寒冷地區(qū)樹脂瀝青的材料設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化

易軍艷，諸一鳴,2，馮德成，任 昭，秦衛(wèi)軍

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090； 2. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 3. 吉林省交通科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

作為一種熱固性材料，樹脂瀝青在制備時(shí)于基質(zhì)瀝青中加入了樹脂和固化劑等材料進(jìn)行固化反應(yīng)，形成了一種熱固性彈性體，賦予了基質(zhì)瀝青優(yōu)異的高溫性能、粘結(jié)性能和水穩(wěn)定性等性能，使瀝青的的物理力學(xué)性能產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍[1]。相較于普通的石油瀝青，環(huán)氧瀝青具有更為優(yōu)異的高溫性能，在某些特殊地段，如機(jī)場(chǎng)和特大橋梁橋面鋪裝之后也能較好地抵御車轍、推移、波浪壅包等病害。然而樹脂瀝青形成固化體系后的勁度模量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的改性瀝青，這會(huì)導(dǎo)致其低溫抗裂性下降，因此需要改變所加入的瀝青的含量以及其他添加劑來提高其低溫抗裂性。

環(huán)氧瀝青材料在我國(guó)最早用于涂料或者屋頂鋪面材料[2]，應(yīng)用于道路鋪裝方面較晚。呂偉民等對(duì)環(huán)氧瀝青混合料性能進(jìn)行了研究[1,3,4]，這標(biāo)志著我國(guó)開始涉足環(huán)氧瀝青混合料應(yīng)用于路面鋪裝這一領(lǐng)域。朱吉鵬等采用高速剪切的方法用于分散并混合固化劑和瀝青[5]。亢陽(yáng)等將基質(zhì)瀝青與順丁烯二酸酐進(jìn)行反應(yīng)，得到順酐化瀝青，再加入環(huán)氧固化劑和助劑進(jìn)行反應(yīng)[6]。賈輝等在順酐化瀝青的基礎(chǔ)上采用加入脂肪族多元醇的方法，中和了改性環(huán)氧瀝青中過量的酸酐，使這種方法進(jìn)一步得到優(yōu)化[7]。張占軍等采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行了研究，分析其彎曲強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變、彎曲模量以及應(yīng)變能與加載溫度和交聯(lián)度之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了回歸方程[8]。徐燕等采用瀝青作為環(huán)氧樹脂的增韌劑，分析了不同含量瀝青加入到環(huán)氧樹脂后對(duì)其韌性的影響。研究表明當(dāng)瀝青用量較低時(shí)，可以極大地提高環(huán)氧樹脂的沖擊韌性且對(duì)環(huán)氧樹脂的拉伸強(qiáng)度和模量影響較小[9]。

由于配制樹脂瀝青涉及到很多因素，如樹脂含量、固化劑含量、瀝青含量、固化溫度和固化時(shí)間等，因此需要對(duì)這些因素進(jìn)行探究，以求尋找合適的配方以及配制條件。筆者從樹脂瀝青的制備方法出發(fā)，根據(jù)拉拔試驗(yàn)確定其配方以及制備條件，并采用小梁彎曲試驗(yàn)探究了其低溫性能，旨在生產(chǎn)出低溫性能優(yōu)良的樹脂瀝青。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝 青

在選擇瀝青時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件選擇適宜的瀝青。試驗(yàn)旨在配制出一種適合于寒冷地區(qū)的樹脂瀝青，但是由于近年來北方地區(qū)在夏季也會(huì)出現(xiàn)車轍、泛油等病害，因此采用90#瀝青。相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 90#瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of 90# asphalt

1.2 溶 劑

由于樹脂瀝青是一種熱固性材料，在進(jìn)行固化前應(yīng)該避免不可控的加熱行為，因此需要一種稀釋劑將瀝青溶解并能與樹脂在常溫下相溶。溶劑的選擇應(yīng)該符合以下原則：①對(duì)瀝青有較好的溶解能力；②毒性小，對(duì)試驗(yàn)人員的健康危害??；③具有一定的揮發(fā)性；④價(jià)格合適。

因此采用松節(jié)油作為溶劑。松節(jié)油的主要成分為蒎烯，分子式為C10H16，閃點(diǎn)為35 ℃，沸點(diǎn)為154～170 ℃，燃點(diǎn)為253 ℃。在加熱過程中具有較好的安全性。

1.3 樹 脂

樹脂采用中國(guó)石化集團(tuán)巴陵石化公司的CYD-128型環(huán)氧樹脂。相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)列于表2。

表2 環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of epoxy resin

1.4 固化劑

固化劑采用中國(guó)石化集團(tuán)巴陵石化公司的CYDHD-593型固化劑。相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)列于表3。

表3 固化劑技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of curing agent

1.5 增韌劑

增韌劑采用大連金世光電材料有限公司的JHZ-403型增韌劑。相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)列于表4。

表4 增韌劑技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indexes of toughening agent

2 樹脂瀝青的制備與試驗(yàn)方法

通過在瀝青中摻加樹脂和固化劑以及其他外摻劑來提高其高低溫與粘結(jié)等性能，從而提高樹脂瀝青混合料的路用性能。由于樹脂瀝青的熱固性屬性，其具有較好的高溫性能，在此不再進(jìn)行過多研究。因此筆者將通過設(shè)計(jì)正交表制定試驗(yàn)方案，按照一定方法制得質(zhì)量合格的樹脂瀝青，并結(jié)合規(guī)范和常用的低溫試驗(yàn)方法，驗(yàn)證并優(yōu)化制得的樹脂瀝青低溫性能。

2.1 樹脂瀝青的制備

采用基質(zhì)瀝青，一種環(huán)氧樹脂材料，一種固化劑，在一定的固化溫度以及一定的固化時(shí)間內(nèi)進(jìn)行固化反應(yīng)，制備出混合均勻，沒有離析的樹脂瀝青。采用松節(jié)油作為瀝青與樹脂材料之間的相容劑，其與樹脂的比例為1:10(以下簡(jiǎn)稱松節(jié)油用量為10%)。下面列出了具體的樹脂瀝青制備方法：

1)將10%用量的松節(jié)油倒入容器中，并將加熱軟化后的瀝青倒入松節(jié)油中，再放入烘箱進(jìn)行加熱。

2)待瀝青充分溶解后，加入一定量的樹脂，充分?jǐn)嚢柚敝烈后w冷卻至室溫且不再產(chǎn)生大量氣泡。

3)攪拌完成后加入固化劑，并繼續(xù)攪拌。

4)將以上攪拌后的材料進(jìn)行加熱固化，等待一定時(shí)間后即可制備完成所需的樹脂瀝青。

2.2 拉拔試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)的主要過程為將前述尚未固化的樹脂瀝青涂抹于光潔程度一致的鋼板上，再粘貼拉拔頭，待其于一定的溫度下固化一定時(shí)間后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。評(píng)價(jià)鋼板與拉拔頭界面的拉拔強(qiáng)度，間接探究樹脂瀝青的粘結(jié)能力。作為一種便攜式設(shè)備，拉拔儀可以快速高效地評(píng)價(jià)樹脂瀝青的粘結(jié)性能。相較于水煮法等其他評(píng)價(jià)瀝青與集料之間粘附力的試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)更為直觀，也更易于統(tǒng)計(jì)。下面列出了具體的樹脂瀝青拉拔試驗(yàn)方法：

1)按照0.6 kg/m2的涂布量將配制好且尚未固化的樹脂瀝青涂布于鋼板上，放入烘箱之中保溫5分鐘。

2)取出略微固化的樹脂瀝青，將拉拔頭輕輕置于其上，并重新放入烘箱進(jìn)行固化。

3)等待一定的固化時(shí)間后取出樹脂瀝青，待其冷卻至室溫，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)并記錄樹脂瀝青的拉拔強(qiáng)度。

2.3 小梁彎曲試驗(yàn)

通過制備出質(zhì)量合格的樹脂瀝青，澆筑于模具之中，進(jìn)行固化后將試件取出，在小梁試件斷面量取高寬，并在-10 ℃下進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)。結(jié)合MTS810采集的力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到小梁試件的抗彎拉強(qiáng)度以及最大彎拉應(yīng)變，從而求得彎曲勁度模量。

3 樹脂瀝青拉拔強(qiáng)度影響因素分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是以正交表為工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，并從眾多影響因素和影響水平中搭配出各因素各水平出現(xiàn)概率一致的試驗(yàn)。再用統(tǒng)計(jì)分析的方法，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析和方差分析，從而找到一種最佳的搭配，并有效減少試驗(yàn)的次數(shù)，達(dá)到節(jié)約人力、物力和資源的目的[10]。

而樹脂瀝青的主要成分為樹脂、固化劑和瀝青。用作稀釋劑的松節(jié)油在加熱固化的過程中揮發(fā)，不作為樹脂瀝青的有效成分。除了以上幾種因素，固化時(shí)間和固化溫度也會(huì)影響樹脂瀝青的拉拔強(qiáng)度。

試驗(yàn)以固化劑與樹脂比例、瀝青與樹脂比例、固化時(shí)間和固化溫度作為正交試驗(yàn)的影響因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平，結(jié)合試探性試驗(yàn)，確定正交試驗(yàn)表(見表5)，采用四水平四因素的正交表L16(45)，以拉拔強(qiáng)度為考核指標(biāo)，尋找樹脂瀝青最佳配比、最佳固化時(shí)間和固化溫度。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排Table 5 Arrangements of orthogonal test design

3.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行試驗(yàn)后，通過極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2.1 極差分析

樹脂瀝青拉拔強(qiáng)度影響因素極差計(jì)算結(jié)果如表6。

表6 極差分析表Table 6 Range analysis

極差R通常用作分析每個(gè)因素的作用大小。R值大的因素對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響大，R值小的因素對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響小。根據(jù)表6的數(shù)據(jù)可以得到圖1、圖2。

圖1 拉拔強(qiáng)度極差分析值Fig. 1 Range analysis value of pulling strength

圖2 k值與各因素關(guān)系Fig. 2 Relationship between k value and various factors

對(duì)圖1和圖2進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

1)對(duì)拉拔強(qiáng)度影響作用從大到小的順序?yàn)椋汗袒瘎┯昧俊鸀r青用量→固化時(shí)間→固化溫度，但是考慮到試驗(yàn)誤差的存在，前3者影響程度相近。

2)隨著固化劑用量的加大，拉拔強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)超過20%以后幾乎不再增長(zhǎng)，25%用量下的拉拔強(qiáng)度基本與20%用量下的強(qiáng)度持平。

3)隨著瀝青比例的加大，拉拔強(qiáng)度不可避免的減小。顯而易見瀝青比例越少拉拔強(qiáng)度越高，但是為了保證樹脂瀝青的低溫性能，有必要加入一定的瀝青來提高樹脂瀝青的韌性。

4)當(dāng)固化時(shí)間從1 h增加到2 h后，樹脂瀝青的拉拔強(qiáng)度迅速增大，固化時(shí)間超過2 h后，拉拔強(qiáng)度略微增長(zhǎng)。

5)在固化溫度從100 °C提高到140 ℃的過程中，拉拔強(qiáng)度不斷提高，當(dāng)在140 °C附近達(dá)到最高點(diǎn)之后，隨著溫度的進(jìn)一步升高，拉拔強(qiáng)度有所降低，其原因可能是過高的固化溫度下更容易產(chǎn)生大量氣泡從而降低了拉拔頭與鐵板之間的粘結(jié)。

6)單從提高拉拔強(qiáng)度這一角度來說，最佳的組合應(yīng)該是A3B1C2D3，即固化劑用量為20%，瀝青用量為10%，固化時(shí)間為4 h，固化溫度為140 °C。但是為了兼顧樹脂瀝青的低溫性能并考慮實(shí)際工程中的應(yīng)用，還應(yīng)考慮樹脂瀝青加熱的實(shí)際狀況，并結(jié)合后續(xù)的試驗(yàn)來確定最佳的組合。

3.2.2 方差分析

極差分析解釋了各個(gè)因素對(duì)樹脂瀝青拉拔強(qiáng)度的影響，但是該方法也有其不足之處，它并不能將試驗(yàn)誤差所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)與因素水平改變所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)分開。因此，需要引入方差分析來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的波動(dòng)因素并判斷影響因素的顯著性，相關(guān)分析結(jié)果列于表7中。

表7 方差分析Table 7 Variance analysis

注：當(dāng)顯著性小于0.1時(shí)，具有一定的影響。

從方差分析表中可以得到以下結(jié)論：

1)對(duì)拉拔強(qiáng)度影響程度大小排序?yàn)椋汗袒瘎┯昧俊鸀r青用量→固化時(shí)間→固化溫度，這與方差分析中的結(jié)果是完全一致的。

2)固化劑用量對(duì)樹脂瀝青的拉拔強(qiáng)度具有一定的影響，而瀝青比例以及固化時(shí)間對(duì)拉拔強(qiáng)度影響作用類似，固化溫度對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響不是特別顯著。

4 樹脂瀝青的低溫性能

樹脂瀝青由于其熱固性的屬性而具有非常好的高溫性能，但其低溫性能卻有所欠缺，通過摻加不同比例的瀝青以及其他外摻劑如增韌劑來改變其韌性從而達(dá)到改善其低溫性能的目的。

4.1 小梁試件制備

小梁試件制備時(shí)的固化溫度和固化時(shí)間分別為120 ℃和4 h，固化劑用量為20%，松節(jié)油用量為2%，瀝青用量為0%、10%、20%、30%、40%。同時(shí)為了探究增韌劑對(duì)樹脂韌性的影響，還增加了一組對(duì)照組，對(duì)照組中的瀝青用量與前述一致，增韌劑對(duì)樹脂的摻量恒定為5%。除此之外，為了探究瀝青對(duì)樹脂的最大比例，還增加了額外的一組試驗(yàn)，這組試驗(yàn)中瀝青用量分別為50%、100%、200%、300%。為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)用量的小梁試件數(shù)量為3個(gè)。

4.2 樹脂瀝青小梁彎曲試驗(yàn)

在-10 ℃下進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表8。

表8 樹脂瀝青小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of resin asphalt trabecular bending test

4.3 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

此實(shí)驗(yàn)方案從改變?yōu)r青用量和是否加增韌劑來探究樹脂瀝青的低溫性能。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成折線圖并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，同時(shí)求出多項(xiàng)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。

圖3描述了樹脂瀝青小梁試件在-10 ℃下抗彎拉強(qiáng)度隨瀝青用量的增大而產(chǎn)生的變化情況，其抗彎拉強(qiáng)度隨著瀝青用量的增大而減小。加了增韌劑的試件抗彎拉強(qiáng)度相比較未加增韌劑的試件也有一定程度的減小。進(jìn)行多項(xiàng)式擬合后相關(guān)系數(shù)R2超過了0.96，具有比較好的相關(guān)性。但當(dāng)瀝青用量超過40%后，上述的兩個(gè)多項(xiàng)式不具有實(shí)際意義，只能作為參考，抗彎拉強(qiáng)度不可能隨著瀝青含量的增加而減小到零。

圖3 抗彎拉強(qiáng)度Fig. 3 Flexural strength

圖4描述了樹脂瀝青小梁試件在-10 ℃下應(yīng)變隨瀝青含量增大而產(chǎn)生的變化情況。在瀝青用量為40%以內(nèi)時(shí)，應(yīng)變基本保持持平。直到瀝青比例超過40%后，在未加增韌劑的一組試件中應(yīng)變才開始有了增長(zhǎng)。同時(shí)在加了增韌劑之后，應(yīng)變也并沒有出現(xiàn)預(yù)想之中的增大，有些比例下應(yīng)變甚至有所減小。多項(xiàng)式擬合的相關(guān)系數(shù)也不是很高，因此判斷為試驗(yàn)誤差的影響，后續(xù)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。

圖4 應(yīng)變Fig. 4 Strain

圖5描述了樹脂瀝青小梁試件在-10 ℃下勁度模量隨瀝青用量增大而產(chǎn)生的變化情況。隨著瀝青用量的增大，樹脂瀝青小梁試件的勁度模量開始變小，呈現(xiàn)出與抗彎拉強(qiáng)度一致的變化趨勢(shì)。同時(shí)，加了增韌劑的樹脂瀝青小梁試件的勁度模量也小于未加增韌劑的小梁試件。

圖5 勁度模量Fig. 5 Stiffness modulus

5 結(jié) 論

綜合拉拔試驗(yàn)與樹脂瀝青小梁低溫彎曲試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于樹脂瀝青，影響其拉拔強(qiáng)度的因素中，固化劑用量>瀝青用量>固化時(shí)間>固化溫度。

2)在用量為100%以內(nèi)時(shí)，瀝青用量越高，樹脂瀝青的勁度模量越低，意味著瀝青的加入可以提高其低溫性能。

3)增韌劑加入樹脂瀝青后可以進(jìn)一步提高該固化體系的低溫性能。

4)建議制備樹脂瀝青時(shí)的配比為：固化劑用量為20%，瀝青用量為30%，增韌劑用量為5%，松節(jié)油用量為2%。

5)制備樹脂生物瀝青時(shí)的建議固化時(shí)間為4 h，固化溫度為120 ℃。