高韌性環氧瀝青及混合料性能影響因素分析

（重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336）

國內外大跨徑橋梁普遍采用鋼橋面，我國重載交通、氣候條件極為苛刻，給鋼橋面鋪裝帶來了極大的技術挑戰。環氧瀝青混凝土具有優異的高溫穩定性和粘結性能，被廣泛應用于國內多座大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝，如南京長江二橋、潤揚長江大橋、蘇通長江大橋、武漢天興洲長江大橋、鄂東長江大橋、廣東虎門大橋（翻修）等[1-6]。然而，通過國內環氧瀝青的研究以及一些實際工程應用的分析，發現普通環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混凝土低溫抗裂性的要求。另一方面，環氧樹脂和瀝青極性有所差異，兩者混合時相容性較差，影響其性能的發揮[7]。

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

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

瀝青：韓國SK70#道路瀝青，其基本性能指標如表1所示。樹脂：自制高韌性環氧樹脂，淺黃色液體，環氧值為（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配而成；集料：優質耐磨的玄武巖；礦粉填料：石灰巖礦粉。

表1 SK70#道路瀝青的技術指標

1.2 制備與養護方法

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

高韌性環氧瀝青及混合料成型后，放置于60 ℃或常溫（25 ℃）環境下養護，待試件完全固化后測試高韌性環氧瀝青及混合料的相關性能。

表2 高韌性環氧瀝青混合料集料級配

1.3 性能測試方法

利用萬能試驗機測試高韌性環氧瀝青的拉伸強度和斷裂伸長率；采用旋轉黏度計測試環氧瀝青在170 ℃下黏度的增長趨勢，旋轉黏度增長至1 000 mPa·s 的時間記為施工容留時間；高韌性環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度、劈裂強度、動穩定度及抗彎應變等按規范要求進行。

2 結果與討論

2.1 樹脂用量影響分析

考察樹脂用量對高韌性環氧瀝青及混合料的性能影響，試驗結果如表3、圖1及圖2所示。

表3 樹脂用量對高韌性環氧瀝青性能影響

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

圖1 樹脂用量對高韌性環氧瀝青混合料馬歇爾穩定度影響

圖2 樹脂用量對高韌性環氧瀝青混合料高低溫性能影響

2.2 相容劑影響分析

在鋼橋面鋪裝環氧瀝青的研究中，相容性一直是一個難以解決的難題，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高韌性環氧瀝青體系相容性的影響，試驗結果如表4所示。

表4 高韌性環氧瀝青相容性試驗結果

從表4可以看出，未加相容劑時，高韌性環氧樹脂和基質瀝青的相容性較差，體系的上下層軟化點差達到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，隨著相容劑用量的增加，體系的上下層軟化點差越小，當Compatilizer3#用量為高韌性環氧瀝青的10%時，體系的上下層軟化點差僅為0.3 ℃，此時高韌性環氧樹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 存儲溫度對體系相容性的影響

考察存儲溫度對高韌性環氧瀝青相容性的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 存儲溫度對體系相容性的影響

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

2.2.3 相容劑對其他性能的影響

考察相容劑對高韌性環氧瀝青及混合料其他性能的影響，試驗結果如表5所示。可以看出，自制非離子型相容劑能明顯提高高韌性環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 復配固化體系性能考察

考察高溫固化劑與中溫固化劑復配比對高韌性環氧瀝青及混合料的性能影響，試驗結果如圖4～7 所示。

表5 相容劑對體系其他性能的影響試驗結果

圖4 不同復配比例對高韌性環氧瀝青拉伸性能影響

圖5 不同復配比例對高韌性環氧瀝青施工容留時間影響

圖6 不同復配比例對高韌性環氧瀝青混合料馬歇爾穩定度影響

圖7 不同復配比例對高韌性環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高韌性環氧瀝青的拉伸強度影響不大，但會明顯加快固化體系的固化反應速率，且隨著其用量的增加，反應速率加快。當高溫固化劑與中溫固化劑的復配比例為9 ∶1 時（對應圖中高溫固化劑用量90%），其施工容留時間為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可以進一步看出，不同復配比對高韌性環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度和高低溫性能影響較小。

2.3.2 復配固化體系養護時間考察

將不同復配比例固化體系的高韌性環氧瀝青及混合料置于常溫環境下養護，考察其強度形成時間，試驗結果如表6所示。

表6 高韌性環氧瀝青及混合料常溫養護時間試驗結果

從表6可以看出，中溫固化劑的加入明顯加快了高韌性環氧瀝青的常溫養護速率，且其用量越高，常溫養護時間越短，高韌性環氧瀝青及混合料形成強度越快。環氧瀝青類材料在施工過程中，不僅要求在較高的溫度下，具有較長的施工容留時間，并且要求在施工完成后，具有較短的常溫養護時間。其中，未加中溫固化劑體系的常溫養護時間是高溫固化體系的兩倍以上，不利于及時開放交通。雖然中溫固化劑含量更高的復配固化體系能進一步縮短了常溫養護時間，但施工容留時間過短，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 為高韌性環氧瀝青復配高溫固化體系的最佳配比。

2.4 高韌性環氧瀝青配方組成設計

高韌性環氧瀝青參考日本高溫固化型環氧瀝青的配方組成，按三組分設計，其中組分A 為高韌性環氧樹脂，組份B 為復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#基質瀝青。分別采用不同顏色的密封桶裝常溫儲存，并分類堆放。

2.5 高韌性環氧瀝青及混合料性能對比

對比高韌性環氧瀝青及混合料與同類型環氧瀝青材料的性能，結果如表7所示。

從表7可以看出，高韌性環氧瀝青具有優異的拉伸性能，其施工容留時間短于日本環氧瀝青，但長于美國環氧瀝青，其混合料亦具有更優的低溫性能和抗疲勞性能。綜合來看，高韌性環氧瀝青及混合料性能優異，具有廣闊的應用前景。

3 結論

采用自制高韌性環氧樹脂、基質瀝青、自制非離子型相容劑及復配固化劑等原材料制備高韌性環氧瀝青及混合料。研究了多種因素對其性能的影響，主要取得如下結論。

（1）隨著樹脂用量的增加，高韌性環氧瀝青及混合料的性能隨之增強，但其施工容留時間縮短；綜合考慮高韌性環氧瀝青及混合料的性能、施工容留時間、經濟成本等因素，確定其最佳用量為40%。

（2）高韌性環氧樹脂與基質瀝青的相容性較差，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%；高溫對高韌性環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配體系，當其復配比為9 ∶1 時，高韌性環氧瀝青的拉伸性能良好，施工容留時間較長，且常溫養護9 d 即可基本形成最終強度；不同復配比對高韌性環氧瀝青混合料的馬歇爾穩定度及高低溫性能影響較小，綜合確定其最佳復配比為9 ∶1。

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

表7 環氧瀝青及混合料性能對比結果