環(huán)氧瀝青固化過程中的粘度特性

荊儒鑫,Panos Apostolidis,劉學(xué)巖

(荷蘭代爾夫特理工大學(xué),代爾夫特,荷蘭2628CN)

對基質(zhì)瀝青進行聚合物改性是道路工程中常用的一種技術(shù),可以有效提高路面的耐久性,延長使用壽命。塑性改性劑(如聚乙烯改性劑)和彈性改性劑(如SBS)是2種常見的熱塑性聚合物改性劑[1]。熱固性聚合物,如環(huán)氧樹脂和聚氨酯,越來越廣泛地用來開發(fā)長壽命瀝青路面技術(shù)[2]。環(huán)氧瀝青是一種特殊的熱固性瀝青材料[3-5],這種材料由殼牌石油公司于20世紀60年代率先開發(fā),用于工業(yè)園區(qū)的重載交通路面。20世紀70年代,環(huán)氧瀝青成功地應(yīng)用在圣馬特奧-海沃德大橋的橋面鋪裝。該橋位于美國加利福尼亞州的舊金山灣,日交通量約為27 000輛,歷經(jīng)50年,橋面性能依然良好。環(huán)氧瀝青開始在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于橋面鋪裝工程[6-8]。

環(huán)氧瀝青作為一種優(yōu)質(zhì)的筑路材料逐步應(yīng)用在道路工程中[9-10]。盡管如此,環(huán)氧瀝青技術(shù)的應(yīng)用仍然存在著諸多問題,比如,不可控的固化速度。過快的固化速度會導(dǎo)致材料的施工和易性變差,使得路面材料無法被壓實;過慢的固化速度會導(dǎo)致施工過程中材料的粘度過低,導(dǎo)致在拌合和運輸過程中發(fā)生離析現(xiàn)象,在開放交通時路面無法提供一定的強度。環(huán)氧瀝青的固化速度受到多種因素的影響,比如,材料用量、固化溫度、材料拌合時的速度[11-13]。此外,高昂的材料費用,限制了環(huán)氧瀝青的廣泛應(yīng)用。為此,使用基質(zhì)瀝青對環(huán)氧瀝青進行稀釋可以有效降低材料成本并提高使用性能。這一設(shè)想已成功應(yīng)用于新西蘭和荷蘭的道路工程中,制備出耐久性強、施工和易性好的環(huán)氧瀝青混合料[14-16]。試驗表明,稀釋環(huán)氧瀝青,可以有效降低復(fù)數(shù)模量,提高相位角。與此同時,使用稀釋后的環(huán)氧瀝青(稀釋比1:3)可以有效提高路面使用壽命,大幅降低道路維護成本。雖然,稀釋后的環(huán)氧瀝青可以有效提高路面材料的性能,但對其固化過程中的流變學(xué)特性變化仍不明確。為此,文中開展了不同條件下環(huán)氧瀝青固化的特性研究。

1 材料與試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

環(huán)氧瀝青材料由美國的ChemoCo Systems公司提供,由2部分混合而成。成分A 是由環(huán)氧氯丙烷和雙酚A 形成的環(huán)氧樹脂,成分B為固化劑。根據(jù)材料供應(yīng)商建議,成分A 和B按照25∶75的比例進行拌合。在拌合之前,成分A 和B置于烘箱內(nèi),分別在85 ℃和110 ℃下預(yù)熱1 h。與此同時,針入度為70～100的基質(zhì)瀝青也置于110 ℃烘箱內(nèi)預(yù)熱0.5 h。預(yù)熱結(jié)束后,將成分A 和B 進行手動拌合30 s,加入基質(zhì)瀝青進行稀釋后繼續(xù)拌合30 s。為了研究不同稀釋比對環(huán)氧瀝青固化行為的影響,選擇了3種不同的稀釋比(環(huán)氧瀝青:基質(zhì)瀝青),即50∶50,25∶75和12.5∶87.5。此外,也分析了未稀釋的環(huán)氧瀝青(EB100)的固化行和基質(zhì)瀝青的短期老化行為,用以參照對比。表1列出了不同稀釋比環(huán)氧瀝青的材料組成。拌合結(jié)束后,所有的材料置于冰箱內(nèi)-20 ℃的條件下進行保存,以確保沒有任何固化行為發(fā)生。

表1 不同稀釋比環(huán)氧瀝青的材料組成Table 1 Composition of various diluted epoxy bitumen

1.2 試驗和固化條件

由于固化試驗規(guī)程并不完善,不適用于稀釋的環(huán)氧瀝青,文中著重研究不同條件、不同稀釋比對環(huán)氧瀝青固化行為的影響。使用美國BROOKFIELD 公司生產(chǎn)的DV2-T 粘度儀,采用同軸圓筒測試系統(tǒng)。流變儀配備的智能溫度控制系統(tǒng)精度達到0.1℃。表2列出了不同固化條件的試驗結(jié)果,固化時間為5 h,試驗過程中每分鐘記錄1次結(jié)果。

表2 粘度試驗參數(shù)Table 2 Viscosity testing conditions

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固化溫度的影響

不同溫度對環(huán)氧瀝青(EB100)和稀釋的環(huán)氧瀝青(EB25)的固化影響如圖1所示。由于固化作用,環(huán)氧瀝青的粘度隨著時間而增加。圖1(a)為未稀釋環(huán)氧瀝青(EB100)的粘度變化曲線。可以觀察到,溫度顯著影響固化過程中粘度的變化,即固化速度。比如,EB100在160℃時僅需25 min即可達到40 Pa·s的粘度;而固化溫度為100 ℃時,則需要280 min才能達到這一粘度。對于道路工程,從材料拌合到路面施工結(jié)束,通常需要2.5～5 h。因此,筑路材料需要在5 h內(nèi)具有較低的粘度,確保良好的施工和易性。圖1(a)表明,未經(jīng)稀釋的環(huán)氧瀝青不宜直接應(yīng)用在道路工程中,對其進行稀釋是一種降低固化速度的有效方法。如圖1(b)所示,由于稀釋作用,EB25在5 h內(nèi)粘度變化在8 Pa·s以內(nèi)。值得注意的是,EB25的粘度在低溫時變化較高,而在高溫時變化較低。如100 ℃時,粘度5 h內(nèi)的變化由1.5 Pa·s升至7.6 Pa·s;而在160 ℃,粘度僅由0.5 Pa·s升至1 Pa·s,主要是由基質(zhì)瀝青的流變學(xué)特性決定的。

圖1 環(huán)氧瀝青在不同固化溫度下的粘度變化曲線Fig.1 Viscosity changes of epoxy bitumen at different temperatures

在稀釋的環(huán)氧瀝青中,基質(zhì)瀝青的占比為75%,粘度特性主要由基質(zhì)瀝青部分決定。而基質(zhì)瀝青的粘度隨溫度的升高成指數(shù)型下降,如圖2所示。若僅觀察圖1(b)中粘度在5 h時處的變化,可知在160 ℃時,EB25粘度不再發(fā)生變化,意味著環(huán)氧瀝青固化已經(jīng)完成;在100 ℃時,EB25的粘度變化仍然較大,意味著固化作用尚未完成。在道路工程中,筑路材料需要在拌合和施工中保持相對較低的粘度以保證施工和易性,在施工結(jié)束后,路面材料可以持續(xù)進行固化以確保路面擁有較高的強度。因此,推薦130 ℃作為稀釋環(huán)氧瀝青EB25的固化溫度,材料在拌合、運輸及施工過程中需保持這一溫度。

圖2 基質(zhì)瀝青粘度隨溫度的變化曲線Fig.2 Bitumen viscosities at different temperatures

2.2 稀釋比例的影響

不同稀釋比對環(huán)氧瀝青固化行為的影響結(jié)果如圖3所示?？傮w來說,稀釋比越大,環(huán)氧瀝青的固化效果越不明顯。比如,未稀釋環(huán)氧瀝青EB100在75 min時,其粘度達到8 Pa·s;對于稀釋環(huán)氧瀝青EB50經(jīng)過5 h的固化作用,其粘度仍未達到8 Pa·s。對于基質(zhì)瀝青EB0,由于不存在固化作用且短期老化影響較小,所以粘度在5 h內(nèi)幾乎沒有變化。對于稀釋比最高的環(huán)氧瀝青EB12.5,固化作用導(dǎo)致的粘度變化較小。通常為了保證筑路材料的施工和易性,需要保證粘度在施工過程中不超過3 Pa·s。因此,推薦稀釋比(環(huán)氧瀝青:基質(zhì)瀝青)為25∶75,可以確保材料擁有良好的施工和易性,又可以保證擁有較高的強度。

圖3 不同稀釋比的環(huán)氧瀝青的粘度變化曲線Fig.3 Viscosity changes of epoxy bitumen at different dilution levels

2.3 剪切速率的影響

文中研究了不同拌合速度對稀釋環(huán)氧瀝青EB25固化行為的影響,結(jié)果如圖4所示。試驗中,使用一種常用的轉(zhuǎn)速為20 r/min;一種相對較快的轉(zhuǎn)速為200 r/min;一種相對較慢的轉(zhuǎn)速為2 r/min。結(jié)果表明,固化過程中EB25的粘度在低轉(zhuǎn)速時變化較大,在高轉(zhuǎn)速時變化較小。比如,EB25在2 r/min時,其粘度在5 h后由1 Pa·s升至4 Pa·s,曲線斜率表明固化在持續(xù)進行中;而轉(zhuǎn)速為200 r/min時,其粘度在固化過程中僅由0.5 Pa·s升至1 Pa·s,原因可能是過高的轉(zhuǎn)速(高剪切速率)會干擾環(huán)氧瀝青內(nèi)部固化結(jié)構(gòu)的形成,會破壞已形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu);相反,低轉(zhuǎn)速(低剪切速率)不會過多的干擾交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成,從而粘度會在固化過程中持續(xù)增長。如前文所述,考慮到筑路材料的施工和易性等問題,推薦使用轉(zhuǎn)速為20 r/min。

圖4 稀釋環(huán)氧瀝青EB25在不同剪切速率的粘度變化曲線Fig.4 Viscosity changes of EB25 at different shear rates

3 結(jié)論

研究了環(huán)氧瀝青固化過程中的流變學(xué)特性,考慮不同影響因素(溫度、稀釋比、剪切速率)對固化行為的影響。得到以下主要結(jié)論。

1)溫度顯著影響環(huán)氧瀝青的固化速度,溫度越高固化速度越快,粘度變化越大。但對于稀釋的環(huán)氧瀝青而言,由于基質(zhì)瀝青的流變學(xué)特性的影響,導(dǎo)致溫度越高其固化速度越快,但其粘度變化越小。

2)稀釋行為顯著影響環(huán)氧瀝青的固化速度,稀釋比越高(即基質(zhì)瀝青摻量越高),其固化速度越慢,過大的稀釋比會導(dǎo)致環(huán)氧瀝青的固化作用不再明顯。

3)拌合速度顯著影響環(huán)氧瀝青的固化速度,高轉(zhuǎn)速會干擾并破壞環(huán)氧瀝青內(nèi)部固化結(jié)構(gòu);而低轉(zhuǎn)速不會過多的干擾固化結(jié)構(gòu)的形成,其粘度會在固化過程中持續(xù)增長。

4)考慮筑路材料的施工和易性因素,確保開放交通后路面強度可以在固化作用下持續(xù)升高。推薦稀釋比(環(huán)氧瀝青:基質(zhì)瀝青)為25∶75,材料拌合速度為20 r/min,材料在拌合、運輸及壓實過程中溫度應(yīng)保持在130 ℃,道路施工需在5 h內(nèi)結(jié)束。

未來將研究其它尺度下環(huán)氧瀝青材料的力學(xué)行為,比如,膠漿和混合料尺度,進一步研究再生方法和技術(shù),確保環(huán)氧瀝青路面可以提供良好的路用性能,有效延長路面的使用壽命,又可以進行再生,提高材料的使用效率,最終大幅降低道路的全壽命投資成本。