寒冷地区树脂沥青的材料设计与性能优化

2019-01-16易军艳诸一鸣冯德成秦卫军

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年1期

易军艳，诸一鸣,2，冯德成，任昭，秦卫军

(1. 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150090； 2. 浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江杭州 310000； 3. 吉林省交通科学研究所，吉林长春 130000)

0 引言

作为一种热固性材料，树脂沥青在制备时于基质沥青中加入了树脂和固化剂等材料进行固化反应，形成了一种热固性弹性体，赋予了基质沥青优异的高温性能、粘结性能和水稳定性等性能，使沥青的的物理力学性能产生了质的飞跃[1]。相较于普通的石油沥青，环氧沥青具有更为优异的高温性能，在某些特殊地段，如机场和特大桥梁桥面铺装之后也能较好地抵御车辙、推移、波浪壅包等病害。然而树脂沥青形成固化体系后的劲度模量会远远大于普通的改性沥青，这会导致其低温抗裂性下降，因此需要改变所加入的沥青的含量以及其他添加剂来提高其低温抗裂性。

环氧沥青材料在我国最早用于涂料或者屋顶铺面材料[2]，应用于道路铺装方面较晚。吕伟民等对环氧沥青混合料性能进行了研究[1,3,4]，这标志着我国开始涉足环氧沥青混合料应用于路面铺装这一领域。朱吉鹏等采用高速剪切的方法用于分散并混合固化剂和沥青[5]。亢阳等将基质沥青与顺丁烯二酸酐进行反应，得到顺酐化沥青，再加入环氧固化剂和助剂进行反应[6]。贾辉等在顺酐化沥青的基础上采用加入脂肪族多元醇的方法，中和了改性环氧沥青中过量的酸酐，使这种方法进一步得到优化[7]。张占军等采用小梁三点弯曲试验对环氧沥青混合料的低温性能进行了研究，分析其弯曲强度、弯曲应变、弯曲模量以及应变能与加载温度和交联度之间的关系，并在此基础上提出了回归方程[8]。徐燕等采用沥青作为环氧树脂的增韧剂，分析了不同含量沥青加入到环氧树脂后对其韧性的影响。研究表明当沥青用量较低时，可以极大地提高环氧树脂的冲击韧性且对环氧树脂的拉伸强度和模量影响较小[9]。

由于配制树脂沥青涉及到很多因素，如树脂含量、固化剂含量、沥青含量、固化温度和固化时间等，因此需要对这些因素进行探究，以求寻找合适的配方以及配制条件。笔者从树脂沥青的制备方法出发，根据拉拔试验确定其配方以及制备条件，并采用小梁弯曲试验探究了其低温性能，旨在生产出低温性能优良的树脂沥青。

1 试验材料

1.1 沥青

在选择沥青时，应根据当地的气候条件选择适宜的沥青。试验旨在配制出一种适合于寒冷地区的树脂沥青，但是由于近年来北方地区在夏季也会出现车辙、泛油等病害，因此采用90#沥青。相应的技术指标如表1。

表1 90#沥青技术指标Table 1 Technical indexes of 90# asphalt

1.2 溶剂

由于树脂沥青是一种热固性材料，在进行固化前应该避免不可控的加热行为，因此需要一种稀释剂将沥青溶解并能与树脂在常温下相溶。溶剂的选择应该符合以下原则：①对沥青有较好的溶解能力；②毒性小，对试验人员的健康危害小；③具有一定的挥发性；④价格合适。

因此采用松节油作为溶剂。松节油的主要成分为蒎烯，分子式为C10H16，闪点为35 ℃，沸点为154～170 ℃，燃点为253 ℃。在加热过程中具有较好的安全性。

1.3 树脂

树脂采用中国石化集团巴陵石化公司的CYD-128型环氧树脂。相应的技术指标列于表2。

表2 环氧树脂技术指标Table 2 Technical indexes of epoxy resin

1.4 固化剂

固化剂采用中国石化集团巴陵石化公司的CYDHD-593型固化剂。相应的技术指标列于表3。

表3 固化剂技术指标Table 3 Technical indexes of curing agent

1.5 增韧剂

增韧剂采用大连金世光电材料有限公司的JHZ-403型增韧剂。相应的技术指标列于表4。

表4 增韧剂技术指标Table 4 Technical indexes of toughening agent

2 树脂沥青的制备与试验方法

通过在沥青中掺加树脂和固化剂以及其他外掺剂来提高其高低温与粘结等性能，从而提高树脂沥青混合料的路用性能。由于树脂沥青的热固性属性，其具有较好的高温性能，在此不再进行过多研究。因此笔者将通过设计正交表制定试验方案，按照一定方法制得质量合格的树脂沥青，并结合规范和常用的低温试验方法，验证并优化制得的树脂沥青低温性能。

2.1 树脂沥青的制备

采用基质沥青，一种环氧树脂材料，一种固化剂，在一定的固化温度以及一定的固化时间内进行固化反应，制备出混合均匀，没有离析的树脂沥青。采用松节油作为沥青与树脂材料之间的相容剂，其与树脂的比例为1:10(以下简称松节油用量为10%)。下面列出了具体的树脂沥青制备方法：

1)将10%用量的松节油倒入容器中，并将加热软化后的沥青倒入松节油中，再放入烘箱进行加热。

2)待沥青充分溶解后，加入一定量的树脂，充分搅拌直至液体冷却至室温且不再产生大量气泡。

3)搅拌完成后加入固化剂，并继续搅拌。

4)将以上搅拌后的材料进行加热固化，等待一定时间后即可制备完成所需的树脂沥青。

2.2 拉拔试验

拉拔试验的主要过程为将前述尚未固化的树脂沥青涂抹于光洁程度一致的钢板上，再粘贴拉拔头，待其于一定的温度下固化一定时间后进行拉拔试验。评价钢板与拉拔头界面的拉拔强度，间接探究树脂沥青的粘结能力。作为一种便携式设备，拉拔仪可以快速高效地评价树脂沥青的粘结性能。相较于水煮法等其他评价沥青与集料之间粘附力的试验，拉拔试验所测得的数据更为直观，也更易于统计。下面列出了具体的树脂沥青拉拔试验方法：

1)按照0.6 kg/m2的涂布量将配制好且尚未固化的树脂沥青涂布于钢板上，放入烘箱之中保温5分钟。

2)取出略微固化的树脂沥青，将拉拔头轻轻置于其上，并重新放入烘箱进行固化。

3)等待一定的固化时间后取出树脂沥青，待其冷却至室温，进行拉拔试验并记录树脂沥青的拉拔强度。

2.3 小梁弯曲试验

通过制备出质量合格的树脂沥青，浇筑于模具之中，进行固化后将试件取出，在小梁试件断面量取高宽，并在-10 ℃下进行小梁弯曲试验。结合MTS810采集的力和位移数据进行分析，得到小梁试件的抗弯拉强度以及最大弯拉应变，从而求得弯曲劲度模量。

3 树脂沥青拉拔强度影响因素分析

3.1 正交试验设计

正交试验是以正交表为工具进行设计，并从众多影响因素和影响水平中搭配出各因素各水平出现概率一致的试验。再用统计分析的方法，通过对数据进行极差分析和方差分析，从而找到一种最佳的搭配，并有效减少试验的次数，达到节约人力、物力和资源的目的[10]。

而树脂沥青的主要成分为树脂、固化剂和沥青。用作稀释剂的松节油在加热固化的过程中挥发，不作为树脂沥青的有效成分。除了以上几种因素，固化时间和固化温度也会影响树脂沥青的拉拔强度。

试验以固化剂与树脂比例、沥青与树脂比例、固化时间和固化温度作为正交试验的影响因素，每个因素取4个水平，结合试探性试验，确定正交试验表(见表5)，采用四水平四因素的正交表L16(45)，以拉拔强度为考核指标，寻找树脂沥青最佳配比、最佳固化时间和固化温度。

表5 正交试验设计安排Table 5 Arrangements of orthogonal test design

3.2 正交试验数据分析

进行试验后，通过极差分析法和方差分析法对试验所得数据进行分析。

3.2.1 极差分析

树脂沥青拉拔强度影响因素极差计算结果如表6。

表6 极差分析表Table 6 Range analysis

极差R通常用作分析每个因素的作用大小。R值大的因素对拉拔强度的影响大，R值小的因素对拉拔强度的影响小。根据表6的数据可以得到图1、图2。

图1 拉拔强度极差分析值Fig. 1 Range analysis value of pulling strength

图2 k值与各因素关系Fig. 2 Relationship between k value and various factors

对图1和图2进行分析，可以得到以下结论：

1)对拉拔强度影响作用从大到小的顺序为：固化剂用量→沥青用量→固化时间→固化温度，但是考虑到试验误差的存在，前3者影响程度相近。

2)随着固化剂用量的加大，拉拔强度逐渐增大，当超过20%以后几乎不再增长，25%用量下的拉拔强度基本与20%用量下的强度持平。

3)随着沥青比例的加大，拉拔强度不可避免的减小。显而易见沥青比例越少拉拔强度越高，但是为了保证树脂沥青的低温性能，有必要加入一定的沥青来提高树脂沥青的韧性。

4)当固化时间从1 h增加到2 h后，树脂沥青的拉拔强度迅速增大，固化时间超过2 h后，拉拔强度略微增长。

5)在固化温度从100 °C提高到140 ℃的过程中，拉拔强度不断提高，当在140 °C附近达到最高点之后，随着温度的进一步升高，拉拔强度有所降低，其原因可能是过高的固化温度下更容易产生大量气泡从而降低了拉拔头与铁板之间的粘结。

6)单从提高拉拔强度这一角度来说，最佳的组合应该是A3B1C2D3，即固化剂用量为20%，沥青用量为10%，固化时间为4 h，固化温度为140 °C。但是为了兼顾树脂沥青的低温性能并考虑实际工程中的应用，还应考虑树脂沥青加热的实际状况，并结合后续的试验来确定最佳的组合。

3.2.2 方差分析

极差分析解释了各个因素对树脂沥青拉拔强度的影响，但是该方法也有其不足之处，它并不能将试验误差所引起的数据波动与因素水平改变所引起的数据波动区分开。因此，需要引入方差分析来区分数据的波动因素并判断影响因素的显著性，相关分析结果列于表7中。

表7 方差分析Table 7 Variance analysis

注：当显著性小于0.1时，具有一定的影响。

从方差分析表中可以得到以下结论：

1)对拉拔强度影响程度大小排序为：固化剂用量→沥青用量→固化时间→固化温度，这与方差分析中的结果是完全一致的。

2)固化剂用量对树脂沥青的拉拔强度具有一定的影响，而沥青比例以及固化时间对拉拔强度影响作用类似，固化温度对拉拔强度的影响不是特别显著。

4 树脂沥青的低温性能

树脂沥青由于其热固性的属性而具有非常好的高温性能，但其低温性能却有所欠缺，通过掺加不同比例的沥青以及其他外掺剂如增韧剂来改变其韧性从而达到改善其低温性能的目的。

4.1 小梁试件制备

小梁试件制备时的固化温度和固化时间分别为120 ℃和4 h，固化剂用量为20%，松节油用量为2%，沥青用量为0%、10%、20%、30%、40%。同时为了探究增韧剂对树脂韧性的影响，还增加了一组对照组，对照组中的沥青用量与前述一致，增韧剂对树脂的掺量恒定为5%。除此之外，为了探究沥青对树脂的最大比例，还增加了额外的一组试验，这组试验中沥青用量分别为50%、100%、200%、300%。为提高试验数据的可靠性，每个用量的小梁试件数量为3个。

4.2 树脂沥青小梁弯曲试验

在-10 ℃下进行小梁弯曲试验，试验结果列于表8。

表8 树脂沥青小梁弯曲试验结果Table 8 Results of resin asphalt trabecular bending test

4.3 小梁弯曲试验结果分析

此实验方案从改变沥青用量和是否加增韧剂来探究树脂沥青的低温性能。将试验数据转换成折线图并进行多项式拟合，同时求出多项式与试验数据的相关系数。

图3描述了树脂沥青小梁试件在-10 ℃下抗弯拉强度随沥青用量的增大而产生的变化情况，其抗弯拉强度随着沥青用量的增大而减小。加了增韧剂的试件抗弯拉强度相比较未加增韧剂的试件也有一定程度的减小。进行多项式拟合后相关系数R2超过了0.96，具有比较好的相关性。但当沥青用量超过40%后，上述的两个多项式不具有实际意义，只能作为参考，抗弯拉强度不可能随着沥青含量的增加而减小到零。

图3 抗弯拉强度Fig. 3 Flexural strength

图4描述了树脂沥青小梁试件在-10 ℃下应变随沥青含量增大而产生的变化情况。在沥青用量为40%以内时，应变基本保持持平。直到沥青比例超过40%后，在未加增韧剂的一组试件中应变才开始有了增长。同时在加了增韧剂之后，应变也并没有出现预想之中的增大，有些比例下应变甚至有所减小。多项式拟合的相关系数也不是很高，因此判断为试验误差的影响，后续还需要进行进一步的试验分析。