高韧性环氧沥青及混合料性能影响因素分析

2020-06-05

石油沥青 2020年2期

（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336）

国内外大跨径桥梁普遍采用钢桥面，我国重载交通、气候条件极为苛刻，给钢桥面铺装带来了极大的技术挑战。环氧沥青混凝土具有优异的高温稳定性和粘结性能，被广泛应用于国内多座大跨径钢箱梁桥面铺装，如南京长江二桥、润扬长江大桥、苏通长江大桥、武汉天兴洲长江大桥、鄂东长江大桥、广东虎门大桥（翻修）等[1-6]。然而，通过国内环氧沥青的研究以及一些实际工程应用的分析，发现普通环氧沥青固化后脆性高，延展性能较差，难以满足钢桥面铺装层对混凝土低温抗裂性的要求。另一方面，环氧树脂和沥青极性有所差异，两者混合时相容性较差，影响其性能的发挥[7]。

对环氧树脂增韧改性能从根本上改善环氧沥青脆性大、韧性差和耐久性差的缺点[8-12]；同时，添加相容剂能有效改善环氧树脂和沥青的相容性，进而提高环氧沥青的路用性能[7、13]。将增韧改性后的环氧沥青应用于桥面铺装工程，能为桥梁提供行驶性能良好而耐久的桥面铺装层。本试验以自主研发的高韧性环氧沥青为对象，研究了树脂用量、相容剂种类和用量、高温固化体系等因素对高韧性环氧沥青及混合料性能的影响，以期为我国钢桥面铺装环氧沥青类材料的研究提供参考。

1 试验部分

1.1 试验原材料

沥青：韩国SK70#道路沥青，其基本性能指标如表1所示。树脂：自制高韧性环氧树脂，浅黄色液体，环氧值为（0.39±0.02）mol/100 g，40 ℃黏度为0.23 Pa·s；相容剂：Compatilizer1#（具有芳香气味）、Compatilizer2#（黑褐色粘稠状液体）和Compatilizer3#（自制非离子型）；固化剂：由高温固化剂和中温固化剂复配而成；集料：优质耐磨的玄武岩；矿粉填料：石灰岩矿粉。

表1 SK70#道路沥青的技术指标

1.2 制备与养护方法

将高韧性环氧树脂与SK70#基质沥青分别在60 ℃和135 ℃下加热，通过机械搅拌的方式将其混合，搅拌均匀后，加入相容性和复配高温固化剂，制得高韧性环氧沥青。高韧性环氧沥青混合料的集料级配如表2所示，马歇尔试验确定最佳油石比为6.6%，拌和温度为170 ℃。

高韧性环氧沥青及混合料成型后，放置于60 ℃或常温（25 ℃）环境下养护，待试件完全固化后测试高韧性环氧沥青及混合料的相关性能。

表2 高韧性环氧沥青混合料集料级配

1.3 性能测试方法

利用万能试验机测试高韧性环氧沥青的拉伸强度和断裂伸长率；采用旋转黏度计测试环氧沥青在170 ℃下黏度的增长趋势，旋转黏度增长至1 000 mPa·s 的时间记为施工容留时间；高韧性环氧沥青混合料的马歇尔稳定度、劈裂强度、动稳定度及抗弯应变等按规范要求进行。

2 结果与讨论

2.1 树脂用量影响分析

考察树脂用量对高韧性环氧沥青及混合料的性能影响，试验结果如表3、图1及图2所示。

表3 树脂用量对高韧性环氧沥青性能影响

从表3可以看出，随着树脂用量的增加，高韧性环氧沥青的拉伸强度呈上升趋势，但施工容留时间随之缩短。当树脂用量为40%时（即树脂与沥青的质量比为6 ∶4），高韧性环氧沥青具有优异的拉伸性能，且施工容留时间较长。图1和图2表明，树脂用量对高韧性环氧沥青混合料的性能影响显著；当树脂用量小于20%时，其性能提升较慢；当用量大于20%后，混合料的马歇尔性能、高温稳定性和低温抗裂性迅速增强。针对钢桥面铺装的技术要求，环氧沥青材料的马歇尔稳定度需大于40 kN。树脂用量为40%和50%的高韧性环氧沥青及混合料路用性能良好，施工容留时间较长，同时考虑成本等因素，确定高韧性环氧树脂最佳用量为40%。

图1 树脂用量对高韧性环氧沥青混合料马歇尔稳定度影响

图2 树脂用量对高韧性环氧沥青混合料高低温性能影响

2.2 相容剂影响分析

在钢桥面铺装环氧沥青的研究中，相容性一直是一个难以解决的难题，添加相容剂可以有效改善其相容性[13]。

2.2.1 相容剂种类及用量确定

考察相容剂种类及用量对高韧性环氧沥青体系相容性的影响，试验结果如表4所示。

表4 高韧性环氧沥青相容性试验结果

从表4可以看出，未加相容剂时，高韧性环氧树脂和基质沥青的相容性较差，体系的上下层软化点差达到19.1 ℃，而添加相容剂后，体系的相容性均有不同程度的提升，其中Compatilizer3#的改善效果最为明显。一定范围内，随着相容剂用量的增加，体系的上下层软化点差越小，当Compatilizer3#用量为高韧性环氧沥青的10%时，体系的上下层软化点差仅为0.3 ℃，此时高韧性环氧树脂与沥青基本完全相溶。因此，选择自制非离子型相容剂Compatilizer3#，其较佳用量为10%。

2.2.2 存储温度对体系相容性的影响

考察存储温度对高韧性环氧沥青相容性的影响，试验结果如图3所示。

图3 存储温度对体系相容性的影响

从图3可以看出，存储温度对高韧性环氧沥青体系的相容性有一定影响。随着存储温度的升高，体系的上下层软化点差增大，即高韧性环氧树脂和沥青的相容性变差，表明高温对高韧性环氧沥青体系的相容性有不利影响。

2.2.3 相容剂对其他性能的影响

考察相容剂对高韧性环氧沥青及混合料其他性能的影响，试验结果如表5所示。可以看出，自制非离子型相容剂能明显提高高韧性环氧沥青及混合料的综合性能。

2.3 高温固化体系影响分析

2.3.1 复配固化体系性能考察

考察高温固化剂与中温固化剂复配比对高韧性环氧沥青及混合料的性能影响，试验结果如图4～7 所示。

表5 相容剂对体系其他性能的影响试验结果

图4 不同复配比例对高韧性环氧沥青拉伸性能影响

图5 不同复配比例对高韧性环氧沥青施工容留时间影响

图6 不同复配比例对高韧性环氧沥青混合料马歇尔稳定度影响

图7 不同复配比例对高韧性环氧沥青混合料高低温性能影响

可以看出，中温固化剂的加入对高韧性环氧沥青的拉伸强度影响不大，但会明显加快固化体系的固化反应速率，且随着其用量的增加，反应速率加快。当高温固化剂与中温固化剂的复配比例为9 ∶1 时（对应图中高温固化剂用量90%），其施工容留时间为150 min，与未添加中温固化剂的高温固化体系相比，缩短30 min。从图6和图7可以进一步看出，不同复配比对高韧性环氧沥青混合料的马歇尔稳定度和高低温性能影响较小。

2.3.2 复配固化体系养护时间考察

将不同复配比例固化体系的高韧性环氧沥青及混合料置于常温环境下养护，考察其强度形成时间，试验结果如表6所示。

表6 高韧性环氧沥青及混合料常温养护时间试验结果

从表6可以看出，中温固化剂的加入明显加快了高韧性环氧沥青的常温养护速率，且其用量越高，常温养护时间越短，高韧性环氧沥青及混合料形成强度越快。环氧沥青类材料在施工过程中，不仅要求在较高的温度下，具有较长的施工容留时间，并且要求在施工完成后，具有较短的常温养护时间。其中，未加中温固化剂体系的常温养护时间是高温固化体系的两倍以上，不利于及时开放交通。虽然中温固化剂含量更高的复配固化体系能进一步缩短了常温养护时间，但施工容留时间过短，不利于施工。因此，综合确定高温固化剂与中温固化剂用量比9 ∶1 为高韧性环氧沥青复配高温固化体系的最佳配比。