环氧树脂改性沥青路用性能研究

2020-04-01莫德兴

西部交通科技 2020年9期

莫德兴

摘要：为优化环氧树脂改性沥青组分设计并研究其路用性能，文章通过拉伸、拉拔试验确定固化剂种类、环氧树脂-固化剂质量比及环氧体系掺量，制备环氧树脂改性沥青，与日本TAF環氧沥青和SBS改性沥青的路用性能进行对比。结果表明：采用b类酸酐固化剂、环氧树脂-固化剂质量比为1 ∶ 1，掺量为10%制得的改性沥青满足规范要求;环氧树脂改性沥青的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性均优于SBS改性沥青;自制环氧树脂改性沥青路用性能与日本TAF环氧沥青相近，但在-15 ℃低温条件下，自制环氧树脂改性沥青具备更好的低温柔性，抗裂性能更佳。

关键词：道路工程;改性沥青;环氧树脂;固化剂;路用性能

0 引言

随着我国近年来交通量和车辆轴载的不断增加，一些重交通和特殊路段在通车后不久就产生了大量工程质量问题。广西地区大多处于亚热带季风气候，夏季高温多雨，持续时间长，沥青道路长期在高温潮湿的情况下更易发生车辙这类高温病害，其中钢桥面铺装沥青层就经常出现拥包、剥落、横向推挤等病害[1]。常见的桥面铺装材料主要为各类改性沥青混合料，而钢桥面由于其悬空结构和特殊的下承层材质，在夏季桥面的温度比气温高25 ℃以上，比一般沥青路面更易产生高温车辙;在冬季则比气温低5 ℃以上，更易出现低温开裂[2]。为了应对广西地区桥面沥青层的常见病害问题，本文采用环氧树脂对沥青进行改性以优化其混合料的路用性能，并对其进行研究。

环氧树脂改性沥青主要由环氧树脂、基质沥青、固化剂和其他助剂组成，通过环氧树脂和固化剂反应生成稳固的三维网络结构，约束沥青颗粒流动，使沥青由热塑性改性为热固性[3]。其具有柔韧性好、抗裂性能强、温度稳定性好、抗疲劳性能强、耐腐蚀等优点，是一种能够满足钢桥面铺装层性能要求的特种沥青材料[4]。但是环氧树脂改性沥青工艺难度和经济代价较高，其原材料之间的相容性、环氧体系的确定和制备工艺是影响性能和成本的重要因素[5，6]。本文为解决上述问题，对固化剂选择、环氧体系掺量、制备工艺以及混合料的拌和工艺展开研究，为实际工程中的环氧树脂改性沥青混合料设计提供依据。

1 环氧树脂改性沥青

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

基质沥青和环氧树脂的相容性是保证性能的关键因素，两者的溶解度之差<1.5时可以较好地相融。环氧树脂的溶解度约9.6～10.5，而普通基质沥青约8.65，所以本文选取沥青质和树脂含量较高的70#A石油沥青作为基质沥青，具体技术指标见表1。

1.1.2 环氧树脂

环氧树脂与一定比例的固化剂混合后，会反应生成固化产物，形成一种不可逆的三维网络结构，使混合物整体性能不断增强。双酚A型环氧树脂因为产量大、性能优异等特点，是研制环氧沥青的主要原材料。本文采用E-51环氧树脂（E表示双酚A型环氧树脂，51表示平均环氧值为0.51 mol/100 g），其技术指标如表2所示。

1.1.3 固化剂和环氧树脂-固化剂质量比

环氧改性沥青主要应用于正交异性钢桥面铺装，这对环氧树脂改性沥青的强度提出较高要求，而环氧改性沥青的强度是由环氧树脂与固化剂的固化产物决定的。容留时间对工艺难度和工程质量影响较大，当环氧沥青黏度到达1 500 MPa时混合料将会难以压实，因此应保证容留时间≥10 min。本文通过以拉拔强度、拉伸强度为指标，对环氧树脂-固化剂质量比为1 ∶ 1，环氧体系掺量为50%，并同为酸酐类的a～e五种固化剂制备的改性沥青进行对比（见图1），最终确定使用b类酸酐固化剂。基于b类酸酐固化剂、设定环氧体系掺量为50%，对0.8 ∶ 1、0.9 ∶ 1、1 ∶ 1、1.1 ∶ 1、1.2 ∶ 1五种环氧树脂-固化剂质量比的环氧沥青拉拔强度、拉伸强度进行对比，如图2所示，最终确定环氧树脂-固化剂质量比为1 ∶ 1。

1.1.4 环氧体系掺量

基于上文确定的固化剂类型和环氧树脂-固化剂质量比，以拉拔强度和拉伸强度为指标，确定环氧体系占沥青总质量的比例，拟设计5%、10%、15%、20%、30%、50%掺量，分别对6组环氧沥青和SBS改性沥青进行拉伸和拉拔实验，结果见表3。

随着环氧体系掺量的增加，拉伸强度和拉拔强度逐渐增大，沥青断裂伸长率逐渐减小。这是因为环氧树脂改性沥青的强度主要由固化产物决定，当环氧体系掺量增加时，固化产物含量增加，沥青的强度随之提高。而沥青延展性主要由基质沥青决定，基质沥青相较于环氧树脂具有更高的延展性，当环氧体系含量提高时基质沥青含量相应减少，因此表现出断裂伸长率降低。

与SBS改性沥青相比，即使环氧体系掺量为5%，环氧沥青的拉伸强度和拉拔强度也更强，当环氧体系掺量增加时，这种趋势显著增长。说明环氧树脂改性沥青更适合作为桥面铺砖混合料粘结料。综合考虑经济效益和路用性能，本文采用10%掺量环氧体系制备环氧树脂改性沥青用于后续研究。

1.2 环氧树脂改性沥青的制备

将基质沥青加热到140 ℃后与增容剂混合，恒温搅拌10 min，再加入固化剂和其他添加剂，恒温搅拌10 min，待温度降低到120 ℃时，与加热到80 ℃的环氧树脂原料混合，以2 000 r/min的转速剪切搅拌3 min后制得环氧树脂改性沥青，具体性能指标见表4。

2 混合料路用性能

2.1 混合料制备

钢桥铺装用环氧沥青混合料所采用的粗集料为玄武岩，石灰岩为细集料，参考目前美国和日本常用的钢桥铺装用环氧沥青混合料的级配设计方法，级配结构为悬浮密实型（见表5），环氧体系掺量为10%，通过马歇尔试验最终确定最佳油石比为6.5%。

2.2 高温稳定性

为探究自制环氧沥青混合料高温性能，本文参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行车辙试验，并设定同样级配的日本TAF环氧沥青混合料和SBS改性沥青混合料作为对比组。试验结果如表6所示。

由表6可知：环氧沥青混合料具备较好的高温稳定性。环氧沥青混合料的动稳定度远大于《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》（GB/T 30598-2014）的技术要求，且明显大于SBS改性沥青混合料。这是因为高温下环氧树脂与固化剂等助剂混合后形成固化产物，能够在沥青中形成均匀的三维立体网络结构，限制基质沥青颗粒的自由移动，高温下环氧树脂改性沥青会变软但因其含有热固材料，在高温条件下仍保留固态，因此环氧沥青混合料的动稳定度能达到SBS改性混合料的数倍。高温下SBS改性沥青主要表现为高粘性，因此更易受外力而变形。自制环氧树脂沥青混合料高温稳定性与日本TAF环氧沥青混合料相当，前者动稳定度仅比后者低6.3%，说明自制环氧树脂混合料高温性能优异。

2.3 低温抗裂性

本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对自制环氧沥青、日本TAF环氧沥青和SBS改性沥青混合料进行小梁低温弯曲试验，结果如表7所示。

由表7可知：环氧树脂沥青混合料具备更优良的低温抗裂性，与SBS改性沥青相比，环氧树脂沥青混合料的抗弯强度和劲度模量更高，说明其低温柔性更好;钢桥铺装路面由于桥下空气流通，表面温度往往低于土基路面，自制环氧沥青在-15 ℃时最大弯拉应变高于日本TAF环氧沥青和SBS改性沥青，说明其具有更好的柔性，在冬季低温抗裂性更好。

2.4 水稳定性

自制环氧沥青、日本TAF环氧沥青和SBS改性沥青混合料的冻融劈裂试验结果如后页表8所示。

由表8可知：环氧沥青混合料的冻融劈裂强度比（TSR）均高于SBS改性沥青，自制环氧沥青混合料的劈裂强度和冻融劈裂强度高于日本TAF环氧沥青，是SBS改性沥青的3.32倍和3.75倍。这说明自制环氧沥青混合料有较好的水稳定性和物理力学性能。

3 结语

（1）选择相融性高、容留时间≥10 min的固化剂，并通过拉伸、拉拔试验确定选用b类酸酐作为固化剂，环氧树脂-固化剂质量比为1 ∶ 1，环氧体系掺量为10%，制备环氧树脂改性沥青，且性能符合规范要求。

（2）自制環氧沥青混合料的60 ℃高温抗车辙几乎没有变形，变形量和动稳定度与日本TAF环氧沥青相近，说明其具有较好的高温稳定性能。

（3）自制环氧沥青在-15 ℃时低温柔性好于日本TAF环氧沥青和SBS改性沥青，在冬季低温抗裂性更好。

（4）自制环氧沥青的冻融劈裂强度比（TSR）高于日本TAF环氧沥青，且劈裂强度远高于SBS改性沥青，说明其具有较好的水稳定性和间接抗拉强度。

参考文献：

[1]刘攀，李璐，郝增恒，等.自制环氧沥青混合料及粘结剂性能研究[J].化工新型材料，2019，47（11）：263-267.

[2]安静.桥面铺装环氧沥青混合料拌和流变特性研究[J].新型建筑材料，2019，46（5）：29-32.

[3]于晓莎，朱丽莹.环氧树脂改性沥青混凝土路面材料研究[J].科学技术创新，2017（29）：157-158.