探究環(huán)氧改性瀝青對(duì)瀝青混凝土路面性能的影響

胡加偉

福建省禹天建設(shè)有限公司

1 環(huán)氧改性瀝青

基質(zhì)瀝青和環(huán)氧樹(shù)脂以及固化劑是環(huán)氧改性瀝青的三大主要組成成分，除此之外還有其他助劑。環(huán)氧改性瀝青的化學(xué)原理為環(huán)氧樹(shù)脂加上固化劑會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這種穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)能夠使瀝青顆粒的流動(dòng)受到限制，將瀝青的熱塑性編程熱固性。環(huán)氧改性瀝青是一種很適合鋼橋面路面的材料，因?yàn)槠鋼碛袠O好的柔韌性、穩(wěn)定性和抗裂性能，而且也抗腐蝕。但是三種原材料之間的相容性以及環(huán)氧體系影響環(huán)氧改性瀝青的性能和成本。本節(jié)研究固化劑、摻量和制作工藝來(lái)為解決上述問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 基質(zhì)瀝青

查閱資料可知環(huán)氧樹(shù)脂的溶解度為9.6～10.5，基質(zhì)瀝青的溶解度一般為8.65。而兩者的相容性會(huì)影響改性瀝青的性能，如果兩種原材料的相容度之差在1.5以內(nèi)的話，可以相容得比較好。所以環(huán)氧改性瀝青在選擇原材料時(shí)可以選擇瀝青質(zhì)和樹(shù)脂含量高的石油瀝青作為基質(zhì)瀝青（70#A）。

1.2 環(huán)氧樹(shù)脂

如前所述，環(huán)氧樹(shù)脂加上一定比例的固化劑會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混合料的整體性能。環(huán)氧樹(shù)脂材料可以使用產(chǎn)量比較大而且性能好的雙酚A型產(chǎn)品。比如可以選取E-51環(huán)氧樹(shù)脂，它的環(huán)氧值是0.51mol∕100g。

1.3 固化劑質(zhì)量比

正交異性鋼橋面一般采用環(huán)氧改性瀝青進(jìn)行鋪裝，這種地面對(duì)瀝青的強(qiáng)度要求很高。環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的固化產(chǎn)物決定瀝青的強(qiáng)度性能。其中影響工藝難度的是容留時(shí)間，混合料難以實(shí)現(xiàn)壓實(shí)的閾值是環(huán)氧瀝青黏度為1500MPa時(shí)，所以要求容留時(shí)間要在10，min以上。通過(guò)進(jìn)行指標(biāo)為拉拔強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（固化劑和環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比采用1:1，環(huán)氧體系摻量設(shè)為15%），在a-e五中酸酐類固化劑中選擇b類固化劑。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖如圖1。然后在選定b類酸酐固化劑后，分別對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂：固化劑的質(zhì)量比為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2五種環(huán)氧瀝青進(jìn)行拉伸和拉拔強(qiáng)度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)圖2可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂：固化劑的質(zhì)量比為1的時(shí)候最好。

圖1 a-e五中酸酐類固化劑強(qiáng)度對(duì)比

圖2 不同質(zhì)量比強(qiáng)度對(duì)比

1.4 環(huán)氧體系摻量

通過(guò)對(duì)比我們得出了最佳的固化劑類型和環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的質(zhì)量比。然后為了確定環(huán)氧體系的最佳摻量，同樣我們通過(guò)設(shè)計(jì)不同比例的摻量來(lái)和SBS改性瀝青進(jìn)行拉伸強(qiáng)度赫爾拉拔強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，一共做了六組實(shí)驗(yàn)，摻量比例分別是5%、10%、15%、20%、30%、50%。得到的強(qiáng)度對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 環(huán)氧改性瀝青不同比例下和SBS改性瀝青強(qiáng)度對(duì)比表

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧體系的摻量增加，則拉伸強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度隨著增大，而斷裂伸長(zhǎng)率隨著比例的增加而呈一個(gè)減小的趨勢(shì)。究其原因是因?yàn)楣袒餂Q定了瀝青的強(qiáng)度，固化物越多則改性瀝青的強(qiáng)度越強(qiáng)。斷裂伸長(zhǎng)率其實(shí)就是瀝青的延展性能，它主要與基質(zhì)瀝青有關(guān)，基質(zhì)瀝青隨著摻量比例的提升而減少，所以斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)降低。

我們與SBS改性瀝青對(duì)比可見(jiàn)，環(huán)氧改性瀝青的環(huán)氧體系摻量即便只有百分之五的時(shí)候，其瀝青的強(qiáng)度性能也更好。所以相比較而言，環(huán)氧改性瀝青更適合做瀝青混凝土路面的混合料黏結(jié)料。

綜上所述，考慮到經(jīng)濟(jì)效益和路用性能，我們擬使用10%摻量環(huán)氧體系做后續(xù)研究。

2 環(huán)氧改性瀝青的路用性能探究

2.1 高溫穩(wěn)定性

為了分析環(huán)氧改性瀝青混合料用在瀝青混凝土路面上的高溫穩(wěn)定性能，我們分析參考文獻(xiàn)中所做的一些車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）開(kāi)展，對(duì)比材料為日本TAF環(huán)氧瀝青混合料，還有SBS改性瀝青混合料，三種材料做設(shè)定同等級(jí)配性能對(duì)比，試驗(yàn)完成后的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 瀝青混合料車轍試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)我們可以得知，與SBS改性瀝青相比而言，環(huán)氧改性瀝青的混合料的高穩(wěn)穩(wěn)定性能更勝一籌。而且國(guó)標(biāo)下的《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》（GB∕T 30589—2014）材料穩(wěn)定度要求環(huán)氧改性瀝青材料達(dá)標(biāo)且遠(yuǎn)超于要求的動(dòng)穩(wěn)定度，而SBS改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度并沒(méi)有達(dá)到技術(shù)要求。環(huán)氧改性瀝青的組成成分的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑在高溫下會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成比較堅(jiān)固的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠使基質(zhì)瀝青顆粒的自由移動(dòng)受到限制，由于其含有熱固材料的原因，所以在高溫環(huán)境下環(huán)氧改性瀝青會(huì)變軟不過(guò)仍能保持固態(tài)，所以動(dòng)穩(wěn)定性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了SBS改性瀝青。SBS改性瀝青動(dòng)穩(wěn)定度較低是因?yàn)樵摲N混合料在高溫環(huán)境下主要呈現(xiàn)高黏性，比較容易收到外力產(chǎn)生變形，像留下車轍印就屬于變形的一種。表中數(shù)據(jù)顯示兩種環(huán)氧瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度即高溫穩(wěn)定性能相當(dāng)。

2.2 低溫抗裂性

為了分析環(huán)氧改性瀝青混合料用在瀝青混凝土路面上的低溫抗裂性能，我們分析小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）開(kāi)展，對(duì)比材料為日本TAF環(huán)氧瀝青混合料，還有SBS改性瀝青混合料，三種材料在同等低溫環(huán)境下做性能對(duì)比，試驗(yàn)完成后的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 瀝青低溫抗裂性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)我們可以得知，與SBS改性瀝青相比而言，環(huán)氧改性瀝青的混合料的低溫抗裂性更勝一籌，而且可以看出其具有更高的抗彎強(qiáng)度和勁度模量，這些技術(shù)指標(biāo)可以反映出環(huán)氧瀝青的低溫柔性更高。在冬季的時(shí)候，一般地表溫度會(huì)低于空氣溫度，所以對(duì)比幾種材料在-15℃的最大彎拉應(yīng)變，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混合料的值更大，也就是說(shuō)其擁有較好的柔性，在冬季低溫環(huán)境下的抗裂性能更好，使得瀝青混凝土路面的抗裂性能更好，有利于提高路面的使用質(zhì)量和壽命。

2.3 水穩(wěn)定性

為了分析環(huán)氧改性瀝青混合料用在瀝青混凝土路面上的水穩(wěn)定性能，我們分析瀝青混合料的動(dòng)容劈裂試驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)對(duì)比了材料為日本TAF環(huán)氧瀝青混合料，還有SBS改性瀝青混合料，三種材料在凍融劈裂實(shí)驗(yàn)條件下的劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度比（TSR）性能對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青混合料動(dòng)容劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，與SBS改性瀝青相比較，環(huán)氧改性瀝青的凍融劈裂強(qiáng)度比更高，性能更好，更適合用于瀝青混凝土路面實(shí)現(xiàn)路用。兩種環(huán)氧瀝青的混合料的劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度不相上下，但是相比較SBS改性瀝青，環(huán)氧瀝青的兩種指標(biāo)強(qiáng)度分別為SBS改性瀝青的3.32倍和3.75倍。這些數(shù)據(jù)足可以說(shuō)明在應(yīng)用到瀝青混凝土路面上的環(huán)氧改性瀝青混合料擁有更好地水穩(wěn)定性和物理學(xué)性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我們?yōu)榱搜芯凯h(huán)氧改性瀝青對(duì)瀝青混凝土路面性能的影響，分析了環(huán)氧改性瀝青的原材料的組成性能和作用，進(jìn)行通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)氧改性瀝青混凝土混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和降溫性能。結(jié)果表明環(huán)氧改性瀝青對(duì)適合做嚴(yán)格的特殊路段的路面鋪料。