探究环氧改性沥青对沥青混凝土路面性能的影响

2022-01-16胡加伟

绿色环保建材 2021年12期

胡加伟

福建省禹天建设有限公司

1 环氧改性沥青

基质沥青和环氧树脂以及固化剂是环氧改性沥青的三大主要组成成分，除此之外还有其他助剂。环氧改性沥青的化学原理为环氧树脂加上固化剂会发生反应生成三维网格结构，这种稳固的结构能够使沥青颗粒的流动受到限制，将沥青的热塑性编程热固性。环氧改性沥青是一种很适合钢桥面路面的材料，因为其拥有极好的柔韧性、稳定性和抗裂性能，而且也抗腐蚀。但是三种原材料之间的相容性以及环氧体系影响环氧改性沥青的性能和成本。本节研究固化剂、掺量和制作工艺来为解决上述问题提供科学依据。

1.1 基质沥青

查阅资料可知环氧树脂的溶解度为9.6～10.5，基质沥青的溶解度一般为8.65。而两者的相容性会影响改性沥青的性能，如果两种原材料的相容度之差在1.5以内的话，可以相容得比较好。所以环氧改性沥青在选择原材料时可以选择沥青质和树脂含量高的石油沥青作为基质沥青（70#A）。

1.2 环氧树脂

如前所述，环氧树脂加上一定比例的固化剂会发生化学反应生成三维网格结构，增强混合料的整体性能。环氧树脂材料可以使用产量比较大而且性能好的双酚A型产品。比如可以选取E-51环氧树脂，它的环氧值是0.51mol∕100g。

1.3 固化剂质量比

正交异性钢桥面一般采用环氧改性沥青进行铺装，这种地面对沥青的强度要求很高。环氧树脂和固化剂的固化产物决定沥青的强度性能。其中影响工艺难度的是容留时间，混合料难以实现压实的阈值是环氧沥青黏度为1500MPa时，所以要求容留时间要在10，min以上。通过进行指标为拉拔强度和拉伸强度的对比实验（固化剂和环氧树脂质量比采用1:1，环氧体系掺量设为15%），在a-e五中酸酐类固化剂中选择b类固化剂。对比实验数据图如图1。然后在选定b类酸酐固化剂后，分别对环氧树脂：固化剂的质量比为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2五种环氧沥青进行拉伸和拉拔强度的对比实验，通过图2可以看出，环氧树脂：固化剂的质量比为1的时候最好。

图1 a-e五中酸酐类固化剂强度对比

图2 不同质量比强度对比

1.4 环氧体系掺量

通过对比我们得出了最佳的固化剂类型和环氧树脂与固化剂的质量比。然后为了确定环氧体系的最佳掺量，同样我们通过设计不同比例的掺量来和SBS改性沥青进行拉伸强度赫尔拉拔强度的实验对比，一共做了六组实验，掺量比例分别是5%、10%、15%、20%、30%、50%。得到的强度对比数据见表1。

表1 环氧改性沥青不同比例下和SBS改性沥青强度对比表

通过表中数据可以发现，环氧体系的掺量增加，则拉伸强度和拉拔强度随着增大，而断裂伸长率随着比例的增加而呈一个减小的趋势。究其原因是因为固化物决定了沥青的强度，固化物越多则改性沥青的强度越强。断裂伸长率其实就是沥青的延展性能，它主要与基质沥青有关，基质沥青随着掺量比例的提升而减少，所以断裂伸长率会降低。

我们与SBS改性沥青对比可见，环氧改性沥青的环氧体系掺量即便只有百分之五的时候，其沥青的强度性能也更好。所以相比较而言，环氧改性沥青更适合做沥青混凝土路面的混合料黏结料。

综上所述，考虑到经济效益和路用性能，我们拟使用10%掺量环氧体系做后续研究。

2 环氧改性沥青的路用性能探究

2.1 高温稳定性

为了分析环氧改性沥青混合料用在沥青混凝土路面上的高温稳定性能，我们分析参考文献中所做的一些车辙试验数据，试验严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）开展，对比材料为日本TAF环氧沥青混合料，还有SBS改性沥青混合料，三种材料做设定同等级配性能对比，试验完成后的结果见表2。

表2 沥青混合料车辙试验

通过对比实验我们可以得知，与SBS改性沥青相比而言，环氧改性沥青的混合料的高稳稳定性能更胜一筹。而且国标下的《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》（GB∕T 30589—2014）材料稳定度要求环氧改性沥青材料达标且远超于要求的动稳定度，而SBS改性沥青的动稳定度并没有达到技术要求。环氧改性沥青的组成成分的环氧树脂和固化剂在高温下会发生反应形成比较坚固的三维立体网状结构，这种结构能够使基质沥青颗粒的自由移动受到限制，由于其含有热固材料的原因，所以在高温环境下环氧改性沥青会变软不过仍能保持固态，所以动稳定性能远远超过了SBS改性沥青。SBS改性沥青动稳定度较低是因为该种混合料在高温环境下主要呈现高黏性，比较容易收到外力产生变形，像留下车辙印就属于变形的一种。表中数据显示两种环氧沥青的动稳定度即高温稳定性能相当。

2.2 低温抗裂性

为了分析环氧改性沥青混合料用在沥青混凝土路面上的低温抗裂性能，我们分析小梁低温弯曲试验结果，试验严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）开展，对比材料为日本TAF环氧沥青混合料，还有SBS改性沥青混合料，三种材料在同等低温环境下做性能对比，试验完成后的结果见表3。

表3 沥青低温抗裂性能试验数据表

通过对比实验我们可以得知，与SBS改性沥青相比而言，环氧改性沥青的混合料的低温抗裂性更胜一筹，而且可以看出其具有更高的抗弯强度和劲度模量，这些技术指标可以反映出环氧沥青的低温柔性更高。在冬季的时候，一般地表温度会低于空气温度，所以对比几种材料在-15℃的最大弯拉应变，可以发现环氧沥青混合料的值更大，也就是说其拥有较好的柔性，在冬季低温环境下的抗裂性能更好，使得沥青混凝土路面的抗裂性能更好，有利于提高路面的使用质量和寿命。

2.3 水稳定性

为了分析环氧改性沥青混合料用在沥青混凝土路面上的水稳定性能，我们分析沥青混合料的动容劈裂试验结果，开展的实验对比了材料为日本TAF环氧沥青混合料，还有SBS改性沥青混合料，三种材料在冻融劈裂实验条件下的劈裂强度、冻融劈裂强度和劈裂强度比（TSR）性能对比结果见表4。

表4 沥青混合料动容劈裂实验结果

通过上述实验数据可以得出，与SBS改性沥青相比较，环氧改性沥青的冻融劈裂强度比更高，性能更好，更适合用于沥青混凝土路面实现路用。两种环氧沥青的混合料的劈裂强度和冻融劈裂强度不相上下，但是相比较SBS改性沥青，环氧沥青的两种指标强度分别为SBS改性沥青的3.32倍和3.75倍。这些数据足可以说明在应用到沥青混凝土路面上的环氧改性沥青混合料拥有更好地水稳定性和物理学性能。