基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料性能影响分析

郝增恒，李凯，刘攀，赵云

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336)

随着我国桥梁建设的快速发展，桥面铺装材料的性能要求也愈来愈高，特别在钢桥面铺装领域，普通石油沥青及其混合料性能不能更好满足路用性能，进而出现适应性更好的新型铺装材料——环氧沥青。环氧沥青混合料具有高强度、韧性好、黏结性好、良好的温度稳定性及良好的耐久性等优势[1-4]，因此得到广泛应用。

目前国内市场可选择的环氧树脂种类较少，而沥青来源则多种多样，其组成成分、技术指标及化学特性各异[5-7]。原材料的变异性将会导致环氧沥青的力学性能变化较大，最终影响其混合料路用性能[8-11]。同时，在国内实体工程中，各地区获取油源路径不同，且多以就地取材为主,使用的沥青基体不同，铺装工程的使用性能及使用寿命可能会受到一定影响。鉴于此，本文选取不同种类的常用沥青基体，对其制备的高韧性环氧沥青及混合料进行性能评价，为钢桥面铺装实体工程提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

壳牌70#基质沥青、胜利70#基质沥青、泰普克70#基质沥青、茂名70#基质沥青、SK70#基质沥青，其基本技术指标见表1；高韧性环氧树脂、复配高温固化剂体系均为自制；集料(耐磨、坚硬的玄武岩)、矿粉(磨细石灰岩)的基本性能指标见表2。

NDJ-1C型布氏旋转黏度仪；WDW3100型微机控制电子万能实验机；BFA独立式小梁疲劳实验机。

表1 基质沥青的基本技术指标

表2 集料与矿粉的基本性能指标

1.2 高韧性环氧沥青及混合料的制备

将高韧性环氧树脂及其固化剂按质量比67∶33比例混合，加热至55～60 ℃，提高其流动性。基质沥青加热至130～140 ℃，将沥青与高韧性环氧树脂按质量比50∶50混合均匀，制得高韧性环氧沥青胶结料。

将制得的高韧性环氧沥青胶结料与烘干的集料按最佳油石比在170 ℃下拌和3 min，拌制高韧性环氧沥青混合料。高韧性环氧沥青混合料级配曲线见图1，最佳油石比为6.7%。需要注意的是，制备工艺需严格控制温度。

图1 高韧性环氧沥青混合料级配组成设计

1.3 性能评价

参照ASTM的相关标准，将高韧性环氧沥青制成哑铃型试件，测试其拉伸强度和拉伸破坏时的断裂伸长率。

按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(JTG E20—2011)要求测试高韧性环氧沥青的针入度、软化点及175 ℃旋转黏度及其混合料的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性能以及疲劳性能。

高韧性环氧沥青及混合料试件在60 ℃恒温箱养护4 d即可形成最终强度。

2 结果与讨论

2.1 高韧性环氧沥青的基本性能

考察基质沥青种类对高韧性环氧沥青基本性能的影响，结果见表3。

表3 高韧性环氧沥青基本性能实验结果

由表3可知，高韧性环氧沥青固化后，体系由热塑性转变为热固性，极大地提升了沥青的高温性能和力学性能，针入度下降，软化点上升，拉伸强度增大。基质沥青种类对其高韧性环氧沥青的基本性能影响较小，5种高韧性环氧沥青的软化点均大于150 ℃， 拉伸强度均在5 MPa左右，断裂伸长率均在110%左右，其中采用低温延性优异的壳牌沥青制备的高韧性环氧沥青具有最大的断裂伸长率。

施工容留时间(黏度上升至1 000 mPa·s所需的时间)是环氧沥青混合料施工的关键因素，对施工质量及使用性能影响大，必须严格控制施工容留时间。由表3可知，5种高韧性环氧沥青的施工容留时间均在120～130 min之间，其中高温黏度最小的胜利牌沥青制备的高韧性环氧沥青施工容留时间最长。沥青中的活性官能团可能会和环氧树脂发生复杂的反应，进而影响环氧沥青的施工容留时间，这还有待实验的进一步论证。以上5种高韧性环氧沥青均能够满足实体工程对环氧沥青材料施工提出的苛刻要求。

2.2 混合料的力学性能

沥青混合料的力学性能与其路用性能关系紧密。考察基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料的力学性能影响，结果见表4。

表4 高韧性环氧沥青混合料力学性能实验结果

由表4可知，5种高韧性环氧沥青混合料的体积参数差异较小，其稳定度均满足钢桥面铺装技术规范中对环氧沥青混合料大于40 kN的要求。其中，泰普克70#-EA和SK70#-EA的稳定度更大。混合料的流值都在3.5～4 mm之间，反映了混合料具有良好的抗塑性变形能力。混合料的劈裂抗拉强度均大于2.8 MPa，反映了混合料良好的抗拉强度。高韧性环氧沥青优异的拉伸性能使其混合料的力学性能大大提高，这主要是由高韧性环氧树脂自身的强度所决定，与基质沥青的种类关系不大。

2.3 混合料的高温性能

在高温及长时间荷载作用下沥青混合料会产生显著的变形，车辙病害严重影响路面的使用质量和寿命，特别在钢桥面，高温季节温度可达60～70 ℃，铺装层混合料需有更好的高温性能。考察基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料高温性能的影响，结果见表5。

由表5可知，高韧性环氧沥青混合料的高温稳定性优异，其70 ℃动稳定度均达到30 000次/mm以上，70 ℃车辙深度均不大于0.4 mm。5种高韧性环氧沥青的软化点均大于150 ℃，由于高韧性环氧树脂发生了固化反应，使其形成了三维立体互穿网状结构的热固体系，从而大幅度提高了混合料的高温性能。基质沥青种类对混合料的高温性能几乎没有影响，主要取决于高韧性环氧树脂的热固性作用。

表5 高韧性环氧沥青混合料车辙实验结果

2.4 混合料的低温性能

破坏弯拉应变作为低温弯曲破坏实验评价指标，能够很好的反映高韧性环氧沥青的低温性能，破坏弯拉应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性能越好。考察基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料低温性能的影响，结果见表6。

表6 高韧性环氧沥青混合料低温小梁实验结果(-10 ℃)

高韧性环氧沥青明显改善了普通环氧沥青固化后低温脆性大、柔韧性差的特点，对钢桥面铺装层的开裂破坏起到了极大的改善作用。由表6可知，基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料的低温抗裂性能有一定的影响。5种高韧性环氧沥青混合料抗弯应变均远大于规范要求的2 500 με，其中壳牌70#-EA最高(5 412.38 με)，胜利70#-EA最低(5 035.94 με)。低温下高韧性环氧沥青混合料强度取决于环氧树脂自身的强度，变形能力取决于基质沥青和环氧树脂的共同作用。沥青的延度是影响混合料低温抗裂性的因素之一，一般来说，低温下沥青变形能力越大，则混合料低温变形能力也越大。壳牌70#沥青的延度最大，从侧面说明其低温变形大，从而使得其混合料低温抗裂性能更优。

2.5 混合料的水稳定性能

钢桥面铺装必须具有优异的防水性能，这要求铺装层混合料具备较高的抗水损坏能力和密水性。本文采用浸水马歇尔实验和冻融劈裂实验评价高韧性环氧沥青混合料的水稳定性，以残留稳定度和劈裂强度比表征水损害程度，结果见图2和图3。

图2 高韧性环氧沥青混合料浸水马歇尔实验结果

图3 高韧性环氧沥青混合料冻融劈裂实验结果

由图1、图2可知，基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料水稳定性能影响不大。由图2可知，5种高韧性环氧沥青混合料的残留稳定度均大于规范要求的90%，说明其在高温下抗水损坏性能很强，其中壳牌70#-EA的残留稳定度最高达到96.83%，泰普克70#-EA的残留稳定度最低也有93.89%。在浸水条件下，5种高韧性环氧沥青与集料的黏附性良好，其混合料整体力学强度没有发生明显变化，水稳定性能优异。

由图3可知，经过冻融循环后，5种高韧性环氧沥青混合料的冻融劈裂强度比均达到90%以上，冻融劈裂强度比依次为SK70#-EA>胜利70#-EA>茂名70#-EA>壳牌70#-EA>泰普克70#-EA。混合料强度主要与集料强度和胶结料的力学性质以及其相互之间的作用有关，冻融后的混合料劈裂强度没有明显的变化，说明水分对高韧性环氧沥青膜的剥落程度较低，也说明高韧性环氧沥青混合料在多雨水条件下能更好的抵抗车辆荷载对铺装层的破坏。

2.6 混合料的疲劳性能

钢桥面铺装结构的特殊形式容易使得铺装层材料发生疲劳开裂，所以铺装层混合料需有良好的抗疲劳破坏的能力。考察基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料的疲劳性能影响，采用应变控制模式，微应变水平600 με，加载频率10 Hz，结果见表7。

表7 高韧性环氧沥青混合料四点弯曲疲劳实验结果(15 ℃)

由表7可知，基质沥青种类对其疲劳性能无显著性影响，在同一应变水平下，5种高韧性环氧沥青混合料的疲劳寿命均大于100万次，说明高韧性环氧沥青混合料有良好的抗疲劳破坏能力，能够与钢桥面进行协同变形，抵抗早期的疲劳开裂。

3 结语

(1)基质沥青种类对其高韧性环氧沥青的性能影响较小，5种高韧性环氧沥青的软化点均大于150 ℃， 施工容留时间均在120 min左右，拉伸强度均在5 MPa左右，断裂伸长率均大于100%，高韧性环氧沥青具有优异的综合性能。

(2)基质沥青种类对高韧性环氧沥青混合料的力学性能、高温稳定性、低温抗裂性能及水稳定性能影响较小，混合料的路用性能主要还是依赖高韧性环氧树脂的热固性作用。5种高韧性环氧沥青混合料的马歇尔稳定度均大于50 kN，劈裂抗拉强度均大于2.8 MPa，70 ℃动稳定度均大于30 000次/mm，-10 ℃ 低温弯曲应变均大于5 000 με，残留稳定度和冻融劈裂强度比均大于90%，600 με微应变四点弯曲疲劳寿命均大于100万次，表现出十分优异的路用性能。

(3)高韧性环氧沥青对基质沥青种类要求不高，适应普遍性强。从工程原材料选取角度看，不同地区钢桥面高韧性环氧沥青铺装工程可就近取材，不受基质沥青种类影响，节约运输成本，降低工程造价。