基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料性能影響分析

郝增恒，李凱，劉攀，趙云

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，橋面鋪裝材料的性能要求也愈來(lái)愈高，特別在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域，普通石油瀝青及其混合料性能不能更好滿足路用性能，進(jìn)而出現(xiàn)適應(yīng)性更好的新型鋪裝材料——環(huán)氧瀝青。環(huán)氧瀝青混合料具有高強(qiáng)度、韌性好、黏結(jié)性好、良好的溫度穩(wěn)定性及良好的耐久性等優(yōu)勢(shì)[1-4]，因此得到廣泛應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)可選擇的環(huán)氧樹(shù)脂種類較少，而瀝青來(lái)源則多種多樣，其組成成分、技術(shù)指標(biāo)及化學(xué)特性各異[5-7]。原材料的變異性將會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧瀝青的力學(xué)性能變化較大，最終影響其混合料路用性能[8-11]。同時(shí)，在國(guó)內(nèi)實(shí)體工程中，各地區(qū)獲取油源路徑不同，且多以就地取材為主,使用的瀝青基體不同，鋪裝工程的使用性能及使用壽命可能會(huì)受到一定影響。鑒于此，本文選取不同種類的常用瀝青基體，對(duì)其制備的高韌性環(huán)氧瀝青及混合料進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，為鋼橋面鋪裝實(shí)體工程提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

殼牌70#基質(zhì)瀝青、勝利70#基質(zhì)瀝青、泰普克70#基質(zhì)瀝青、茂名70#基質(zhì)瀝青、SK70#基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；高韌性環(huán)氧樹(shù)脂、復(fù)配高溫固化劑體系均為自制；集料(耐磨、堅(jiān)硬的玄武巖)、礦粉(磨細(xì)石灰?guī)r)的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

NDJ-1C型布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀；WDW3100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)；BFA獨(dú)立式小梁疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)。

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

表2 集料與礦粉的基本性能指標(biāo)

1.2 高韌性環(huán)氧瀝青及混合料的制備

將高韌性環(huán)氧樹(shù)脂及其固化劑按質(zhì)量比67∶33比例混合，加熱至55～60 ℃，提高其流動(dòng)性。基質(zhì)瀝青加熱至130～140 ℃，將瀝青與高韌性環(huán)氧樹(shù)脂按質(zhì)量比50∶50混合均勻，制得高韌性環(huán)氧瀝青膠結(jié)料。

將制得的高韌性環(huán)氧瀝青膠結(jié)料與烘干的集料按最佳油石比在170 ℃下拌和3 min，拌制高韌性環(huán)氧瀝青混合料。高韌性環(huán)氧瀝青混合料級(jí)配曲線見(jiàn)圖1，最佳油石比為6.7%。需要注意的是，制備工藝需嚴(yán)格控制溫度。

圖1 高韌性環(huán)氧瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

1.3 性能評(píng)價(jià)

參照ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將高韌性環(huán)氧瀝青制成啞鈴型試件，測(cè)試其拉伸強(qiáng)度和拉伸破壞時(shí)的斷裂伸長(zhǎng)率。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求測(cè)試高韌性環(huán)氧瀝青的針入度、軟化點(diǎn)及175 ℃旋轉(zhuǎn)黏度及其混合料的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性能以及疲勞性能。

高韌性環(huán)氧瀝青及混合料試件在60 ℃恒溫箱養(yǎng)護(hù)4 d即可形成最終強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 高韌性環(huán)氧瀝青的基本性能

考察基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青基本性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高韌性環(huán)氧瀝青基本性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，高韌性環(huán)氧瀝青固化后，體系由熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦裕瑯O大地提升了瀝青的高溫性能和力學(xué)性能，針入度下降，軟化點(diǎn)上升，拉伸強(qiáng)度增大。基質(zhì)瀝青種類對(duì)其高韌性環(huán)氧瀝青的基本性能影響較小，5種高韌性環(huán)氧瀝青的軟化點(diǎn)均大于150 ℃， 拉伸強(qiáng)度均在5 MPa左右，斷裂伸長(zhǎng)率均在110%左右，其中采用低溫延性優(yōu)異的殼牌瀝青制備的高韌性環(huán)氧瀝青具有最大的斷裂伸長(zhǎng)率。

施工容留時(shí)間(黏度上升至1 000 mPa·s所需的時(shí)間)是環(huán)氧瀝青混合料施工的關(guān)鍵因素，對(duì)施工質(zhì)量及使用性能影響大，必須嚴(yán)格控制施工容留時(shí)間。由表3可知，5種高韌性環(huán)氧瀝青的施工容留時(shí)間均在120～130 min之間，其中高溫黏度最小的勝利牌瀝青制備的高韌性環(huán)氧瀝青施工容留時(shí)間最長(zhǎng)。瀝青中的活性官能團(tuán)可能會(huì)和環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，進(jìn)而影響環(huán)氧瀝青的施工容留時(shí)間，這還有待實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步論證。以上5種高韌性環(huán)氧瀝青均能夠滿足實(shí)體工程對(duì)環(huán)氧瀝青材料施工提出的苛刻要求。

2.2 混合料的力學(xué)性能

瀝青混合料的力學(xué)性能與其路用性能關(guān)系緊密。考察基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的力學(xué)性能影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 高韌性環(huán)氧瀝青混合料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的體積參數(shù)差異較小，其穩(wěn)定度均滿足鋼橋面鋪裝技術(shù)規(guī)范中對(duì)環(huán)氧瀝青混合料大于40 kN的要求。其中，泰普克70#-EA和SK70#-EA的穩(wěn)定度更大。混合料的流值都在3.5～4 mm之間，反映了混合料具有良好的抗塑性變形能力。混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均大于2.8 MPa，反映了混合料良好的抗拉強(qiáng)度。高韌性環(huán)氧瀝青優(yōu)異的拉伸性能使其混合料的力學(xué)性能大大提高，這主要是由高韌性環(huán)氧樹(shù)脂自身的強(qiáng)度所決定，與基質(zhì)瀝青的種類關(guān)系不大。

2.3 混合料的高溫性能

在高溫及長(zhǎng)時(shí)間荷載作用下瀝青混合料會(huì)產(chǎn)生顯著的變形，車(chē)轍病害嚴(yán)重影響路面的使用質(zhì)量和壽命，特別在鋼橋面，高溫季節(jié)溫度可達(dá)60～70 ℃，鋪裝層混合料需有更好的高溫性能。考察基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料高溫性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，高韌性環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)異，其70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度均達(dá)到30 000次/mm以上，70 ℃車(chē)轍深度均不大于0.4 mm。5種高韌性環(huán)氧瀝青的軟化點(diǎn)均大于150 ℃，由于高韌性環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生了固化反應(yīng)，使其形成了三維立體互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固體系，從而大幅度提高了混合料的高溫性能。基質(zhì)瀝青種類對(duì)混合料的高溫性能幾乎沒(méi)有影響，主要取決于高韌性環(huán)氧樹(shù)脂的熱固性作用。

表5 高韌性環(huán)氧瀝青混合料車(chē)轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 混合料的低溫性能

破壞彎拉應(yīng)變作為低溫彎曲破壞實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠很好的反映高韌性環(huán)氧瀝青的低溫性能，破壞彎拉應(yīng)變?cè)酱螅蜏厝犴g性越好，抗裂性能越好。考察基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料低溫性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高韌性環(huán)氧瀝青混合料低溫小梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果(-10 ℃)

高韌性環(huán)氧瀝青明顯改善了普通環(huán)氧瀝青固化后低溫脆性大、柔韌性差的特點(diǎn)，對(duì)鋼橋面鋪裝層的開(kāi)裂破壞起到了極大的改善作用。由表6可知，基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的影響。5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料抗彎應(yīng)變均遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的2 500 με，其中殼牌70#-EA最高(5 412.38 με)，勝利70#-EA最低(5 035.94 με)。低溫下高韌性環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度取決于環(huán)氧樹(shù)脂自身的強(qiáng)度，變形能力取決于基質(zhì)瀝青和環(huán)氧樹(shù)脂的共同作用。瀝青的延度是影響混合料低溫抗裂性的因素之一，一般來(lái)說(shuō)，低溫下瀝青變形能力越大，則混合料低溫變形能力也越大。殼牌70#瀝青的延度最大，從側(cè)面說(shuō)明其低溫變形大，從而使得其混合料低溫抗裂性能更優(yōu)。

2.5 混合料的水穩(wěn)定性能

鋼橋面鋪裝必須具有優(yōu)異的防水性能，這要求鋪裝層混合料具備較高的抗水損壞能力和密水性。本文采用浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)和凍融劈裂實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性，以殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比表征水損害程度，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 高韌性環(huán)氧瀝青混合料浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 高韌性環(huán)氧瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1、圖2可知，基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料水穩(wěn)定性能影響不大。由圖2可知，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均大于規(guī)范要求的90%，說(shuō)明其在高溫下抗水損壞性能很強(qiáng)，其中殼牌70#-EA的殘留穩(wěn)定度最高達(dá)到96.83%，泰普克70#-EA的殘留穩(wěn)定度最低也有93.89%。在浸水條件下，5種高韌性環(huán)氧瀝青與集料的黏附性良好，其混合料整體力學(xué)強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，水穩(wěn)定性能優(yōu)異。

由圖3可知，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均達(dá)到90%以上，凍融劈裂強(qiáng)度比依次為SK70#-EA>勝利70#-EA>茂名70#-EA>殼牌70#-EA>泰普克70#-EA。混合料強(qiáng)度主要與集料強(qiáng)度和膠結(jié)料的力學(xué)性質(zhì)以及其相互之間的作用有關(guān)，凍融后的混合料劈裂強(qiáng)度沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明水分對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青膜的剝落程度較低，也說(shuō)明高韌性環(huán)氧瀝青混合料在多雨水條件下能更好的抵抗車(chē)輛荷載對(duì)鋪裝層的破壞。

2.6 混合料的疲勞性能

鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的特殊形式容易使得鋪裝層材料發(fā)生疲勞開(kāi)裂，所以鋪裝層混合料需有良好的抗疲勞破壞的能力。考察基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能影響，采用應(yīng)變控制模式，微應(yīng)變水平600 με，加載頻率10 Hz，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 高韌性環(huán)氧瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果(15 ℃)

由表7可知，基質(zhì)瀝青種類對(duì)其疲勞性能無(wú)顯著性影響，在同一應(yīng)變水平下，5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命均大于100萬(wàn)次，說(shuō)明高韌性環(huán)氧瀝青混合料有良好的抗疲勞破壞能力，能夠與鋼橋面進(jìn)行協(xié)同變形，抵抗早期的疲勞開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)基質(zhì)瀝青種類對(duì)其高韌性環(huán)氧瀝青的性能影響較小，5種高韌性環(huán)氧瀝青的軟化點(diǎn)均大于150 ℃， 施工容留時(shí)間均在120 min左右，拉伸強(qiáng)度均在5 MPa左右，斷裂伸長(zhǎng)率均大于100%，高韌性環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的綜合性能。

(2)基質(zhì)瀝青種類對(duì)高韌性環(huán)氧瀝青混合料的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能影響較小，混合料的路用性能主要還是依賴高韌性環(huán)氧樹(shù)脂的熱固性作用。5種高韌性環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均大于50 kN，劈裂抗拉強(qiáng)度均大于2.8 MPa，70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度均大于30 000次/mm，-10 ℃ 低溫彎曲應(yīng)變均大于5 000 με，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均大于90%，600 με微應(yīng)變四點(diǎn)彎曲疲勞壽命均大于100萬(wàn)次，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的路用性能。

(3)高韌性環(huán)氧瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青種類要求不高，適應(yīng)普遍性強(qiáng)。從工程原材料選取角度看，不同地區(qū)鋼橋面高韌性環(huán)氧瀝青鋪裝工程可就近取材，不受基質(zhì)瀝青種類影響，節(jié)約運(yùn)輸成本，降低工程造價(jià)。