高韌性環(huán)氧瀝青及混合料性能影響因素分析

（重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336）

國(guó)內(nèi)外大跨徑橋梁普遍采用鋼橋面，我國(guó)重載交通、氣候條件極為苛刻，給鋼橋面鋪裝帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。環(huán)氧瀝青混凝土具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和粘結(jié)性能，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多座大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝，如南京長(zhǎng)江二橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、鄂東長(zhǎng)江大橋、廣東虎門大橋（翻修）等[1-6]。然而，通過(guò)國(guó)內(nèi)環(huán)氧瀝青的研究以及一些實(shí)際工程應(yīng)用的分析，發(fā)現(xiàn)普通環(huán)氧瀝青固化后脆性高，延展性能較差，難以滿足鋼橋面鋪裝層對(duì)混凝土低溫抗裂性的要求。另一方面，環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青極性有所差異，兩者混合時(shí)相容性較差，影響其性能的發(fā)揮[7]。

對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂增韌改性能從根本上改善環(huán)氧瀝青脆性大、韌性差和耐久性差的缺點(diǎn)[8-12]；同時(shí)，添加相容劑能有效改善環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的相容性，進(jìn)而提高環(huán)氧瀝青的路用性能[7、13]。將增韌改性后的環(huán)氧瀝青應(yīng)用于橋面鋪裝工程，能為橋梁提供行駛性能良好而耐久的橋面鋪裝層。本試驗(yàn)以自主研發(fā)的高韌性環(huán)氧瀝青為對(duì)象，研究了樹(shù)脂用量、相容劑種類和用量、高溫固化體系等因素對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青及混合料性能的影響，以期為我國(guó)鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青類材料的研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

瀝青：韓國(guó)SK70#道路瀝青，其基本性能指標(biāo)如表1所示。樹(shù)脂：自制高韌性環(huán)氧樹(shù)脂，淺黃色液體，環(huán)氧值為（0.39±0.02）mol/100 g，40 ℃黏度為0.23 Pa·s；相容劑：Compatilizer1#（具有芳香氣味）、Compatilizer2#（黑褐色粘稠狀液體）和Compatilizer3#（自制非離子型）；固化劑：由高溫固化劑和中溫固化劑復(fù)配而成；集料：優(yōu)質(zhì)耐磨的玄武巖；礦粉填料：石灰?guī)r礦粉。

表1 SK70#道路瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 制備與養(yǎng)護(hù)方法

將高韌性環(huán)氧樹(shù)脂與SK70#基質(zhì)瀝青分別在60 ℃和135 ℃下加熱，通過(guò)機(jī)械攪拌的方式將其混合，攪拌均勻后，加入相容性和復(fù)配高溫固化劑，制得高韌性環(huán)氧瀝青。高韌性環(huán)氧瀝青混合料的集料級(jí)配如表2所示，馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為6.6%，拌和溫度為170 ℃。

高韌性環(huán)氧瀝青及混合料成型后，放置于60 ℃或常溫（25 ℃）環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，待試件完全固化后測(cè)試高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的相關(guān)性能。

表2 高韌性環(huán)氧瀝青混合料集料級(jí)配

1.3 性能測(cè)試方法

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率；采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試環(huán)氧瀝青在170 ℃下黏度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，旋轉(zhuǎn)黏度增長(zhǎng)至1 000 mPa·s 的時(shí)間記為施工容留時(shí)間；高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、動(dòng)穩(wěn)定度及抗彎應(yīng)變等按規(guī)范要求進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹(shù)脂用量影響分析

考察樹(shù)脂用量對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1及圖2所示。

表3 樹(shù)脂用量對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青性能影響

從表3可以看出，隨著樹(shù)脂用量的增加，高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，但施工容留時(shí)間隨之縮短。當(dāng)樹(shù)脂用量為40%時(shí)（即樹(shù)脂與瀝青的質(zhì)量比為6 ∶4），高韌性環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的拉伸性能，且施工容留時(shí)間較長(zhǎng)。圖1和圖2表明，樹(shù)脂用量對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的性能影響顯著；當(dāng)樹(shù)脂用量小于20%時(shí)，其性能提升較慢；當(dāng)用量大于20%后，混合料的馬歇爾性能、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性迅速增強(qiáng)。針對(duì)鋼橋面鋪裝的技術(shù)要求，環(huán)氧瀝青材料的馬歇爾穩(wěn)定度需大于40 kN。樹(shù)脂用量為40%和50%的高韌性環(huán)氧瀝青及混合料路用性能良好，施工容留時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)考慮成本等因素，確定高韌性環(huán)氧樹(shù)脂最佳用量為40%。

圖1 樹(shù)脂用量對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響

圖2 樹(shù)脂用量對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料高低溫性能影響

2.2 相容劑影響分析

在鋼橋面鋪裝環(huán)氧瀝青的研究中，相容性一直是一個(gè)難以解決的難題，添加相容劑可以有效改善其相容性[13]。

2.2.1 相容劑種類及用量確定

考察相容劑種類及用量對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青體系相容性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 高韌性環(huán)氧瀝青相容性試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，未加相容劑時(shí)，高韌性環(huán)氧樹(shù)脂和基質(zhì)瀝青的相容性較差，體系的上下層軟化點(diǎn)差達(dá)到19.1 ℃，而添加相容劑后，體系的相容性均有不同程度的提升，其中Compatilizer3#的改善效果最為明顯。一定范圍內(nèi)，隨著相容劑用量的增加，體系的上下層軟化點(diǎn)差越小，當(dāng)Compatilizer3#用量為高韌性環(huán)氧瀝青的10%時(shí)，體系的上下層軟化點(diǎn)差僅為0.3 ℃，此時(shí)高韌性環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青基本完全相溶。因此，選擇自制非離子型相容劑Compatilizer3#，其較佳用量為10%。

2.2.2 存儲(chǔ)溫度對(duì)體系相容性的影響

考察存儲(chǔ)溫度對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青相容性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 存儲(chǔ)溫度對(duì)體系相容性的影響

從圖3可以看出，存儲(chǔ)溫度對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青體系的相容性有一定影響。隨著存儲(chǔ)溫度的升高，體系的上下層軟化點(diǎn)差增大，即高韌性環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的相容性變差，表明高溫對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青體系的相容性有不利影響。

2.2.3 相容劑對(duì)其他性能的影響

考察相容劑對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青及混合料其他性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，自制非離子型相容劑能明顯提高高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的綜合性能。

2.3 高溫固化體系影響分析

2.3.1 復(fù)配固化體系性能考察

考察高溫固化劑與中溫固化劑復(fù)配比對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～7 所示。

表5 相容劑對(duì)體系其他性能的影響試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同復(fù)配比例對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青拉伸性能影響

圖5 不同復(fù)配比例對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青施工容留時(shí)間影響

圖6 不同復(fù)配比例對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響

圖7 不同復(fù)配比例對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料高低溫性能影響

可以看出，中溫固化劑的加入對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度影響不大，但會(huì)明顯加快固化體系的固化反應(yīng)速率，且隨著其用量的增加，反應(yīng)速率加快。當(dāng)高溫固化劑與中溫固化劑的復(fù)配比例為9 ∶1 時(shí)（對(duì)應(yīng)圖中高溫固化劑用量90%），其施工容留時(shí)間為150 min，與未添加中溫固化劑的高溫固化體系相比，縮短30 min。從圖6和圖7可以進(jìn)一步看出，不同復(fù)配比對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和高低溫性能影響較小。

2.3.2 復(fù)配固化體系養(yǎng)護(hù)時(shí)間考察

將不同復(fù)配比例固化體系的高韌性環(huán)氧瀝青及混合料置于常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，考察其強(qiáng)度形成時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 高韌性環(huán)氧瀝青及混合料常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，中溫固化劑的加入明顯加快了高韌性環(huán)氧瀝青的常溫養(yǎng)護(hù)速率，且其用量越高，常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，高韌性環(huán)氧瀝青及混合料形成強(qiáng)度越快。環(huán)氧瀝青類材料在施工過(guò)程中，不僅要求在較高的溫度下，具有較長(zhǎng)的施工容留時(shí)間，并且要求在施工完成后，具有較短的常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間。其中，未加中溫固化劑體系的常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間是高溫固化體系的兩倍以上，不利于及時(shí)開(kāi)放交通。雖然中溫固化劑含量更高的復(fù)配固化體系能進(jìn)一步縮短了常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，但施工容留時(shí)間過(guò)短，不利于施工。因此，綜合確定高溫固化劑與中溫固化劑用量比9 ∶1 為高韌性環(huán)氧瀝青復(fù)配高溫固化體系的最佳配比。

2.4 高韌性環(huán)氧瀝青配方組成設(shè)計(jì)

高韌性環(huán)氧瀝青參考日本高溫固化型環(huán)氧瀝青的配方組成，按三組分設(shè)計(jì)，其中組分A 為高韌性環(huán)氧樹(shù)脂，組份B 為復(fù)配高溫固化劑體系及自制非離子型相容劑等外加劑，組分C 為SK70#基質(zhì)瀝青。分別采用不同顏色的密封桶裝常溫儲(chǔ)存，并分類堆放。

2.5 高韌性環(huán)氧瀝青及混合料性能對(duì)比

對(duì)比高韌性環(huán)氧瀝青及混合料與同類型環(huán)氧瀝青材料的性能，結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，高韌性環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的拉伸性能，其施工容留時(shí)間短于日本環(huán)氧瀝青，但長(zhǎng)于美國(guó)環(huán)氧瀝青，其混合料亦具有更優(yōu)的低溫性能和抗疲勞性能。綜合來(lái)看，高韌性環(huán)氧瀝青及混合料性能優(yōu)異，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

采用自制高韌性環(huán)氧樹(shù)脂、基質(zhì)瀝青、自制非離子型相容劑及復(fù)配固化劑等原材料制備高韌性環(huán)氧瀝青及混合料。研究了多種因素對(duì)其性能的影響，主要取得如下結(jié)論。

（1）隨著樹(shù)脂用量的增加，高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能隨之增強(qiáng)，但其施工容留時(shí)間縮短；綜合考慮高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的性能、施工容留時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本等因素，確定其最佳用量為40%。

（2）高韌性環(huán)氧樹(shù)脂與基質(zhì)瀝青的相容性較差，添加相容劑可有效改善兩者的相容性，并提高高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的綜合性能。其中，自制非離子型相容劑改善效果最佳，其最佳用量為10%；高溫對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青體系的相容性有不利影響。

（3）采用高溫固化劑與中溫固化劑復(fù)配體系，當(dāng)其復(fù)配比為9 ∶1 時(shí)，高韌性環(huán)氧瀝青的拉伸性能良好，施工容留時(shí)間較長(zhǎng)，且常溫養(yǎng)護(hù)9 d 即可基本形成最終強(qiáng)度；不同復(fù)配比對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度及高低溫性能影響較小，綜合確定其最佳復(fù)配比為9 ∶1。

（4）高韌性環(huán)氧瀝青具有和美國(guó)環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青同樣優(yōu)異的綜合性能，低溫性能和抗疲勞性能尤為優(yōu)異，其應(yīng)用前景廣闊。

表7 環(huán)氧瀝青及混合料性能對(duì)比結(jié)果