粉煤灰改性環(huán)氧瀝青膠漿性能增強(qiáng)試驗(yàn)研究

周嘉博

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

環(huán)氧瀝青混凝土是一種具備優(yōu)異性能的鋼橋面鋪裝材料，具有強(qiáng)度高、抗疲勞、結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)效果好、抗燃料侵蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，較多應(yīng)用于大跨徑鋼橋橋面鋪裝，但鋼橋面板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及日益增長(zhǎng)的重載交通對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的變形，抗疲勞性能提出更高的要求，上述性能有待進(jìn)一步提高[1]。瀝青混合料中的瀝青膠漿由填料和基質(zhì)瀝青構(gòu)成，其強(qiáng)度是瀝青混合料性能的基礎(chǔ)[2]，填料則是形成瀝青膠漿強(qiáng)度，保證混合料中各組分粘結(jié)的重要因素[3]。環(huán)氧瀝青混凝土同樣是由環(huán)氧瀝青膠漿和集料構(gòu)成的復(fù)合材料體系，通過(guò)摻加改性填料的途徑研究增強(qiáng)環(huán)氧瀝青混凝土強(qiáng)度和抗疲勞耐久性具備一定的可行性。

目前關(guān)于利用填料進(jìn)行瀝青混合料性能改善已開展了大量研究，用于改性的填料包括水泥、石灰、粉煤灰、硅藻土、各類纖維材料等。此類研究的結(jié)果顯示相比傳統(tǒng)的石灰?guī)r礦粉，改性填料的加入可提升瀝青混合料的性能。田耀剛等改進(jìn)水煮法、光電比色法和表面能法研究了水泥、粉煤灰以及水泥混凝土再生粉等體積取代礦粉對(duì)瀝青膠漿/集料黏附性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明幾種填料對(duì)瀝青膠漿的粘附性有不同程度的改性作用[4]。鄒桂蓮等采用流變學(xué)方法定量研究填料對(duì)瀝青膠漿性能的影響，所用填料包括礦粉、水泥和纖維.結(jié)果表明：填料能夠明顯提高瀝青膠漿的高溫性能及抗疲勞因子，但不同填料的影響程度不同[5]。覃瀟等通過(guò)改變玄武巖纖維規(guī)格與摻量，研究了玄武巖纖維瀝青膠漿抗剪性能、抗裂性能及高溫流變性能的變化規(guī)律，并借助掃描電鏡（SEM）對(duì)進(jìn)行機(jī)理性分析分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻加大幅提高瀝青膠漿的拉伸強(qiáng)度和高溫流變特性，且纖維在膠漿中形成的微觀結(jié)構(gòu)可對(duì)混合料穩(wěn)定性起增強(qiáng)作用[6]。目前關(guān)于利用填料對(duì)環(huán)氧瀝青材料進(jìn)行改性的研究較少。

1 材料與試驗(yàn)方案

1.1 環(huán)氧瀝青

采用的環(huán)氧樹脂主劑及固化劑性能如表1 所示，主劑及固化劑的配比為56:44，采用的瀝青為道路石油瀝青A-70 基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)如表2 所示，環(huán)氧瀝青的配比為混合料樹脂:瀝青=1:1。

表1 環(huán)氧樹脂主劑及固化劑性能指標(biāo)

表2 A-70 基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果

1.2 填料

選用石灰石礦粉、Ⅰ級(jí)粉煤灰、Ⅱ級(jí)粉煤灰三種填料制備環(huán)氧瀝青混合料。石灰石礦粉是瀝青路面建設(shè)的常用填料。粉煤灰是燃煤電廠燃燒發(fā)電的副產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行資源化利用，在有效降低建設(shè)成本的同時(shí)，可緩解粉煤灰對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害。

1.3 環(huán)氧瀝青膠漿

1.3.1 環(huán)氧瀝青膠漿制備

為保證填料的拌合均勻，同時(shí)探究粉膠比的影響，通過(guò)制備粉膠比為 0.1、0.2、0.3、0.4 的環(huán)氧瀝青膠漿試件，進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)研究。先將基質(zhì)瀝青及環(huán)氧樹脂主劑、固化劑分別在160℃及60℃烘箱中預(yù)熱保溫，同時(shí)將填料在180℃烘箱中放置至少4h。首先在燒杯中稱取適量基質(zhì)瀝青并置于160℃的油浴環(huán)境，并用高速剪切攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌；將環(huán)氧樹脂主劑與固化劑按56:44 的質(zhì)量比在燒杯中混合，用玻璃棒攪拌3min，再利用攪拌機(jī)機(jī)將混合樹脂與基質(zhì)瀝青按質(zhì)量1:1 的比例混合攪拌3min，最后把填料加入環(huán)氧瀝青中攪拌均勻。將混合物膠漿澆模成型試件，先置于160℃烘箱保溫30min，然后在60℃烘箱中養(yǎng)生4d 后進(jìn)行膠漿性能測(cè)試試驗(yàn)。

1.3.2 環(huán)氧瀝青膠漿性能試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)可測(cè)試環(huán)氧瀝青膠漿的強(qiáng)度和變形能力。環(huán)氧瀝青膠漿拉伸試驗(yàn)依據(jù)ASTMD638 試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為23℃，加載速率為500mm/min，利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)計(jì)算得出環(huán)氧瀝青膠漿的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率。

根據(jù)規(guī)范ASTM D7175，采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)對(duì)環(huán)氧瀝青膠漿的流變性能進(jìn)行測(cè)試，利用復(fù)數(shù)剪切模量（G*）和相位角（δ）評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青膠漿在特定溫度下的粘彈性能。由于環(huán)氧瀝青膠漿的粘度較高，無(wú)法利用常規(guī)瀝青膠漿膜狀試件進(jìn)行測(cè)試，需將膠漿制成小梁試件，將環(huán)氧瀝青膠漿澆入10mm×10mm×50mm 的模具中成型相應(yīng)尺寸的小梁試件。鋼橋面鋪裝實(shí)際使用時(shí)夏季高溫鋪裝層表面溫度可達(dá)60℃左右，頻率掃描所采用的試驗(yàn)溫度為60℃；試驗(yàn)頻率范圍選擇0.1～10Hz，可較好地模擬路面實(shí)際使用受力情況。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變水平為0.1%。

2 結(jié)果與討論

環(huán)氧瀝青膠漿的性能在拉伸和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)中表現(xiàn)如下。

2.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)填料對(duì)環(huán)氧瀝青膠漿的增強(qiáng)作用，填料與環(huán)氧瀝青的結(jié)合效果越好，膠漿的拉伸強(qiáng)度越高。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。結(jié)果顯示隨著粉膠比增大，膠漿抗拉強(qiáng)度上升，斷裂延伸率下降。當(dāng)粉膠比為0.4 時(shí)，Ⅰ級(jí)粉煤灰膠漿的拉伸強(qiáng)度相比環(huán)氧瀝青提高了48.1%，Ⅱ級(jí)粉煤灰膠漿提高了26.1%，石灰石礦粉提高了12.2%；斷裂延伸率則依次降低了65.5%、56.4%、20.9%。即增強(qiáng)效果顯著程度順序?yàn)棰窦?jí)粉煤灰、Ⅱ級(jí)粉煤灰、礦粉，膠漿強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與上述順序相同。

圖1 環(huán)氧瀝青膠漿拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

環(huán)氧瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果中，G*為最大剪應(yīng)力（τmax）和最大剪應(yīng)變（γmax）的比值，δ 為施加的應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)變的時(shí)間滯后。當(dāng)δ 為0 時(shí)，反應(yīng)材料為彈性；當(dāng)δ 接近90°時(shí)，材料為粘性。瀝青材料一般應(yīng)具有較高的G*值和較低的δ 值。DSR 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，顯示不同填料對(duì)環(huán)氧瀝青膠漿流變性能的增強(qiáng)效果具有一定差異，加入填料可以使材料的G*顯著提高，同時(shí)材料的δ 有所下降。環(huán)氧瀝青膠漿G*的大小順序?yàn)棰窦?jí)粉煤灰、Ⅱ級(jí)粉煤灰、石灰?guī)r礦粉；δ 的大小順序?yàn)槭規(guī)r礦粉、Ⅱ級(jí)粉煤灰、Ⅰ級(jí)粉煤灰，呈現(xiàn)出的增強(qiáng)規(guī)律與拉伸試驗(yàn)結(jié)果順序基本一致。且隨著粉膠比增大，各曲線的間距變大，即摻加不同填料的環(huán)氧瀝青膠漿的性能差距變大。

圖2 環(huán)氧瀝青膠漿DSR 試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高鋪裝材料的抗疲勞耐久性，通過(guò)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)粉煤灰對(duì)環(huán)氧瀝青瀝青混合料的改性作用，本文開展了系統(tǒng)試驗(yàn)研究。針對(duì)顆粒填料用量及特性對(duì)環(huán)氧瀝青膠漿力學(xué)性能影響，主要結(jié)論如下。

（1）填料可有效提高環(huán)氧瀝青膠漿的拉伸強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)降低環(huán)氧瀝青膠漿的斷裂延伸率，作用效果與填料的用量成正相關(guān)。

（2）填料對(duì)環(huán)氧瀝青膠漿的流變性能有一定的增強(qiáng)效果，且隨粉膠比的增大，增強(qiáng)效果約明顯。

（3）對(duì)環(huán)氧瀝青膠漿增韌改性效果呈現(xiàn)出Ⅰ級(jí)粉煤灰＞Ⅱ級(jí)粉煤灰＞礦粉的規(guī)律。

對(duì)于粉煤灰在環(huán)氧瀝青混凝土中的應(yīng)用開展試驗(yàn)研究，仍可從以下方面進(jìn)行深入的探索：粉煤灰作為改性劑按較少的劑量摻入環(huán)氧瀝青混合料中的效果；探求填料微觀作用機(jī)理進(jìn)行量化分析的手段，完善對(duì)應(yīng)的機(jī)理性分析；開展粉煤灰改性增強(qiáng)環(huán)氧瀝青混合料的工程試用研究，評(píng)價(jià)增強(qiáng)環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝實(shí)際工程性能表現(xiàn)等。