好的反映高韌性環(huán)氧瀝青的低溫性能，破壞彎拉應變越大，低溫柔韌性越好，抗裂性能越好。考察基質瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料低溫性能的影響，結果見表6。

表6 高韌性環(huán)氧瀝青混合料低溫小梁實驗結果(-10 ℃)

高韌性環(huán)氧瀝青明顯改善了普通環(huán)氧瀝青固化后低溫脆性大、柔韌性差的特點，對鋼橋面鋪裝層的開裂破壞起到了極大的改善作用。由表6可知，基質瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的影響。5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料抗彎應變均遠大于規(guī)范要求的2 500 με，其中殼牌70#-EA最高(5 412.38 με)，勝利70#-EA最低(5 035.94 με)。低溫下高韌性環(huán)氧瀝青混合料強度取決于環(huán)氧樹脂自身的強度，變形能力取決于基質瀝青和環(huán)氧樹脂的共同作用。瀝青的延度是影響混合料低溫抗裂性的因素之一，一般來說，低溫下瀝青變形能力越大，則混合料低溫變形能力也越大。殼牌70#瀝青的延度最大，從側面說明其低溫變形大，從而使得其混合料低溫抗裂性能更優(yōu)。

2.5 混合料的水穩(wěn)定性能

鋼橋面鋪裝必須具有優(yōu)異的防水性能，這要求鋪裝層混合料具備較高的抗水損壞能力和密水性。本文采用浸水馬歇爾實驗和凍融劈裂實驗評價高韌性環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性，以殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比表征水損害程度，結果見圖2和圖3。

圖2 高韌性環(huán)氧瀝青混合料浸水馬歇爾實驗結果

圖3 高韌性環(huán)氧瀝青混合料凍融劈裂實驗結果

由圖1、圖2可知，基質瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響不大。由圖2可知，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均大于規(guī)范要求的90%，說明其在高溫下抗水損壞性能很強，其中殼牌70#-EA的殘留穩(wěn)定度最高達到96.83%，泰普克70#-EA的殘留穩(wěn)定度最低也有93.89%。在浸水條件下，5種高韌性環(huán)氧瀝青與集料的黏附性良好，其混合料整體力學強度沒有發(fā)生明顯變化，水穩(wěn)定性能優(yōu)異。

由圖3可知，經過凍融循環(huán)后，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的凍融劈裂強度比均達到90%以上，凍融劈裂強度比依次為SK70#-EA>勝利70#-EA>茂名70#-EA>殼牌70#-EA>泰普克70#-EA?；旌狭蠌姸戎饕c集料強度和膠結料的力學性質以及其相互之間的作用有關，凍融后的混合料劈裂強度沒有明顯的變化，說明水分對高韌性環(huán)氧瀝青膜的剝落程度較低，也說明高韌性環(huán)氧瀝青混合料在多雨水條件下能更好的抵抗車輛荷載對鋪裝層的破壞。

2.6 混合料的疲勞性能

鋼橋面鋪裝結構的特殊形式容易使得鋪裝層材料發(fā)生疲勞開裂，所以鋪裝層混合料需有良好的抗疲勞破壞的能力?？疾旎|瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能影響，采用應變控制模式，微應變水平600 με，加載頻率10 Hz，結果見表7。

表7 高韌性環(huán)氧瀝青混合料四點彎曲疲勞實驗結果(15 ℃)

由表7可知，基質瀝青種類對其疲勞性能無顯著性影響，在同一應變水平下，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命均大于100萬次，說明高韌性環(huán)氧瀝青混合料有良好的抗疲勞破壞能力，能夠與鋼橋面進行協(xié)同變形，抵抗早期的疲勞開裂。

3 結語

(1)基質瀝青種類對其高韌性環(huán)氧瀝青的性能影響較小，5種高韌性環(huán)氧瀝青的軟化點均大于150 ℃， 施工容留時間均在120 min左右，拉伸強度均在5 MPa左右，斷裂伸長率均大于100%，高韌性環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的綜合性能。

(2)基質瀝青種類對高韌性環(huán)氧瀝青混合料的力學性能、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能影響較小，混合料的路用性能主要還是依賴高韌性環(huán)氧樹脂的熱固性作用。5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均大于50 kN，劈裂抗拉強度均大于2.8 MPa，70 ℃動穩(wěn)定度均大于30 000次/mm，-10 ℃ 低溫彎曲應變均大于5 000 με，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均大于90%，600 με微應變四點彎曲疲勞壽命均大于100萬次，表現出十分優(yōu)異的路用性能。

(3)高韌性環(huán)氧瀝青對基質瀝青種類要求不高，適應普遍性強。從工程原材料選取角度看，不同地區(qū)鋼橋面高韌性環(huán)氧瀝青鋪裝工程可就近取材，不受基質瀝青種類影響，節(jié)約運輸成本，降低工程造價。