双酚A型不饱和聚酯树脂改性沥青混合料性能研究

2020-10-20潘军利李德文黎碧波

筑路机械与施工机械化 2020年9期

潘军利，李德文，黎碧波

(陕西省交通建设集团，陕西西安 710075)

0 引言

桥面铺装是桥梁结构中直接承受车辆荷载的部分，质量良好的桥面铺装层是行车安全与舒适度的重要保证。相对于普通的沥青面层，桥面铺装受力更复杂，高温和低温等气候条件更苛刻，而且通常不能采用大型振动压路机压实，容易出现开裂、坑槽、车辙等病害[1-2]。

目前，桥面铺装形式主要有SMA、环氧沥青混凝土、浇注式沥青混凝土3种类型[3]。近年来，国内外相继开展了不少针对这3种材料的研究。张锐等[4]研发浇注式沥青混凝土两阶段级配设计方法，通过车辙试验、小梁弯曲试验、水稳定性试验和疲劳试验，证明该方法可以提高混凝土的高温稳定性、低温抗裂性能、水稳定性和抗疲劳性能。Chen 等[5]通过流动、压痕、弯曲和车辙试验研究了加入特立尼达湖沥青的浇注式沥青混凝土的路用性能，结果发现特立尼达湖沥青使混合料的耐久性和刚度有所提高。Qiu等[6]提出了一种基于Bailey方法的混合设计方法，可以准确地量化 SMA 混合料的骨料级配，更好地了解其对沥青混合料承载力的影响，研究结果表明用该方法设计的 SMA 混合料具有良好的抗车辙特性。Ahmadinia等[7]对废旧聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)加入SMA中的工程特性进行研究，发现聚酯对混合料的性能有显著影响，可以促进工业废料的再利用。壳牌公司开发了一种A、B双组分环氧树脂改性沥青，B组分为环氧树脂和胺类固化剂，A组分为基质沥青。Cong等[8]通过间接拉伸疲劳试验和静态蠕变试验研究了环氧树脂对沥青混合料的黏结性能和疲劳性能的影响，结果表明环氧树脂能够提高沥青混合料的黏结性能和疲劳性能，并且与基质沥青相比，具有更好的抗变形能力和恢复性能。Qian等[9]提出了一种适用于活动结构桥面的轻量级环氧沥青混合料，试验结果表明这种材料具有良好的抗水损害、永久变形和低温开裂性能。东南大学陈志明教授和黄卫教授课题组[10-13]利用顺酐对基质沥青进行改性，以脂肪族二元酸为固化剂制备高性能环氧沥青材料，并且在武汉天兴洲大桥和上海闵浦大桥等工程中应用。相对来说，固化反应使环氧沥青混合料可以形成一个致密的、低空隙率的整体，高温性能、抗疲劳和抗水损害性能较好，但环氧沥青刚性大，低温柔性差，而且造价较高。

不饱和聚酯树脂(UPR)与环氧树脂有许多相似的化学性质，并具有优良的耐热性、力学性能、耐化学腐蚀和介电性能[14-15]。将 UPR加入沥青中，经固化反应形成不可逆的固化物，有望使沥青拥有更加优秀的热塑性质和力学性质。

目前不饱和聚酯树脂多用于涂料、填料、修补材料，或与混凝土、砂子等混合使用[16-18]；未将见不饱和聚酯树脂应用于改性沥青桥面铺装的研究。本文通过一系列试验，研究用于桥面铺装的UPR改性沥青的高低温性能、水稳定性、抗疲劳等路用性能。

1 沥青混合料的制备

1.1 原材料

本研究采用的原材料主要有不饱和聚酯树脂(UPR)、环氧树脂(ER)、固化剂、相容剂、偶联剂、稀释剂、沥青、集料、矿粉。UPR为双酚A型不饱和聚酯树脂，分子结构式如图1所示，性能指标如表1所示。UPR固化剂为过苯甲酸叔丁酯，相容剂为顺丁烯二酸酐(又称马来酸酐), 偶联剂为硅烷偶联剂 KH560，稀释剂为UPR专用树脂稀释剂。选用壳牌90号沥青，其性能指标如表2所示。粗集料为陕西商洛兴达石料厂生产的玄武岩碎石，要求干燥、无杂物以及表面粗糙，耐磨性能符合要求。细集料、矿粉为石泉县池河镇顶鑫石料厂提供的石灰岩机制砂，要求干燥、洁净、无杂质。

图 1 UPR分子结构

表1 不饱和聚酯树脂技术指标

表2 90号道路石油沥青技术指标

1.2 改性沥青制备

根据现有的环氧沥青研究经验，UPR改性沥青也采用双组分的方法制备，即组分A(UPR)和组分B(沥青和其他添加剂)。具体操作为：按照1∶0.074∶0.040∶0.024∶0.006∶2.456的比例准备好UPR、相容剂、固化剂、偶联剂和基质沥青。先将相容剂分多次加入 160 ℃的基质沥青中，并在加热状态下进行高速剪切，搅拌速率为 200 r·min-1，温度保持在160 ℃，直至白色烟雾消失。然后将称量好的固化剂分多次加入沥青中，混合均匀，再把偶联剂和稀释剂分别加入沥青，搅拌10～20 min，形成混合乳液，即为B组分。然后将准备好的A组分在80 ℃下预热 5 min，加入调配好的B组分中，即形成不饱和聚酯树脂改性沥青。环氧改性沥青由环氧树脂、固化剂和沥青组成，树脂∶固化剂=1∶1，环氧树脂掺量为沥青用量的30%，也采用双组分法制备。

1.3 矿料级配及最佳油石比

对AC-13沥青混合料进行马歇尔配合比设计。根据级配及设计经验，选择5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%五个油石比，相应制作 5 组马歇尔试件，每组4个，进行马歇尔试验，其结果如表3所示。从表3得到 UPR改性沥青混合料的最佳油石比为 6.5%。基质沥青混合料和环氧沥青混合料的最佳油石比分别为 6.5%。

表3 马歇尔设计试验结果

2 试验结果与分析

研究UPR改性沥青混合料的各项路用性能，主要包括强度、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗老化性、抗疲劳性和耐油腐蚀性等，并与基质沥青混合料、环氧沥青混合料的性能进行对比。

2.1 抗拉强度

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)(简称试验规程) 中的劈裂试验方法(T 0716—2011)，采用双面击实75次成型的马歇尔试件进行试验，加载速率为 50 mm·min-1。试验结果见表4。

表4 劈裂试验结果

由表4可以看出，双酚A型UPR改性沥青混合料的劈裂强度虽然不及环氧沥青混合料，但远大于基质沥青混合料，是其强度的3.1倍。因此UPR改性沥青混合料是一种力学性能优良的材料。

2.2 抗弯拉强度

根据试验规程，采用室内小梁试件三点加载试验(T 0715—2011)测定沥青混合料的抗弯拉强度。小梁试件尺寸为长250 mm、宽30 mm、高35 mm，加载速率为50 mm·min-1，测试温度为15 ℃。试验结果见表5。

表5 小梁弯曲试验结果(15 ℃)

由表5可以看出，当温度为15 ℃时, UPR改性沥青混合料的抗弯拉强度优于基质沥青, 但远低于环氧沥青，且最大弯拉应变也低于环氧沥青, 说明UPR改性沥青混合料的强度与环氧沥青混合料相比稍有不足，但柔韧性良好。

2.3 高温稳定性

本文采用车辙试验对UPR改性沥青混合料的高温性能进行研究。根据试验规程的沥青混合料车辙试验方法(T 0719—2011)，采用轮碾法制作长300 mm、宽300 mm、高50 mm的车辙板试件，试验温度为60 ℃，轮压0.7 MPa，往返碾压速度为42 次·min-1。试验结果如表6所示。

表6 车辙试验结果

由表6可以看出，UPR改性沥青混合料的动稳定度只有环氧沥青混合料的40%，却是基质沥青混合料的7.16倍，这说明在高温性能方面，UPR改性沥青混合料虽然与环氧沥青混合料存在差距，但是远优于基质沥青混合料，因此仍不失为一种高温性能优良的材料。

2.4 低温抗裂性

根据试验规程，采用低温弯曲试验(T 0728—2011)研究混合料的低温抗裂性。本试验采用由轮碾法成型后的试件切成的小梁试件，尺寸为长250 mm、宽30 mm、高35 mm，加载速率为50 mm·min-1，测试温度为-10 ℃，试验结果见表7。

由表7可以看出：在温度为-10 ℃时， UPR改性沥青混合料的抗弯拉强度是环氧沥青的62%，是基质沥青混合料的119%；UPR改性沥青混合料的最大弯拉应变是环氧沥青混合料的3.19倍，是基质沥青混合料的2.56倍，说明UPR改性沥青混合料的柔韧性远优于环氧沥青混合料。

表7 小梁低温弯曲试验结果

2.5 水稳定性

本研究利用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对比评价沥青混合料的抗水损害能力。根据试验规程中的试验方法(T 0709—2011和T 0729—2011)分别进行试验，结果见表8。

表8 水稳定性试验结果

由表8可以看出，UPR改性沥青混合料的浸水残留稳定度优于基质沥青混合料和环氧沥青混合料；UPR改性沥青混合料的冻融劈裂强度比分别是环氧沥青混合料的1.13 倍、基质沥青混合料的1.09 倍，这说明UPR改性沥青混合料经冻融作用后的性能优于其他2种沥青混合料。因此，UPR改性沥青混合料拥有优异的水稳定性。

2.6 抗疲劳性

根据试验规程，本文采用四分点中点小梁弯曲试验(T 0739—2011)对沥青混合料疲劳性能进行试验。小梁尺寸为长250 mm±2 mm，宽40 mm±2 mm，高40 mm±2 mm，试验仪器为MTS-810型材料测试系统。采用正弦波形荷载进行疲劳试验，加载频率为10 Hz，试验温度为15 ℃，应力比为0.3、0.4、0.5、0.6四个等级。试验结果如表 9 、10所示。

表9 沥青混合料的破坏应力

在相同的应力比下，UPR改性沥青混合料的疲劳寿命大于基质沥青混合料、小于环氧沥青沥青混合料，但随着应力比的增大，与后者的疲劳寿命差距逐渐减小，说明UPR改性沥青的抗疲劳性能虽略差于环氧沥青，却远优于基质沥青。

理论研究表明，应力比与疲劳寿命在双对数坐标上表现为直线关系，通常可表示为

表10 不同应力比下的沥青混合料疲劳试验结果

lgNf=K-nlgσt

(1)

式中：Nf为达到破坏时的重复荷载作用次数；σt为应力；K为回归常数，与材料组成和性质有关；n为回归常数，与试验条件和材料特性有关。

不同类型沥青混合料的疲劳回归方程见表11。在双对数坐标下，K为疲劳曲线的截距，K值越大，表明混合料的抗疲劳性能越好。由表11可以看出，UPR改性沥青混合料的抗疲劳性能略逊于环氧沥青混合料，但优于基质沥青混合料。

表11 不同类型混合料的疲劳回归方程

由表11可以发现，UPR改性沥青和环氧沥青混合料试件浸油后质量变化极小，且试件颜色未发生变化，说明 UPR改性沥青混合料的耐油腐蚀性优良，与环氧沥青混合料相当。

3 成本分析

环氧沥青由环氧树脂、固化剂和沥青组成，其配比为沥青∶环氧树脂∶固化剂=6∶2∶2。沥青为90号壳牌沥青，价格为3 000 元·t-1，环氧树脂与固化剂的价格为55 000 元·t-1，可算得环氧沥青的价格为12 800 元·t-1。

UPR改性沥青配合比为双酚A型不饱和聚酯树脂∶马来酸酐∶固化剂∶硅烷偶联剂∶稀释剂∶沥青=1∶0.074∶0.040∶0.024∶0.006∶2.456。沥青的价格为3 000 元·t-1，树脂的价格为17 000 元·t-1，固化剂的价格为20 000 元·t-1，马来酸酐的价格为16 000 元·t-1，硅烷偶联剂的价格为35 000 元·t-1，稀释剂的价格为9 500 元·t-1，可算得UPR改性沥青的价格为7 567 元·t-1。经过比较发现，UPR改性沥青的价格优势明显。