環氧樹脂聚合物對再生瀝青結合料性能的影響研究

中圖分類號：U416.03 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.007

文章編號：1673-4874（2025）04-0023-04

0 引言

我國承諾2030年前達到碳峰值，在2060年前實現碳中和。因此，再生瀝青路面在公路瀝青路面施工中備受關注。瀝青路面回收舊料（RAP）在路面施工中的應用降低了對瀝青結合料和集料的需求，顯著減少了與材料開采和運輸相關的能源消耗和碳排放[1。然而，由于摻入RAP后瀝青混合料性能（尤其是低溫和疲勞性能）會有所降低，因此我國對再生瀝青混合料中使用RAP的摻量有所限制2。環氧瀝青結合料是由環氧樹脂、固化劑、瀝青結合料和其他助劑組成的改性瀝青結合料[3]。環氧樹脂和固化劑之間發生不可逆的固化反應，形成具有交聯結構的環氧聚合物（EP）。EP作為一種熱固性材料，可以改變傳統瀝青結合料的熱塑性，從而賦予路面材料優異的物理和化學性能，包括高強度、高溫性能提升、層間結合能力提升和優異的耐腐蝕性[4]。因此，環氧瀝青被認為是一種具有應用前景的長壽命路面材料，已被有效應用于橋面鋪裝、機場道路和瀝青路面養護等[5-7]。在再生瀝青混合料中使用環氧瀝青時，可以在不添加新集料的情況下使用100%RAP。而且，環氧瀝青可以顯著提高瀝青混合料的抗疲勞性能和低溫性能，能夠改善再生瀝青混合料疲勞性能和低溫性能不足的問題[8。雖然現有文獻已經說明了在再生瀝青混合料中添加環氧瀝青的可行性，但對環氧再生瀝青結合料的研究卻明顯不足。為了評估環氧瀝青對老化瀝青結合料性能的影響，本研究對環氧再生瀝青結合料進行了一系列測試，使用動態剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）、布式旋轉黏度儀評估環氧再生瀝青結合料的高、低溫流變性能及施工性能。研究的開展可為提升再生瀝青路面性能提供參考。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料

本研究中使用的基質瀝青為 70^?A 級瀝青。使用旋轉薄膜烘箱老化（RTFOT）和壓力老化（PAV）在室內制備老化瀝青。 70^?A 級瀝青老化前后的基本性能如表1所示。本研究中使用的雙酚A型環氧樹脂和胺固化劑購自市場。根據經銷商的說明，環氧樹脂與固化劑的比例為 3：2.

表1 70^? 瀝青老化前后性能指標表

1.2環氧再生瀝青結合料的制備

環氧再生瀝青結合料的制備方法如下：（1）環氧樹脂和固化劑以 3：2 的比例結合以產生未固化的環氧樹脂（EP），將未固化的EP在60℃下攪拌1min；（2）將不同摻量的未固化EP與老化的瀝青結合料在180℃下混合2min ，同時采用高速剪切儀以300rpm的攪拌速度攪拌10min ，設置EP的摻量分別為瀝青質量的 20% ， 30% 740% 和 50% ；（3）將所得混合物倒入試驗模具中，并在60^°C 的溫度下固化4d。此外，將EP添加進原樣 70^? 瀝青作為對照組，其使用相同的方法制備，EP摻量同樣為瀝青質量的 20%30%.40% 和 50% 。

1.3 試驗方法

1.3.1直接拉伸（DT）試驗

根據規范《StandardTestMethodforTensilePropertiesofPlastics》（ASTMD638）[9]，使用電子拉伸和壓實試驗機評估瀝青結合料的拉伸強度和伸長率，該規范的中文名稱為“塑料拉伸性能的標準試驗方法”。一旦測試力降低到最大張力的 90% ，拉伸測試就終止。拉伸機器停止后，通過窄截面長度的變化來測量伸長率。拉伸速率為500mm/min ，每種樣品測試8次并以平均值為代表值。

1.3.2流變性能試驗

使用CannonInstrument公司制造的彎曲梁流變儀（BBR評估瀝青的低溫流變性能。使用美國TA公司生產 DH-3 動態剪切流變儀（DSR）評估瀝青的高溫和疲勞流變性能。由于環氧瀝青的硬度較高，在所有DSR測試中都采用了8mm的平行板，平行間距均為 12mm 。采用高溫時間掃描試驗（TS）和多次應力蠕變恢復試驗（MSCR）對瀝青結合料的高溫性能進行評價。TS試驗溫度分別為64℃、70℃、76℃和 82^°C 。MSCR的測試溫度為70℃。采用線性振幅掃描（LAS）來評估瀝青結合料的疲勞性能。LAS由頻率掃描和應變掃描組成，頻率掃描的應變為 0.1% ，應變掃描的應變從 0.1% 線性增加到 30% 。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

拉伸試驗所獲得的拉伸強度和伸長率結果見圖1、圖2。由圖可知，隨著EP含量的增加，拉伸強度和伸長率都呈上升趨勢。EP含量 gt;30% 后，拉伸強度的增長速度加快。這表明，將EP摻入瀝青可以顯著提高瀝青結合料的拉伸性能，并且在更高的EP濃度下，會形成堅固的網絡結構。隨著EP含量的增加，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青之間的拉伸強度和伸長率的差異逐漸減小。這一觀察結果表明，隨著EP含量增加，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的拉伸性能和韌性趨同，表明EP摻量增加后在提升瀝青結合料的力學性能方面的作用越來越大。由于老化瀝青在經過熱氧作用后有硬化現象，因此EP + 原樣瀝青的抗拉強度大于EP + 老化瀝青。

2.2 低溫流變性能

BBR試驗結果如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知：在 -12^°C₁-18^°C₁-24^°C 溫度下，EP + 原樣瀝青的s 值小于EP + 老化瀝青， m 值大于EP + 老化瀝青，這意味著EP + 原樣瀝青在低溫下具有更低的勁度模量和較好的松弛性能，因此EP + 原樣瀝青的低溫性能優于EP + 老化瀝青。隨著試驗溫度的降低，所有瀝青的 s 值顯著增加，而 m 顯著降低。EP摻入老化瀝青和原樣瀝青后，改善了瀝青的低溫性能，特別是在 20% 摻量時，但隨著EP摻量進一步提升，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青低溫性能均出現下降（表現為 s 值增加和 m 值降低），因此從低溫性能角度考慮，采用EP制備環氧再生瀝青時應當注意EP的摻量，摻量不宜過高?？傮w而言， 20%～50% 摻量下，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青低溫性能均得到改善，盡管隨著EP摻量增加環氧瀝青低溫性能有所下降，但下降幅度仍然在可接受范圍。

圖1拉伸強度試驗結果柱狀圖

圖2伸長率試驗結果柱狀圖

圖3S值試驗結果曲線圖

圖4 m 值試驗結果曲線圖

2.3 高溫流變性能

2.3.1TS試驗

高溫TS試驗結果如圖5、圖6所示。由圖5可知：EP + 老化瀝青相比EP + 原樣瀝青表現出更高的 G^* 值，且隨著EP摻量增加，不僅有效提升老化瀝青和原樣瀝青的 G^* ，且EP ⁺ 老化瀝青相比EP + 原樣瀝青的 G^* 值差距進一步增加。 G^* 值越大，表示瀝青結合料的彈性模量越高，在高溫下的抵抗變形能力越強。這表明EP可以顯著提高瀝青結合料的模量，并顯著提高瀝青的彈性。所有瀝青的 G^* 值都隨著溫度的升高而顯著降低，這表明隨著溫度的升高，瀝青的彈性模量逐漸降低。

由圖6可知：EP+老化瀝青的相位角曲線的位置低于EP + 原樣瀝青。隨著EP含量的逐漸增加，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的相位角都顯著降低，這可能是由于添加EP后瀝青的彈性迅速增加，導致黏度與彈性的比率迅速降低，從而相位角降低。對于老化瀝青、原樣瀝青 .20% EP + 老化瀝青和 20% EP + 原樣瀝青，相位角隨著溫度的升高而逐漸增大。這是因為隨著溫度的升高，瀝青結合料的彈性逐漸降低，導致黏彈性比增加，在EP摻量較小 （≤20% 時，EP改性瀝青與基質瀝青 （70^? 瀝青）具有相似的黏彈特性。隨著EP摻量的進一步增加， 30% EP + 老化瀝青 .30% EP + 原樣瀝青、 40% EP + 老化瀝青和40% EP + 原樣瀝青的相位角隨著溫度的升高而逐漸減小。這表明隨著EP摻量的進一步提升，EP在瀝青結合料中形成的網絡結構降低了瀝青結合料的溫度敏感特性。

圖5復數剪切模量 G^* 試驗結果曲線圖

圖6相位角 δ 試驗結果曲線圖

2.3.2MSCR試驗

通過MSCR試驗獲得的恢復率 R 和不可恢復蠕變柔量 J_nr 如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：

（1）在0.1kPa或 3.2kPa 應力下，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的恢復率 R 均顯著高于未摻EP的瀝青，表明EP的摻入能夠有效提升瀝青的高溫彈性變形恢復能力。由圖8可知：EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的不可恢復蠕變柔量 J_nr 值明顯低于未摻EP的瀝青， J_nr 值越低，瀝青的高溫性能越好，因此EP的加入可以顯著改善原瀝青結合料的高溫性能，使瀝青結合料在高溫下抵抗變形的能力提升。

（2）在0.1kPa或 3.2kPa 應力下，隨著EP摻量的增加，恢復率 R 逐漸增加，不可恢復蠕變柔量 J_nr 降低。且隨著EP摻量增加， EP⁺ 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的恢復率 R 和不可恢復蠕變柔量 J_nr 值差異逐漸減小。與高溫TS測試的結果不同，當EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的EP摻量從 20% 增加到 30% 時，觀察到 R 值顯著提高，而當EP摻量從 30% 增加到 40% 時， R 的增加幅度很小。 J_nr 值在不同EP摻量條件下沒有顯著變化。

（3）在EP摻量 gt;30% 時，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的恢復率 R 在 0.1kPa 或 3.2kPa 應力下均 gt;90% 。這表明當EP含量達到 30% 時，就形成了有效的EP網絡結構。在該EP含量下，瀝青結合料組分對結合料的彈性和抗車轍性能影響不大。EP + 老化瀝青或EP + 原樣瀝青的高溫性能主要由EP組分承擔，使得EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的高溫性能非常相似。

圖7恢復率 R 試驗結果柱狀圖

圖8不可恢復蠕變柔量 J_nr 試驗結果柱狀圖

2.4疲勞性能

由LAS試驗所獲得的損傷特征曲線如圖9所示。圖9中 C 值代表瀝青結合料的損傷情況，為無量綱；當C=1 時，瀝青樣品處于未損傷狀態，隨著瀝青結合料損傷程度的增加， C 值逐漸降低。當給定累積損傷參數 D 時， C 值越大，材料的抗損傷能力就越強。由圖9可知：與EP + 原樣瀝青相比，EP + 老化瀝青的 c 值降低得更快，并且損傷以更高的速率累積。在相同EP摻量下，EP + 老化瀝青的 C 值低于 EP+ 原樣瀝青。值得注意的是，當EP摻量為 30% 和 40% 時，EP + 原樣瀝青與EP + 老化瀝青的曲線逐漸接近。這表明當EP含量超過 30% 時，EP網絡結構形成，這可以為瀝青結合料提供足夠的抗疲勞性能，并減少瀝青老化程度對結合料整體疲勞性能的影響。

圖9損傷特征曲線圖

3結語

本研究旨在評估環氧樹脂（EP）對老化瀝青結合料性能的影響。通過室內老化方式制備老化瀝青，并比較不同摻量EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的力學性能、高溫、低溫流變性能及疲勞性能?；趯Ρ疚臄祿姆治觯贸隽艘韵陆Y論：

（1）EP摻入老化瀝青或原樣瀝青后，均可以改善其力學性能、高溫性能、低溫性能和疲勞性能；當EP摻量達到一定程度 cgt;20% ）時可以在老化瀝青結合料中形成網狀結構，顯著改善老化瀝青結合料的拉伸、高溫、低溫和疲勞性能。

（2）在EP摻量相同的情況下，EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青的各項性能差異不大；與瀝青結合料的老化程度相比，EP摻量對瀝青結合料性能的影響更大。增加EP摻量可以減少EP + 老化瀝青和EP + 原樣瀝青在拉伸性能、低溫性能、高溫性能、疲勞性能方面的差異。

（3）EP能夠改善老化瀝青或原樣瀝青的低溫性能，隨著EP摻量進一步增加 cgt;20% ），老化或原樣瀝青結合料的低溫性能有所降低，但降低幅度并不顯著。

綜合以上結論，環氧樹脂作為一種優異的瀝青改性劑，用于瀝青再生可有效提升老化瀝青的各項性能，但在其低溫性能方面仍然需要進一步研究，以揭示EP摻量增加反而導致瀝青結合料低溫性能下降的原理。

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收稿日期：2025-01-10