新型早強(qiáng)改性瀝青路面材料的研制與性能測試

張凡 曹濟(jì) 王光明 丁德亮 李如意

摘 要：針對傳統(tǒng)瀝青路面材料養(yǎng)護(hù)周期長的問題，提出一種早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青路面材料的制備。試驗(yàn)對早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青配比進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化后瀝青混合料路用性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)相容劑用量與基質(zhì)瀝青用量分別為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的16%和60%，環(huán)氧樹脂與固化劑配比為1∶0.8，基礎(chǔ)固化劑與協(xié)同固化劑配比為9∶1。以此條件制備的瀝青養(yǎng)護(hù)12 h后即可達(dá)到41 N，完全固化時(shí)間為20 h；各項(xiàng)性能均滿足JTG/T 3364-02—2019規(guī)范要求，在實(shí)際工程應(yīng)用中可快速開放交通。

關(guān)鍵詞：路用性能； 早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青；養(yǎng)護(hù)周期；馬歇爾試驗(yàn)

中圖分類號：TQ323.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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

瀝青作為常見的路面鋪裝材料，受其特性的影響，其作為鋪裝材料使用時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長，這就大幅度延長了交通開放的時(shí)間。為了進(jìn)一步優(yōu)化瀝青材料的性能，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如從瀝青的老化性能出發(fā)，通過納米粒子對瀝青的耐老化性能進(jìn)行優(yōu)化［1］。使用氧化石墨烯協(xié)同SBS對瀝青的高低溫流變性進(jìn)行提升［2］。以聚氨酯和環(huán)氧樹脂對瀝青的高溫抗車轍性進(jìn)行優(yōu)化［3］?；诖?，實(shí)驗(yàn)在文獻(xiàn)［4］的研究基礎(chǔ)上，制備了一種早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青路面材料，為瀝青路面鋪裝材料的發(fā)展提供一些參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：基質(zhì)瀝青（A級），路特達(dá)道路工程；基礎(chǔ)固化劑（M），AR，慈鵬礦產(chǎn)品；石灰?guī)r礦粉（I級），旭邦礦產(chǎn)品；協(xié)同固化劑（N），AR，億鑫達(dá)新型材料；酚類相容劑，AR，優(yōu)塑德新材料；環(huán)氧樹脂，AR，星辰材料；玄武巖碎石（I級），登峰建材。

主要設(shè)備：NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（鴻浩杰科）；YL-S70型直接拉伸試驗(yàn)機(jī)（昊銳試驗(yàn)儀器）；LHCZ-6型車轍試驗(yàn)儀（華錫試驗(yàn)）。

1.2 試樣制備

1.2.1 改性瀝青的制備

（1）將100 ℃基質(zhì)瀝青與相容劑混合均勻，攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間分別為500 r/min和90 min;

（2）將混合后的瀝青冷卻至60 ℃，然后加入雙酚A型環(huán)氧樹脂，保持500 r/min的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌45 min，靜置得到瀝青A組分;

（3）在常溫狀態(tài)下將基礎(chǔ)固化劑ZJ-1與協(xié)同固化劑XJ-2混合，在500 r/min的轉(zhuǎn)速條件下充分?jǐn)嚢?0 min，靜置得到瀝青B組分;

（4）保持常溫環(huán)境，將B組分與A組分混合并充分?jǐn)嚢?，攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間分別為300 r/min和8 min，得到早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青結(jié)合料。

1.2.2 瀝青拌和料的制備

參照J(rèn)TG F40—2004 要求對瀝青拌合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)置環(huán)氧瀝青油石比為8.3%［4-5］。按照配比將瀝青與玄武巖碎石和石灰?guī)r礦粉混合攪拌均勻，得到早強(qiáng)型瀝青拌合料。

1.3 性能測試

相容性測試：通過離析試驗(yàn)對早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青相容性進(jìn)行測試［6］。

拉伸性能：

通過直接拉伸試驗(yàn)對早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青的拉伸性能進(jìn)行測試［7］。

黏度測試：通過旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試瀝青的黏度。

強(qiáng)度測試：通過馬歇爾試驗(yàn)對瀝青的強(qiáng)度進(jìn)行測試［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)配比優(yōu)化

根據(jù)瀝青使用要求，確定配比優(yōu)選原則為，離析前后的環(huán)氧瀝青上下層的軟化點(diǎn)差值控制在1 ℃內(nèi)［9-15］；養(yǎng)護(hù)完全后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別應(yīng)超過 2 MPa和 50%，強(qiáng)度達(dá)到 40 kN 的養(yǎng)護(hù)時(shí)間小于 12 h［16］。在實(shí)際工程中，存在運(yùn)輸和施工延誤現(xiàn)象，因此要求用于鋪裝的瀝青黏度達(dá)到 3 Pa·s的時(shí)間應(yīng)超過 120 min，常溫條件下120 min后瀝青黏度值小于 3 Pa·s［17］。

2.1.1 相容劑用量優(yōu)化

固定環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青的比例為5∶5，相容劑用量占環(huán)氧樹脂總質(zhì)量的10%～50%。通過離析試驗(yàn)對相容劑增容效果進(jìn)行表征，進(jìn)而確定相容劑的最佳摻量，結(jié)果見表1。

由表1可知，在未摻加相容劑的情況下，瀝青上層軟化點(diǎn)和下層軟化點(diǎn)差值約為18.1 ℃，這說明沒有外力因素的影響，環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青相容性較差。隨體系內(nèi)相容劑用量的增加，瀝青上層軟化點(diǎn)與下層軟化點(diǎn)差值表現(xiàn)出先減小，后緩慢增加的變化趨勢，當(dāng)相容劑用量為16%時(shí)，軟化點(diǎn)差值最小為0.4 ℃。因此在后續(xù)試驗(yàn)中，選擇相容劑用量為20%。

2.1.2 協(xié)同固化體系優(yōu)化

基礎(chǔ)固化劑與協(xié)同固化劑共同組成的協(xié)同固化體系對瀝青的施工性能影響較大，因此以施工性能為指標(biāo)，對協(xié)同固化體系進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。由表2可知，隨協(xié)同固化劑N用量的減少，瀝青的斷裂延伸率逐漸的減少，黏度增至3 Pa·s的時(shí)間逐漸增加，且在M∶N為9∶1時(shí)達(dá)到130 min。綜合考慮施工容留時(shí)間和常溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，選擇適合的基礎(chǔ)固化劑與協(xié)同固化劑配比為9∶1。

2.1.3 瀝青主要成分配比優(yōu)化

參考部分研究者的經(jīng)驗(yàn)成果，認(rèn)為不同配比的瀝青，拉伸性能的差異相對較大。固定基質(zhì)瀝青摻量，隨固化劑用量的增加，瀝青的拉伸性能有一定增加，但過多固化劑用量會對拉伸性能產(chǎn)生不良影響，但斷裂伸長率有一定增加。因此，適合的環(huán)氧樹脂與固化劑配比為1∶0.8。

同時(shí)，通過溫度25 ℃條件下黏度增長試驗(yàn)對基質(zhì)瀝青用量進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，在固化初期，環(huán)氧瀝青黏度幾乎不發(fā)生變化，但隨反應(yīng)時(shí)間的增加，瀝青的黏度有一定的增加。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)氧基不斷開環(huán)生成微凝膠體，這就增加了瀝青的黏度，當(dāng)微凝膠體數(shù)量累積至一定程度時(shí)，形成一定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黏度快速上升。受容留時(shí)間原則影響，要求120 min 后的黏度要小于 3 Pa·s，滿足要求的組別為基質(zhì)瀝青用量60%和70%。

而通過馬歇爾試驗(yàn)對環(huán)氧瀝青的穩(wěn)定度進(jìn)行表征，結(jié)果在基質(zhì)瀝青用量為60%時(shí)，強(qiáng)度較高，24 h后即可達(dá)到54.64 kN，滿足JTG/T 3364—02—2019中強(qiáng)度大于40 kN的要求。綜上，基質(zhì)瀝青最佳用量為60%。

2.2 時(shí)溫特性分析

由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的環(huán)氧瀝青主要用于路面的鋪裝，因此需要考慮不同溫度條件下，瀝青黏度變化情況。根據(jù)使用需求，將拌和溫度分別設(shè)置為10、20、30和40 ℃，觀察瀝青黏度的變化，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，4種拌和溫度下的環(huán)氧瀝青增長曲線變化趨勢基本一致，在固化初期，瀝青黏度水平均相對較低，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，瀝青黏度開始有一定增加。在養(yǎng)護(hù)后期，拌和溫度越高，黏度開始增長的時(shí)間節(jié)點(diǎn)越靠前，黏度增長速度越快。但在拌和溫度為10～40 ℃條件下，環(huán)氧瀝青黏度增至3 Pa·s所用的時(shí)間均超過120 min，施工容留時(shí)間足，滿足實(shí)際施工需求。

2.3 瀝青拌和料路用性能分析

2.3.1 強(qiáng)度分析

以國產(chǎn)冷拌環(huán)氧瀝青為對比，通過馬歇爾試驗(yàn)對拌合料強(qiáng)度特性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，混合料穩(wěn)定度隨時(shí)間的增加而增加。在養(yǎng)生初期，瀝青混合料體系中形成的微凝膠體數(shù)量有限，因此馬歇爾穩(wěn)定度緩慢增加。在養(yǎng)生后期，隨固化反應(yīng)的進(jìn)行，馬歇爾穩(wěn)定度快速的增長至最終強(qiáng)度。早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青混合料雖然最終強(qiáng)度略低于環(huán)氧瀝青，但仍達(dá)到了JTG/T 3364—02—2019要求。同時(shí)，常溫環(huán)境下，早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青混合料養(yǎng)生12 h后即可達(dá)到41 N；而普通環(huán)氧瀝青混合料則需要養(yǎng)生48 h才可達(dá)到差不多強(qiáng)度。早強(qiáng)型瀝青完全固化時(shí)間為20 h；而普通瀝青完全固化時(shí)間為72 h。這說明實(shí)驗(yàn)制備的瀝青養(yǎng)生時(shí)間較短，可實(shí)現(xiàn)快速開放交通。

3 結(jié)語

（1）早強(qiáng)型環(huán)氧瀝青基礎(chǔ)配比為：相容劑用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的16%，基礎(chǔ)固化劑與協(xié)同固化劑配比為9∶1，環(huán)氧樹脂與固化劑配比為1∶0.8，基質(zhì)瀝青用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的60%;

（2）在拌和溫度為10～40 ℃條件下，環(huán)氧瀝青黏度增長至3 Pa·s所用的時(shí)間均超過120 min，施工容留時(shí)間充足，達(dá)到實(shí)際施工需求;

（3）瀝青混合料養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，12 h后即可達(dá)到41 N，完全固化時(shí)間為20 h。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2024-02-06

作者簡介：張 凡（1990-） ，男，工程師，研究方向：市政工程;E-mail：chinese-zhangfan@qq.com。

引文格式：張 凡，曹 濟(jì)，王光明，等.新型早強(qiáng)改性瀝青路面材料的研制與性能測試［J］.粘接，2024，51（3）：100-102.