新型早强改性沥青路面材料的研制与性能测试

2024-05-07张凡曹济王光明丁德亮李如意

粘接 2024年3期

张凡曹济王光明丁德亮李如意

摘要：针对传统沥青路面材料养护周期长的问题，提出一种早强型环氧沥青路面材料的制备。试验对早强型环氧沥青配比进行优化，对优化后沥青混合料路用性能进行研究。试验结果表明，当相容剂用量与基质沥青用量分别为环氧树脂质量的16%和60%，环氧树脂与固化剂配比为1∶0.8，基础固化剂与协同固化剂配比为9∶1。以此条件制备的沥青养护12 h后即可达到41 N，完全固化时间为20 h；各项性能均满足JTG/T 3364-02—2019规范要求，在实际工程应用中可快速开放交通。

关键词：路用性能；早强型环氧沥青；养护周期；马歇尔试验

中图分类号：TQ323.5

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0100-03

Development and performance testing of new early strength modified asphalt pavement materials

ZHANG Fan，CAO Ji，WANG Guangming，DING Deliang，LI Ruyi

（China Construction Seventh Engineering Division Co.，Ltd.，Zhengzhou 518000，China

）

Abstract：Aiming at the problem of long maintenance period of traditional asphalt pavement materials，an early strength epoxy asphalt pavement material was prepared.The ratio of early strength epoxy asphalt was optimized，and the road performance of the optimized asphalt mixture was studied.The experimental results showed that when the dosage of compatibilizer and the amount of matrix asphalt were 16% and 60% of the mass of epoxy resin，the ratio of epoxy resin to curing agent was 1∶0.8，and the ratio of basic curing agent to co curing agent was 9∶1.The asphalt prepared under this condition could reach 41 N after 12 h of curing，and the complete curing time was 20 h，and all the properties met the requirements of JTG/T 3364-02—2019 specification，and could be quickly opened to traffic in practical engineering applications.

Key words：road performance;early strength epoxy asphalt;maintenance cycle;marshall test

瀝青作为常见的路面铺装材料，受其特性的影响，其作为铺装材料使用时，养护时间较长，这就大幅度延长了交通开放的时间。为了进一步优化沥青材料的性能，部分学者也进行了很多研究，如从沥青的老化性能出发，通过纳米粒子对沥青的耐老化性能进行优化［1］。使用氧化石墨烯协同SBS对沥青的高低温流变性进行提升［2］。以聚氨酯和环氧树脂对沥青的高温抗车辙性进行优化［3］。基于此，实验在文献［4］的研究基础上，制备了一种早强型环氧沥青路面材料，为沥青路面铺装材料的发展提供一些参考。

1 试验材料与方法

1.1 材料与设备

主要材料：基质沥青（A级），路特达道路工程；基础固化剂（M），AR，慈鹏矿产品；石灰岩矿粉（I级），旭邦矿产品；协同固化剂（N），AR，亿鑫达新型材料；酚类相容剂，AR，优塑德新材料；环氧树脂，AR，星辰材料；玄武岩碎石（I级），登峰建材。

主要设备：NDJ-1型旋转黏度计（鸿浩杰科）；YL-S70型直接拉伸试验机（昊锐试验仪器）；LHCZ-6型车辙试验仪（华锡试验）。

1.2 试样制备

1.2.1 改性沥青的制备

（1）将100 ℃基质沥青与相容剂混合均匀，搅拌转速和时间分别为500 r/min和90 min;

（2）将混合后的沥青冷却至60 ℃，然后加入双酚A型环氧树脂，保持500 r/min的转速继续搅拌45 min，静置得到沥青A组分;

（3）在常温状态下将基础固化剂ZJ-1与协同固化剂XJ-2混合，在500 r/min的转速条件下充分搅拌50 min，静置得到沥青B组分;

（4）保持常温环境，将B组分与A组分混合并充分搅拌，搅拌转速和时间分别为300 r/min和8 min，得到早强型环氧沥青结合料。

1.2.2 沥青拌和料的制备

参照JTG F40—2004 要求对沥青拌合料进行设计，设置环氧沥青油石比为8.3%［4-5］。按照配比将沥青与玄武岩碎石和石灰岩矿粉混合搅拌均匀，得到早强型沥青拌合料。

1.3 性能测试

相容性测试：通过离析试验对早强型环氧沥青相容性进行测试［6］。

拉伸性能：

通过直接拉伸试验对早强型环氧沥青的拉伸性能进行测试［7］。

黏度测试：通过旋转黏度计测试沥青的黏度。

强度测试：通过马歇尔试验对沥青的强度进行测试［8］。

2 结果与讨论

2.1 基础配比优化

根据沥青使用要求，确定配比优选原则为，离析前后的环氧沥青上下层的软化点差值控制在1 ℃內［9-15］；养护完全后拉伸强度和断裂伸长率分别应超过 2 MPa和 50%，强度达到 40 kN 的养护时间小于 12 h［16］。在实际工程中，存在运输和施工延误现象，因此要求用于铺装的沥青黏度达到 3 Pa·s的时间应超过 120 min，常温条件下120 min后沥青黏度值小于 3 Pa·s［17］。

2.1.1 相容剂用量优化

固定环氧树脂与基质沥青的比例为5∶5，相容剂用量占环氧树脂总质量的10%～50%。通过离析试验对相容剂增容效果进行表征，进而确定相容剂的最佳掺量，结果见表1。

由表1可知，在未掺加相容剂的情况下，沥青上层软化点和下层软化点差值约为18.1 ℃，这说明没有外力因素的影响，环氧树脂与基质沥青相容性较差。随体系内相容剂用量的增加，沥青上层软化点与下层软化点差值表现出先减小，后缓慢增加的变化趋势，当相容剂用量为16%时，软化点差值最小为0.4 ℃。因此在后续试验中，选择相容剂用量为20%。

2.1.2 协同固化体系优化

基础固化剂与协同固化剂共同组成的协同固化体系对沥青的施工性能影响较大，因此以施工性能为指标，对协同固化体系进行优化，结果见表2。由表2可知，随协同固化剂N用量的减少，沥青的断裂延伸率逐渐的减少，黏度增至3 Pa·s的时间逐渐增加，且在M∶N为9∶1时达到130 min。综合考虑施工容留时间和常温养护时间，选择适合的基础固化剂与协同固化剂配比为9∶1。

2.1.3 沥青主要成分配比优化

参考部分研究者的经验成果，认为不同配比的沥青，拉伸性能的差异相对较大。固定基质沥青掺量，随固化剂用量的增加，沥青的拉伸性能有一定增加，但过多固化剂用量会对拉伸性能产生不良影响，但断裂伸长率有一定增加。因此，适合的环氧树脂与固化剂配比为1∶0.8。

同时，通过温度25 ℃条件下黏度增长试验对基质沥青用量进行进一步优化，结果见图1。

由图1可知，在固化初期，环氧沥青黏度几乎不发生变化，但随反应时间的增加，沥青的黏度有一定的增加。随着反应的进行，环氧基不断开环生成微凝胶体，这就增加了沥青的黏度，当微凝胶体数量累积至一定程度时，形成一定的交联网络结构，黏度快速上升。受容留时间原则影响，要求120 min 后的黏度要小于 3 Pa·s，满足要求的组别为基质沥青用量60%和70%。

而通过马歇尔试验对环氧沥青的稳定度进行表征，结果在基质沥青用量为60%时，强度较高，24 h后即可达到54.64 kN，满足JTG/T 3364—02—2019中强度大于40 kN的要求。综上，基质沥青最佳用量为60%。

2.2 时温特性分析

由于试验设计的环氧沥青主要用于路面的铺装，因此需要考虑不同温度条件下，沥青黏度变化情况。根据使用需求，将拌和温度分别设置为10、20、30和40 ℃，观察沥青黏度的变化，结果见图2。

由图2可知，4种拌和温度下的环氧沥青增长曲线变化趋势基本一致，在固化初期，沥青黏度水平均相对较低，随养护时间的增加，沥青黏度开始有一定增加。在养护后期，拌和温度越高，黏度开始增长的时间节点越靠前，黏度增长速度越快。但在拌和温度为10～40 ℃条件下，环氧沥青黏度增至3 Pa·s所用的时间均超过120 min，施工容留时间足，满足实际施工需求。

2.3 沥青拌和料路用性能分析

2.3.1 强度分析

以国产冷拌环氧沥青为对比，通过马歇尔试验对拌合料强度特性进行评价，结果见图3。

由图3可知，混合料稳定度随时间的增加而增加。在养生初期，沥青混合料体系中形成的微凝胶体数量有限，因此马歇尔稳定度缓慢增加。在养生后期，随固化反应的进行，马歇尔稳定度快速的增长至最终强度。早强型环氧沥青混合料虽然最终强度略低于环氧沥青，但仍达到了JTG/T 3364—02—2019要求。同时，常温环境下，早强型环氧沥青混合料养生12 h后即可达到41 N；而普通环氧沥青混合料则需要养生48 h才可达到差不多强度。早强型沥青完全固化时间为20 h；而普通沥青完全固化时间为72 h。这说明实验制备的沥青养生时间较短，可实现快速开放交通。

3 结语

（1）早强型环氧沥青基础配比为：相容剂用量为环氧树脂质量的16%，基础固化剂与协同固化剂配比为9∶1，环氧树脂与固化剂配比为1∶0.8，基质沥青用量为环氧树脂质量的60%;

（2）在拌和温度为10～40 ℃条件下，环氧沥青黏度增长至3 Pa·s所用的时间均超过120 min，施工容留时间充足，达到实际施工需求;

（3）沥青混合料养护时间较短，12 h后即可达到41 N，完全固化时间为20 h。

【参考文献】

［1］彭博，凌天清，葛豪.纳米粒子改性橡胶沥青抗老化性能研究［J］.材料导报，2022，36（20）：269-76.

［2］葛启鑫，徐文远，武鹤.氧化石墨烯-SBS复合改性沥青的高低温性能［J］.林业工程学报，2022，7（4）：158-165.

［3］万宁，贺求生，张帅，等.聚氨酯/环氧树脂改性沥青混合料路用性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（9）：9-5.

［4］王永宁.早强型环氧沥青混凝土的制备和性能研究［D］.南京：东南大学，2020.

［5］杜凤.沥青改性剂在混凝土路面加固施工中的应用［J］.粘接，2021，47（8）：187-92.

［6］周璐，黄卫东，吕泉，等.不同改性剂对沥青黏结及抗水损害性能的影响［J］.建筑材料学报，2021，24（2）：377-84.

［7］张争奇，张英楠，黄硕磊.SBS-PU复合改性沥青及其混合料路用性能研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2020，39（5）：76-84.