制備工藝對冷拌環(huán)氧瀝青相容性的影響研究

符 適, 吉澤中, 虞 浩, 王俊彥, 詹 賀

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護有限公司，江蘇 淮安 223005； 2.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

1 概述

現(xiàn)階段鋼橋鋪裝技術主要有：環(huán)氧瀝青鋪裝、澆筑式、瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)[1]和高韌性混凝土鋪裝等[2-3]。其中，環(huán)氧瀝青鋪裝技術以其優(yōu)良的力學特性和耐久性得到越來越多的應用。相比于熱拌環(huán)氧瀝青，冷拌環(huán)氧瀝青可以在常溫施工，具有力學性能優(yōu)良、施工方便、養(yǎng)護時間短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，是一種“綠色、高效”的鋼橋鋪裝技術。

相容性是環(huán)氧瀝青研究中尚未被完全解決的問題。環(huán)氧瀝青中環(huán)氧樹脂和瀝青因兩者極性、溶解度參數(shù)等物理化學性質(zhì)的不同導致兩者相容性很差[4]。當前的研究主要通過添加增容劑法、改性瀝青法和改性固化劑法[5]來提升環(huán)氧樹脂與瀝青之間的相容性。

然而，冷拌環(huán)氧瀝青需要使用大量的有機溶劑溶解瀝青、固化劑等成分，不同的有機溶劑之間往往存在相容性問題。同時，冷拌環(huán)氧瀝青的不同制備工藝會導致不同程度的有機溶劑揮發(fā)，從而影響冷拌環(huán)氧瀝青性能。冷拌環(huán)氧瀝青通常由A(環(huán)氧樹脂等成分)和B(瀝青、固化劑等成分)兩組分組成。單組分的制備工藝和兩組分的混合工藝對環(huán)氧瀝青的相容性和相關力學性能都有影響。許培俊課題組[6-7]研究了不同攪拌速度、不同攪拌溫度、不同攪拌時間對熱拌環(huán)氧瀝青相容性和力學性能的影響，結果表明兩組分最佳混合工藝參數(shù)為：攪拌溫度：170 ℃～190 ℃，攪拌時間：3～5 min，攪拌速率：500 r/min。這表明研究制備工藝對環(huán)氧瀝青性能的影響是必要的。

基于此，本文通過粘度測試、熒光顯微鏡觀察和拉伸試驗來研究不同制備工藝(攪拌溫度、攪拌速率和攪拌時間)對冷拌環(huán)氧瀝青相容性的影響。本文所研究的冷拌環(huán)氧瀝青由A、B兩組分構成，其中A組分由環(huán)氧樹脂及其稀釋劑組成，由于成分較少，并且選用的稀釋劑為環(huán)氧樹脂專用稀釋劑，兩者相容性較好，故本文不考慮A組分的相容性。因此本文的研究對象為：B組分相容性以及兩組分混合物的相容性。

2 試驗材料及測試方法

2.1 試驗材料

冷拌環(huán)氧瀝青由A、B兩組分構成，其中A組分為實驗室自制的環(huán)氧樹脂專用稀釋劑和環(huán)氧樹脂雙酚A二縮水甘油醚(見圖1)。該環(huán)氧樹脂由無錫樹脂廠提供，其性能如下：密度(15 ℃)為1.167 g/cm3，粘度(40 ℃)為1.60 Pa·s，閃點280 ℃,環(huán)氧值0.48～0.54當量/100 g，有機氯值0.02當量/100 g,含水率0.02%，外觀為無色透明粘稠液體。B組分由70號基質(zhì)瀝青(南通通沙瀝青科技有限公司產(chǎn)，見表1)、自制瀝青專用稀釋劑、環(huán)氧大豆油、聚酰胺類固化劑、自制固化劑專用稀釋劑、消泡劑組成。

圖1 環(huán)氧樹脂結構式

表1 70號基質(zhì)瀝青的性能Table1 Performanceof70#baseasphalt性能密度(15℃)/(g·cm-3)針入度(25℃)/(0.1mm)軟化點/℃延度(25℃)/cm溶解度(三氯乙烯)/%PG分級值1.03263.247.8>10099.8PG64-22測試方法ASTMD70ASTMD5ASTMD36ASTMD113ASTMD2042ASTMD946

2.2 相容性評價方法

當前對于環(huán)氧瀝青相容性的研究集中于混合物的相容性評價，主要方法有熒光顯微鏡觀察法、粘度測試法、力學性能測試法、Tg測試法和離析試驗法等[8-11]。綜合考慮試驗的可靠性和操作性，本文主要采用前3種方法。

2.2.1粘度測試

B組分的25 ℃粘度及混合物的容留時間(25 ℃下環(huán)氧瀝青布氏粘度達到3 Pa·s的時間)均通過布氏粘度儀測試獲得。本試驗參照JTG E20-2011中的T0625-2011進行，采用S27轉(zhuǎn)子，在50 r/min條件下進行測試。每個樣品進行3次測試，以這3次數(shù)據(jù)的平均值作為最終結果。

2.2.2熒光顯微鏡測試

B組分及混合物25 ℃下的微觀形貌通過熒光顯微鏡獲得。具體步驟為：B組分及混合物制備完成后，取少量樣品放置在載玻片上，并蓋上蓋玻片，采用100倍放大倍數(shù)觀察。

2.2.3力學性能測試

混合物25 ℃下的力學性能通過拉伸試驗獲取拉伸強度和斷裂伸長率獲得。本試驗參照《鋼橋面鋪裝冷拌樹脂瀝青》(JT/T1131—2017)，采用萬能試驗機對冷拌環(huán)氧瀝青的啞鈴型試件進行試驗。測試溫度為25 ℃，加載速率為10 mm/min，取5個有效數(shù)據(jù)的平均值作為最終結果。

綜上所述，冷拌環(huán)氧瀝青相容性的評價方法如表2所示。

表2 冷拌環(huán)氧瀝青相容性的評價方法Table2 Evaluationmethodofcompatibilityofcoldmixepoxyasphalt樣品方法指標(25℃)B組分粘度測試法粘度熒光顯微鏡觀察法觀察分散狀態(tài)粘度測試法容留時間混合物熒光顯微鏡觀察法觀察分散狀態(tài)力學性能測試法斷裂伸長率和拉伸強度

2.3 冷拌環(huán)氧瀝青的制備及試驗方案

2.3.1A組分

A組分將環(huán)氧樹脂和自制稀釋劑按質(zhì)量比例100∶20混合，在室溫下以500 r/min攪拌30 min即可。本文不考慮A組分的相容性。

2.3.2B組分

首先，B組分將各成分按比例混合后，分別在60 ℃、80 ℃、100 ℃下以500 r/min的速度攪拌30 min，得到不同攪拌溫度下的B組分樣品，測試樣品在25 ℃下的布氏粘度，并進行熒光顯微鏡觀察，確定最佳攪拌溫度。其次，在確定的最佳攪拌溫度下，以500 r/min的速度攪拌30、60、90 min，得到不同攪拌時間下的B組分樣品，重復上述性能測試，確定最佳攪拌時間。最后，在確定的最佳攪拌溫度和攪拌速度下，以500、1 000、1 500 r/min的速度攪拌，得到不同攪拌時間下的B組分樣品，重復上述性能測試，確定最佳攪拌時間。

2.3.3混合物

首先，將A、B兩組分各按環(huán)氧樹脂∶瀝青=100∶70(質(zhì)量比)混合后，分別在10 ℃、20 ℃、40 ℃下以500 r/min的速度攪拌5 min，得到不同攪拌溫度下的兩組分混合物的樣品，測試樣品在25 ℃下的容留時間，進行熒光顯微鏡觀察，并制備啞鈴試件，測試力學性能，確定最佳攪拌溫度。其次，在確定的最佳攪拌溫度下，以500 r/min的速度攪拌1、3、5 min，得到不同攪拌時間下的兩組分混合物的樣品，重復上述性能測試，確定最佳攪拌時間。最后，在確定的最佳攪拌溫度和攪拌速度下，以500、1 000、1 500 r/min的速度攪拌，得到不同攪拌速率下的兩組分混合物的樣品，重復上述性能測試，確定最佳攪拌速率。固化條件為：25 ℃下24 h+60 ℃下48 h。

3 結果與分析

3.1 制備工藝對B組分相容性影響

本部分采用粘度測試法和熒光顯微鏡觀察法來研究攪拌溫度、攪拌時間、攪拌速率對B組分相容性的影響。試驗結果如表3所示，從攪拌溫度來看，隨著溫度的增加，B組分的粘度不斷增大，其中60 ℃下粘度最小，為2.53 Pa·s，100 ℃下粘度為6.72 Pa·s,是80 ℃下的2倍以上，B組分體現(xiàn)出很差的流動性。結合圖2(a)～(c)可以看出，圖中黑色顆粒為瀝青，隨著攪拌溫度的提高瀝青顆粒逐漸增多，顆粒直徑變大，100 ℃下各顆粒直徑差別較大，說明B組分中瀝青顆粒與其他成分相容性不佳，這可能是高溫下瀝青專用稀釋劑揮發(fā)的結果。而80 ℃下顆粒直徑相近，相容性較好。綜合粘度和熒光顯微鏡的結果，可以認為80 ℃是適宜的攪拌溫度。

從攪拌時間來看，隨著攪拌時間的增長，B組分的粘度快速增長，攪拌60 min時的粘度為5.76 Pa·s，是攪拌30 min組粘度的近2倍；攪拌90 min時的粘度為11.2 Pa·s，是攪拌30 min組粘度的3倍以上，B組分體現(xiàn)出很差的流動性。結合圖2(b)、(d)、(e)，可以發(fā)現(xiàn)隨著攪拌時間的增長大部分瀝青顆粒的直徑呈現(xiàn)先變小再變大的趨勢，這表明適當延長攪拌時間，可以使瀝青分散更均勻，體現(xiàn)出更好的相容性。綜合粘度和熒光顯微鏡的結果，可以認為30 min是適宜的攪拌時間。

從攪拌速率來看，隨著攪拌速率的增大，B組分粘度呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，攪拌速度1 000和1 500 r/min組下的粘度分別為4.51和4.091 Pa·s，粘度最大增幅為36%，與攪拌溫度和攪拌時間控制組相比,明顯減小，說明攪拌速率對于B組分的粘度影響相對較小。結合圖2(b)、(f)、(g)，可以發(fā)現(xiàn)隨著攪拌速率的增大，瀝青顆粒的直徑呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，其中1 000 r/min下瀝青顆粒最小且分散最為均勻，但是粘度是最大的，這是因為快速的攪拌以利于瀝青顆粒的分散，然而同時加速了瀝青稀釋劑的揮發(fā)。綜合粘度和熒光顯微鏡的結果，可以認為500 r/min是適宜的攪拌速率。

表3 制備工藝對B組分相容性的影響Table3 EffectofpreparationprocessoncompatibilityofBcomponent序號攪拌溫度/℃攪拌時間/min攪拌速率/(r·min-1)粘度(25℃)/(Pa·s)160305002.530280305003.3203100305006.720480605005.7605809050011.2006803010004.5107803015004.091

圖2 不同工藝下B組分的微觀形貌：

由于現(xiàn)場施工中更加注重施工和易性，即要求B組分應該具有較小的粘度，因此對制備工藝進行研究時，首先考察粘度數(shù)值，再結合FM考察分散特性。綜合上述攪拌溫度、攪拌時間、攪拌速率的結果，確定B組分的最佳制備工藝為：將B組分各成分按比例混合后，在60 ℃下以500 r/min的速度攪拌30 min即可。

3.2 制備工藝對混合物相容性的影響

3.2.1容留時間及微觀形貌分析

不同制備工藝下混合物的容留時間和微觀形貌試驗結果可以進行聯(lián)合分析，見表4。從攪拌溫度來看，隨著溫度的增加，兩組分的容留時間不斷增大，其中40 ℃容留時間最小，為25 min，比20 ℃少了20 min以上，表現(xiàn)出較差的相容性。結合圖3(a)～(c)可以看出，圖中黑色顆粒為瀝青，隨著攪拌溫度的提高瀝青顆粒逐漸增多，顆粒直徑變大，40 ℃各顆粒直徑差別較大，說明兩組分中瀝青顆粒與其他成分相容性不佳，這是高溫下瀝青專用稀釋劑揮發(fā)的結果。而20 ℃顆粒直徑相近，相容性較好。綜合粘度和熒光顯微鏡的結果，可以認為20 ℃是適宜的攪拌溫度。

從攪拌時間來看，隨著攪拌時間的增長兩組分的容留時間逐漸增長，攪拌5 min的容留時間為58 min，比攪拌1 min組的容留時間長15 min，而攪拌3 min的容留時間為55 min，與攪拌5 min的組相當。結合圖3(b)、(d)、(e)，可以發(fā)現(xiàn)隨著攪拌時間的增長大部分瀝青顆粒的直徑呈現(xiàn)先變大再變小的趨勢，這表明過長或過短的攪拌時間都會使瀝青顆粒不能很好地分散。綜合粘度和熒光顯微鏡的結果，可以認為3 min是適宜的攪拌時間。

表4 制備工藝對混合物相容性的影響Table4 Effectofpreparationprocessoncompatibilityofmixture序號攪拌溫度/℃攪拌時間/min攪拌速率/(r·min-1)容留時間(25℃)/min11055004622055005834055003542015004352035005562031000577203150051

從攪拌速率來看，隨著攪拌速率的增大兩組分的容留時間呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，攪拌速度1 000和1 500 r/min組下的容留時間分別為57和51 min，說明攪拌速率對于B組分的粘度影響相對較小。結合圖3(b)、(f)、(g)，可以發(fā)現(xiàn)隨著攪拌速率的增大，瀝青顆粒的直徑呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，其中1 000 r/min下瀝青顆粒最小且分散最為均勻，但是粘度是最大的，這是因為快速的攪拌雖然有利于瀝青顆粒的分散，但同時加速了瀝青稀釋劑的揮發(fā)。綜合粘度和熒光顯微鏡的結果，可以認為500 r/min是適宜的攪拌速率。

綜合粘度測試及微觀形貌結果分析結果可得：20 ℃下以500 r/min攪拌3 min是比較適宜的兩組分攪拌工藝，有利于達到混合物最大的相容性。

3.2.2固化物力學性能分析

不同攪拌工藝下制備的冷拌環(huán)氧瀝青混合物固化后產(chǎn)物通過拉伸試驗來進行力學性能分析。各組樣品分別編號：(I)10 ℃-500 r/min-5 min，(II)20 ℃-500 r/min-5 min，(III)40 ℃-500 r/min-5 min，(IV)20 ℃-500 r/min-1 min，(V)20 ℃-500 r/min-3 min，(VI)20 ℃-1 000 r/min-3 min，(VII)20 ℃-1 500 r/min-3 min，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同攪拌工藝下混合物的力學性能

由圖4(a)可以看出，隨著攪拌溫度的升高，固化物的拉伸強度整體呈現(xiàn)下降的趨勢，20 ℃攪拌的拉伸強度比10 ℃低了14.1%，與40 ℃組的拉伸強度相差約3%。同時，斷裂伸長率則呈現(xiàn)出與拉伸強度相反的趨勢，其中20 ℃組斷裂伸長率為53.4%，40 ℃組為54.7%，兩者僅相差1.3%。

由圖4(b)可以看出，隨著攪拌時間的增加，固化物的拉伸強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，5 min組比1 min組拉伸強度高出30%，這是由于混合物在1 min時攪拌不均勻，相容性較差導致的。同時，斷裂伸長率卻呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢，5 min組的斷裂伸長率比3 min組小43.1%，這說明攪拌時間過長也不利于改善混合物的相容性。

由圖4(c)可以看出，隨著攪拌速率的增加，固化物的拉伸強度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但總體變化不大。拉伸強度最大值為500 r/min組，比最小值1 500 r/min組僅大7.3%。這說明攪拌速率對于固化物的拉伸強度影響不大。另一方面，斷裂伸長率呈現(xiàn)與拉伸強度相反的趨勢，最大值為1 500 r/min組，比最小值500 r/min組大約16.2%。

綜合力學性能測試結果可得：20 ℃下以500 r/min攪拌3 min是比較適宜的兩組分攪拌工藝，有利于達到混合物最大的相容性。

4 結論

本文通過粘度測試、熒光顯微鏡觀察和拉伸試驗來研究不同制備工藝對冷拌環(huán)氧瀝青相容性的影響。主要結論如下：

a.攪拌溫度和攪拌時間對B組分的粘度和瀝青的分散特性影響較大。隨著溫度和時間的增加，B組分的粘度不斷增大，瀝青顆粒的直徑逐漸增大，分散性變得不均勻。

b.攪拌溫度和攪拌時間對兩組分混合物的容留時間和微觀形貌影響較大，同時對冷拌環(huán)氧瀝青固化物的力學性能也影響較大。隨著溫度和時間的增加，兩組分的容留時間、瀝青顆粒的直徑逐漸增大，分散性變得不均勻。固化物的拉伸強度與斷裂伸長率隨攪拌溫度和時間的增大，分別呈現(xiàn)不同的趨勢。

c.B組分的最佳制備工藝為將各成分按比例混合后，在60 ℃下以500 r/min的速度攪拌30 min。兩組分攪拌的最佳工藝為將A、B兩組分各按比例混合后，在20 ℃下以500 r/min的速度攪拌3 min。