冷拌環(huán)氧瀝青的制備與性能研究

何森

（重慶交通大學(xué),重慶400074）

1 概述

環(huán)氧瀝青是將環(huán)氧樹脂與固化劑加入瀝青中，環(huán)氧樹脂與固化劑之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成不可逆的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固化物，使得瀝青從熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦訹1]。固化后的混合物具有不溶、不熔的性能，具有良好的高溫性能和較高的強度[2]。目前市面上有美國ChemCo Systems 公司中溫（120℃）拌合型環(huán)氧瀝青，日本大有建設(shè)株式會社生產(chǎn)的TAF 高溫（180℃）拌合型環(huán)氧瀝青以及國產(chǎn)環(huán)氧瀝青，但均需要建立大型拌合站，且耗能較高。對于部分規(guī)模較小維護(hù)工程或不適宜建立大型拌合站的鋪裝工程，現(xiàn)有的環(huán)氧瀝青并不適應(yīng)。本文通過一系列實驗驗證，研制出了一種能常溫能快速固化的冷拌環(huán)氧瀝青材料，以解決環(huán)氧瀝青的部分應(yīng)用問題。

2 實驗部分

2.1 原材料

冷拌環(huán)氧瀝青，由基質(zhì)瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑、瀝青稀釋劑、增容劑等按照一定比例制成。基質(zhì)瀝青選擇取瀝青質(zhì)和樹脂質(zhì)較多的70#石油瀝青，并對其用EBS 分散劑改性；通用型環(huán)氧樹脂中的E51；固化劑選取能常溫固化的某聚酰胺固化劑；瀝青稀釋劑從增塑性、揮發(fā)性、經(jīng)濟(jì)性考慮，選取鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)；選取含有環(huán)氧基團(tuán)和長碳鏈的某增容劑。借鑒美國環(huán)氧瀝青，分為兩組分，固化劑和瀝青等為A組分，環(huán)氧樹脂等為B組分。

2.2 環(huán)氧瀝青的制備

在油浴鍋100℃下，將改性后的瀝青和瀝青稀釋劑按照2:1 的比例進(jìn)行稀釋，攪拌5min，再將某聚酰胺固化劑與改性后的瀝青按照1:1 混合攪拌，攪拌5min，形成A 組分;在常溫下，將環(huán)氧樹脂稀釋劑與通用型環(huán)氧樹脂中的E51 按照1:10 的比例攪拌均勻，形成B 組分；常溫下，將A 組分、B 組分按照1:2 的比例混合均勻，即可得到常溫下能快速的環(huán)氧瀝青。

2.3 性能試驗

2.3.1 相容性

用玻璃棒將常溫制備好的環(huán)氧瀝青滴在鐵板上，并適當(dāng)加溫至60℃,觀察環(huán)氧瀝青表觀形貌，對相容性進(jìn)行定性的判斷；并將制備的環(huán)氧瀝青倒入玻璃試管中，放置4d，取玻璃試管上端和下端的環(huán)氧瀝青，對其軟化點差值進(jìn)行定量分析。在微觀方面，利用熒光顯微鏡藍(lán)光的原理，將環(huán)氧瀝青滴在載玻片上，蓋上蓋破片，養(yǎng)生4d，分析環(huán)氧瀝青體系的微觀形貌，確定環(huán)氧瀝青體系的相態(tài)結(jié)構(gòu)，并對環(huán)氧瀝青的相容性進(jìn)行評價。

2.3.2 容留時間

將混合均勻的0.9g環(huán)氧瀝青放入粘度桶，進(jìn)行布氏粘度試驗，選用27 號轉(zhuǎn)子，保溫在25℃下，轉(zhuǎn)速選擇100 RPM，研究環(huán)氧瀝青粘度隨時間增長的規(guī)律，確定冷拌環(huán)氧瀝青的容留時間。

2.3.3 力學(xué)性能

將環(huán)氧瀝青倒入刷有四氟乙烯的槽型試模，冷卻4d 成型脫模，根據(jù)《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》（GB-T 30598-2014）的要求，將制備好的試件沖壓成啞鈴狀Ⅰ型，用萬能試驗機進(jìn)行靜力拉伸試驗，評價環(huán)氧瀝青的拉伸強度和韌性；將環(huán)氧瀝青以0.2mm的厚度涂抹在拉拔頭上，放置在石板上，養(yǎng)護(hù)4d，進(jìn)行拉拔試驗，評價環(huán)氧瀝青的粘度強度和粘聚強度。

3 結(jié)果與討論

3.1 相容性

環(huán)氧樹脂E51 與70#石油瀝青極性差異較大，在熱力學(xué)上屬于不相容體系，將兩者混合后，易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且較大的瀝青相會對E51 的固化產(chǎn)生阻礙作用，破壞環(huán)氧瀝青的整體均勻性，造成環(huán)氧瀝青膠結(jié)料的性能大幅度降低。本文通過EBS 分散劑改性70#石油瀝青，在不變脆的前提下,使其粘度降低，并選用一端具有環(huán)氧基團(tuán)，一端具有非極性長碳鏈的增容物改善環(huán)氧瀝青的相容性。增容物中的環(huán)氧基團(tuán)可以較好的與環(huán)氧樹脂相容，此外，非極性長碳鏈可以有效的與弱極性的70#石油瀝青相容。本文采用鐵板相容試驗和軟化點差值試驗對制備的冷拌環(huán)氧瀝青相容性進(jìn)行定性分析和定量分析。用玻璃棒將冷拌環(huán)氧瀝青滴在常溫的鐵板上，對鐵板進(jìn)行加熱，但不宜超過60℃，冷拌環(huán)氧瀝青液滴能較好的保持原有的形貌，且其周圍無明顯的稀釋液體流出，說明制備的冷拌環(huán)氧瀝青相容較好。將環(huán)氧瀝青放置試管中常溫養(yǎng)護(hù)4d，打破試管，取靜置后的上端和下端的環(huán)氧瀝青，成型軟化點試件，進(jìn)行25℃軟化點試驗，其上端的軟化點與下端的軟化點差值為3℃，環(huán)氧瀝青發(fā)生輕微分層，試管下端樹脂含量較高硬度提升，試管上端瀝青含量較高硬度下降。在微觀方面，將環(huán)氧瀝青制成載破片，用熒光顯微鏡觀察，在488nm 的藍(lán)光激發(fā)下，環(huán)氧樹脂表現(xiàn)為黃色，而瀝青表現(xiàn)為黑色[3]。試驗結(jié)果表明，在環(huán)氧瀝青的固化作用下，環(huán)氧樹脂固化物形成了黃色的連續(xù)相，黑色顆粒的瀝青均勻分散在環(huán)氧固化之中。放大熒光顯微鏡的倍數(shù)，在100x下，黑色顆粒的瀝青呈球狀，其大小略微一致，這表明改性后的瀝青能較為均勻的分散在環(huán)氧樹脂固化物中，具有良好的相容性能。

3.2 容留時間

環(huán)氧瀝青有類似水泥“凝結(jié)時間”的性能，從冷拌環(huán)氧瀝青A組分和B組分混合后，其粘度會隨著時間的增長而增大。如果冷拌環(huán)氧瀝青的粘度過大，拌和的混合料不易壓實，易造成死料；若冷拌環(huán)氧瀝青的粘度過小，拌和后的混合料易離析，造成混合料的性能下降。結(jié)合環(huán)氧瀝青現(xiàn)有的工程實踐以及現(xiàn)有的環(huán)氧瀝青標(biāo)準(zhǔn)，以環(huán)氧瀝青粘度達(dá)到3000mPa·s 時的時間為容留時間，一般大于40min。但考慮到能快速固化，不顯著影響道路交通，容留時間不宜過大。研制的冷拌瀝青在52min 左右粘度達(dá)到3000mPa·s，且其初始粘度為2000 mPa·s，前20min 內(nèi)粘度增長速率較慢，可以使集料的表面裹附一定的環(huán)氧瀝青膜厚，20min 后，粘度增長稍有加快，在70min 后，冷拌環(huán)氧瀝青的粘度增長速率明顯增快，利于環(huán)氧瀝青的快速固化，縮短開放交通時間。

3.3 力學(xué)性能

將冷拌環(huán)氧瀝青A組分、B 組分充分混合，澆筑在涂有四氟乙烯的槽型試模，成型環(huán)氧瀝青板，常溫養(yǎng)護(hù)4d 后，利用沖壓機選擇Ⅰ型裁刀對環(huán)氧瀝青板進(jìn)行沖壓，成型后的啞鈴狀試件標(biāo)距為25mm、厚度為2mm。利用萬能試驗機對冷拌環(huán)氧瀝青啞鈴狀試件進(jìn)行拉伸，拉伸速率采用500mm/min。在拉伸過程中，應(yīng)保持夾具水平對齊，防止產(chǎn)生扭矩對試驗造成誤差。三組平行試驗表明，研制的冷拌環(huán)氧瀝青拉伸強度為3MPa,其斷裂伸長率為130%，滿足文獻(xiàn)[4]提出的拉伸強度大于1.5MPa，斷裂伸長率大于100%，研制的冷拌環(huán)氧瀝青具有良好的拉伸強度和韌性，能適應(yīng)對彎曲性能要求嚴(yán)格的鋪裝路面。將制備的冷拌環(huán)氧瀝青均勻涂抹在拉拔頭上，拉拔頭槽深2mm，使冷拌環(huán)氧瀝青的厚度為2mm，將拉拔頭放置在用超聲波洗凈的石板上，并保持拉拔頭與石板垂直，常溫養(yǎng)護(hù)4d，進(jìn)行拉拔試驗，讀取拉拔時的最大力。若石板表面某個拉拔頭遺留瀝青的面積不小于50%，試驗結(jié)果為粘聚強度，相反，若某拉拔頭表面遺留的面積不小于50%，試驗結(jié)果為粘聚強度。多組平行試驗表明，大多數(shù)發(fā)生粘結(jié)破壞，其強度為2.0MPa,只有極少數(shù)的發(fā)生粘聚破壞，其強度為0.6MPa。冷拌環(huán)氧瀝青A 組分和B 組分混合后，環(huán)氧基團(tuán)在固化劑的作用下開環(huán)加成，形成微凝膠體，隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，微凝膠體形成大凝膠體，直至形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷拌環(huán)氧瀝青的粘度在這過程中，不斷增大，其粘附能力不斷增強。

4 結(jié)論

4.1 通過基質(zhì)瀝青改性和增容劑等手段改善環(huán)氧瀝青的相容性，試驗結(jié)果表明制備的新型冷拌環(huán)氧瀝青具有良好的相容性。鐵板試驗中環(huán)氧瀝青無分層，無離析；在軟化點差值試驗中，上下端的軟化點差值為3℃；微觀上，形成了以環(huán)氧樹脂固化物為連續(xù)相、球狀瀝青均勻分散的空間網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

4.2 布氏粘度試驗表明，當(dāng)冷拌環(huán)氧瀝青A 組分、B 組分混合時間不應(yīng)大于容留時間52min，否則其粘度將超過3000mPa·s，且冷拌環(huán)氧瀝青的初始粘度較低，增長較慢，后期隨著固化反應(yīng)的繼續(xù)，其粘度增長加快。

4.3 冷拌環(huán)氧瀝青膠結(jié)料具有良好的力學(xué)性能，拉伸強度為3MPa,其斷裂伸長率為130%，粘結(jié)強度為2MPa，體現(xiàn)了較高的強度、韌性以及粘結(jié)能力。