新型早強改性瀝青路面材料的研制與性能測試

張凡 曹濟 王光明 丁德亮 李如意

摘 要：針對傳統瀝青路面材料養護周期長的問題，提出一種早強型環氧瀝青路面材料的制備。試驗對早強型環氧瀝青配比進行優化，對優化后瀝青混合料路用性能進行研究。試驗結果表明，當相容劑用量與基質瀝青用量分別為環氧樹脂質量的16%和60%，環氧樹脂與固化劑配比為1∶0.8，基礎固化劑與協同固化劑配比為9∶1。以此條件制備的瀝青養護12 h后即可達到41 N，完全固化時間為20 h；各項性能均滿足JTG/T 3364-02—2019規范要求，在實際工程應用中可快速開放交通。

關鍵詞：路用性能； 早強型環氧瀝青；養護周期；馬歇爾試驗

中圖分類號：TQ323.5

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0100-03

Development and performance testing of new early strength modified asphalt pavement materials

ZHANG Fan，CAO Ji，WANG Guangming，DING Deliang，LI Ruyi

（China Construction Seventh Engineering Division Co.，Ltd.，Zhengzhou 518000，China

）

Abstract：Aiming at the problem of long maintenance period of traditional asphalt pavement materials，an early strength epoxy asphalt pavement material was prepared.The ratio of early strength epoxy asphalt was optimized，and the road performance of the optimized asphalt mixture was studied.The experimental results showed that when the dosage of compatibilizer and the amount of matrix asphalt were 16% and 60% of the mass of epoxy resin，the ratio of epoxy resin to curing agent was 1∶0.8，and the ratio of basic curing agent to co curing agent was 9∶1.The asphalt prepared under this condition could reach 41 N after 12 h of curing，and the complete curing time was 20 h，and all the properties met the requirements of JTG/T 3364-02—2019 specification，and could be quickly opened to traffic in practical engineering applications.

Key words：road performance;early strength epoxy asphalt;maintenance cycle;marshall test

瀝青作為常見的路面鋪裝材料，受其特性的影響，其作為鋪裝材料使用時，養護時間較長，這就大幅度延長了交通開放的時間。為了進一步優化瀝青材料的性能，部分學者也進行了很多研究，如從瀝青的老化性能出發，通過納米粒子對瀝青的耐老化性能進行優化［1］。使用氧化石墨烯協同SBS對瀝青的高低溫流變性進行提升［2］。以聚氨酯和環氧樹脂對瀝青的高溫抗車轍性進行優化［3］?；诖?，實驗在文獻［4］的研究基礎上，制備了一種早強型環氧瀝青路面材料，為瀝青路面鋪裝材料的發展提供一些參考。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與設備

主要材料：基質瀝青（A級），路特達道路工程；基礎固化劑（M），AR，慈鵬礦產品；石灰巖礦粉（I級），旭邦礦產品；協同固化劑（N），AR，億鑫達新型材料；酚類相容劑，AR，優塑德新材料；環氧樹脂，AR，星辰材料；玄武巖碎石（I級），登峰建材。

主要設備：NDJ-1型旋轉黏度計（鴻浩杰科）；YL-S70型直接拉伸試驗機（昊銳試驗儀器）；LHCZ-6型車轍試驗儀（華錫試驗）。

1.2 試樣制備

1.2.1 改性瀝青的制備

（1）將100 ℃基質瀝青與相容劑混合均勻，攪拌轉速和時間分別為500 r/min和90 min;

（2）將混合后的瀝青冷卻至60 ℃，然后加入雙酚A型環氧樹脂，保持500 r/min的轉速繼續攪拌45 min，靜置得到瀝青A組分;

（3）在常溫狀態下將基礎固化劑ZJ-1與協同固化劑XJ-2混合，在500 r/min的轉速條件下充分攪拌50 min，靜置得到瀝青B組分;

（4）保持常溫環境，將B組分與A組分混合并充分攪拌，攪拌轉速和時間分別為300 r/min和8 min，得到早強型環氧瀝青結合料。

1.2.2 瀝青拌和料的制備

參照JTG F40—2004 要求對瀝青拌合料進行設計，設置環氧瀝青油石比為8.3%［4-5］。按照配比將瀝青與玄武巖碎石和石灰巖礦粉混合攪拌均勻，得到早強型瀝青拌合料。

1.3 性能測試

相容性測試：通過離析試驗對早強型環氧瀝青相容性進行測試［6］。

拉伸性能：

通過直接拉伸試驗對早強型環氧瀝青的拉伸性能進行測試［7］。

黏度測試：通過旋轉黏度計測試瀝青的黏度。

強度測試：通過馬歇爾試驗對瀝青的強度進行測試［8］。

2 結果與討論

2.1 基礎配比優化

根據瀝青使用要求，確定配比優選原則為，離析前后的環氧瀝青上下層的軟化點差值控制在1 ℃內［9-15］；養護完全后拉伸強度和斷裂伸長率分別應超過 2 MPa和 50%，強度達到 40 kN 的養護時間小于 12 h［16］。在實際工程中，存在運輸和施工延誤現象，因此要求用于鋪裝的瀝青黏度達到 3 Pa·s的時間應超過 120 min，常溫條件下120 min后瀝青黏度值小于 3 Pa·s［17］。

2.1.1 相容劑用量優化

固定環氧樹脂與基質瀝青的比例為5∶5，相容劑用量占環氧樹脂總質量的10%～50%。通過離析試驗對相容劑增容效果進行表征，進而確定相容劑的最佳摻量，結果見表1。

由表1可知，在未摻加相容劑的情況下，瀝青上層軟化點和下層軟化點差值約為18.1 ℃，這說明沒有外力因素的影響，環氧樹脂與基質瀝青相容性較差。隨體系內相容劑用量的增加，瀝青上層軟化點與下層軟化點差值表現出先減小，后緩慢增加的變化趨勢，當相容劑用量為16%時，軟化點差值最小為0.4 ℃。因此在后續試驗中，選擇相容劑用量為20%。

2.1.2 協同固化體系優化

基礎固化劑與協同固化劑共同組成的協同固化體系對瀝青的施工性能影響較大，因此以施工性能為指標，對協同固化體系進行優化，結果見表2。由表2可知，隨協同固化劑N用量的減少，瀝青的斷裂延伸率逐漸的減少，黏度增至3 Pa·s的時間逐漸增加，且在M∶N為9∶1時達到130 min。綜合考慮施工容留時間和常溫養護時間，選擇適合的基礎固化劑與協同固化劑配比為9∶1。

2.1.3 瀝青主要成分配比優化

參考部分研究者的經驗成果，認為不同配比的瀝青，拉伸性能的差異相對較大。固定基質瀝青摻量，隨固化劑用量的增加，瀝青的拉伸性能有一定增加，但過多固化劑用量會對拉伸性能產生不良影響，但斷裂伸長率有一定增加。因此，適合的環氧樹脂與固化劑配比為1∶0.8。

同時，通過溫度25 ℃條件下黏度增長試驗對基質瀝青用量進行進一步優化，結果見圖1。

由圖1可知，在固化初期，環氧瀝青黏度幾乎不發生變化，但隨反應時間的增加，瀝青的黏度有一定的增加。隨著反應的進行，環氧基不斷開環生成微凝膠體，這就增加了瀝青的黏度，當微凝膠體數量累積至一定程度時，形成一定的交聯網絡結構，黏度快速上升。受容留時間原則影響，要求120 min 后的黏度要小于 3 Pa·s，滿足要求的組別為基質瀝青用量60%和70%。

而通過馬歇爾試驗對環氧瀝青的穩定度進行表征，結果在基質瀝青用量為60%時，強度較高，24 h后即可達到54.64 kN，滿足JTG/T 3364—02—2019中強度大于40 kN的要求。綜上，基質瀝青最佳用量為60%。

2.2 時溫特性分析

由于試驗設計的環氧瀝青主要用于路面的鋪裝，因此需要考慮不同溫度條件下，瀝青黏度變化情況。根據使用需求，將拌和溫度分別設置為10、20、30和40 ℃，觀察瀝青黏度的變化，結果見圖2。

由圖2可知，4種拌和溫度下的環氧瀝青增長曲線變化趨勢基本一致，在固化初期，瀝青黏度水平均相對較低，隨養護時間的增加，瀝青黏度開始有一定增加。在養護后期，拌和溫度越高，黏度開始增長的時間節點越靠前，黏度增長速度越快。但在拌和溫度為10～40 ℃條件下，環氧瀝青黏度增至3 Pa·s所用的時間均超過120 min，施工容留時間足，滿足實際施工需求。

2.3 瀝青拌和料路用性能分析

2.3.1 強度分析

以國產冷拌環氧瀝青為對比，通過馬歇爾試驗對拌合料強度特性進行評價，結果見圖3。

由圖3可知，混合料穩定度隨時間的增加而增加。在養生初期，瀝青混合料體系中形成的微凝膠體數量有限，因此馬歇爾穩定度緩慢增加。在養生后期，隨固化反應的進行，馬歇爾穩定度快速的增長至最終強度。早強型環氧瀝青混合料雖然最終強度略低于環氧瀝青，但仍達到了JTG/T 3364—02—2019要求。同時，常溫環境下，早強型環氧瀝青混合料養生12 h后即可達到41 N；而普通環氧瀝青混合料則需要養生48 h才可達到差不多強度。早強型瀝青完全固化時間為20 h；而普通瀝青完全固化時間為72 h。這說明實驗制備的瀝青養生時間較短，可實現快速開放交通。

3 結語

（1）早強型環氧瀝青基礎配比為：相容劑用量為環氧樹脂質量的16%，基礎固化劑與協同固化劑配比為9∶1，環氧樹脂與固化劑配比為1∶0.8，基質瀝青用量為環氧樹脂質量的60%;

（2）在拌和溫度為10～40 ℃條件下，環氧瀝青黏度增長至3 Pa·s所用的時間均超過120 min，施工容留時間充足，達到實際施工需求;

（3）瀝青混合料養護時間較短，12 h后即可達到41 N，完全固化時間為20 h。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2024-02-06

作者簡介：張 凡（1990-） ，男，工程師，研究方向：市政工程;E-mail：chinese-zhangfan@qq.com。

引文格式：張 凡，曹 濟，王光明，等.新型早強改性瀝青路面材料的研制與性能測試［J］.粘接，2024，51（3）：100-102.