溫拌環(huán)氧瀝青固化特征研究

孟利強

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

環(huán)氧瀝青是一種由基質(zhì)瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑以及其他外摻劑經(jīng)過化學反應(yīng)形成的一種熱固性材料。根據(jù)施工溫度不同可將環(huán)氧瀝青分為冷拌環(huán)氧瀝青（水性環(huán)氧乳化瀝青）、溫拌環(huán)氧瀝青及熱拌環(huán)氧瀝青[1]。與冷拌環(huán)氧瀝青相比，溫拌環(huán)氧瀝青等待破乳時間，瀝青黏度成長較快，路面開放時間較早；與熱拌環(huán)氧瀝青相比，溫拌環(huán)氧瀝青施工過程能耗可降低30%以上[2]，且容留時間較長。因此，溫拌環(huán)氧瀝青得到廣泛關(guān)注。

根據(jù)已有的研究成果，溫拌環(huán)氧瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能，在橋面鋪裝、“白改黑”等多種鋪面結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[3]，但其仍然面臨一些基礎(chǔ)問題。固化特征是環(huán)氧瀝青的本質(zhì)屬性，其區(qū)別于傳統(tǒng)的熱塑型瀝青，掌握溫拌環(huán)氧瀝青固化特征可以指導其工程應(yīng)用?；诖?，該文在不同加熱溫度、剪切速度及組分比例條件下制備溫拌環(huán)氧瀝青并進行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗，以瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度為指標分析其固化行為規(guī)律，并建立其布什黏度預(yù)估模型，以期為溫拌環(huán)氧瀝青路面的設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。

1 原材料

該研究所采用的國產(chǎn)溫拌環(huán)氧瀝青由雙組分混合制備，其中A 組分為環(huán)氧樹脂，經(jīng)測試其技術(shù)指標列于表1，B 組分為基質(zhì)瀝青、固化劑與外摻劑組成的混合物，其技術(shù)指標見表2。A 組分與B 組分完全固化后生成的溫拌環(huán)氧瀝青技術(shù)指標見表3。

表1 A 組分技術(shù)指標

表2 B 組分技術(shù)指標

表3 試驗方案

表3 溫拌環(huán)氧瀝青技術(shù)指標

2 試驗方法

2.1 試驗方案

根據(jù)已有的研究成果，環(huán)氧瀝青的固化過程是環(huán)氧樹脂與固化劑不斷發(fā)生化學反應(yīng)的過程[4]。不難推測，該固化過程受到試驗溫度、剪切速度、剪切時間以及A、B 組分比例的影響，因此制定的試驗方案進行溫拌環(huán)氧瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗，見表3。

2.2 試驗儀器

該研究試驗所用儀器為上海昌吉布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀NDJ-1D，其主要技術(shù)參數(shù)如下。1） 測量范圍：1×102mPa·s～2×106mPa·s。2）轉(zhuǎn)子規(guī)格：1、27、28、29 號四種轉(zhuǎn)子。3）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：0.5r/min、1r/min、2r/min、5r/min、10r/min、20r/min、50r/min 七檔。4）控溫范圍：20℃～200℃。5）控溫精度：±0.1℃；6）盛樣筒容積：20mL。

2.3 試驗步驟

該研究溫拌環(huán)氧瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗步驟如下（以方案①為例），試驗過程示意圖如圖1 所示。1） 以mA ∶mB=1 ∶5（質(zhì)量比）稱取A 組分與B 組分相應(yīng)質(zhì)量并分裝至盛樣容器中，同時將轉(zhuǎn)子和盛樣筒一起置于烘箱中加熱至110℃保溫60 min 備用。2）設(shè)定布氏旋轉(zhuǎn)黏度測試儀溫度控制系統(tǒng)為110℃，根據(jù)估計的環(huán)氧瀝青黏度選擇轉(zhuǎn)子。3）調(diào)整布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀水平水準器氣泡處于居中狀態(tài)。4）從烘箱中取出轉(zhuǎn)子和盛樣筒，分別安裝到黏度計上：首先，用鉗子把盛樣筒放置到加熱器內(nèi)孔中，然后將選定的轉(zhuǎn)子、連接鉤及過渡螺桿按次序連好，將轉(zhuǎn)子放入盛樣筒。5）向黏度測試儀的盛樣筒中添加步驟（1）中準備好的環(huán)氧瀝青A 組分與B 組分。6）調(diào)節(jié)黏度測試儀高度，使轉(zhuǎn)子插進盛樣筒的環(huán)氧瀝青液面中，轉(zhuǎn)子應(yīng)完全沒入但不接觸盛樣筒底部。7）啟動布旋轉(zhuǎn)黏度儀，轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min，觀察讀數(shù)，扭矩讀數(shù)應(yīng)在10%～98%，不在該范圍時應(yīng)更換轉(zhuǎn)子。8）每隔5 min 觀測并記錄環(huán)氧瀝青旋轉(zhuǎn)黏度值，測試總時長達到2 h 后停止試驗。

圖1 試驗過程示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 加熱溫度的影響

不同加熱溫度下溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度隨時間變化曲線如圖2 所示?？梢钥吹?，溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨時間的延長而持續(xù)增大，增長速率先變大后變小，且在60 min 附近增長速率達到最大值，溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨時間變化呈現(xiàn)“S”形增長曲線。這是因為環(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生化學反應(yīng)穿插于基質(zhì)瀝青中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5]，使瀝青短時間內(nèi)黏度迅速升高；隨著固化反應(yīng)的持續(xù)進行，環(huán)氧樹脂與固化劑含量減少、濃度降低，瀝青的黏度增長速度減緩。

此外，可以觀察到加熱溫度對溫拌環(huán)氧瀝青黏度的成長作用顯著，隨著加熱溫度升高，溫拌環(huán)氧瀝青黏度及其增長速率大幅提升，當反應(yīng)60 min 時，溫拌環(huán)氧瀝青黏度及其增長速率分別增加1.1、4.3 倍。這是因為溫度越高，環(huán)氧樹脂與固化劑分子運動越劇烈，提高了固化反應(yīng)速度以及瀝青黏度。在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際條件（例如運輸距離、交通管制等）選擇適當加熱溫度以便更好地控制溫拌環(huán)氧瀝青混合料的拌合、攤鋪與壓實工作。

3.2 剪切速度的影響

不同剪切速度下溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度隨時間的變化曲線如圖3 所示?？梢钥吹剑羟兴俣葘匕璀h(huán)氧瀝青的黏度有重要影響。一方面，當剪切速度較低時，溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長率先增大后變小，當剪切速度較高時，其黏度增長率持續(xù)變小。另一方面，隨著剪切速度增加，溫拌環(huán)氧瀝青黏度仍然隨反應(yīng)時間的增加而升高，但黏度增長值和增長速率反而逐漸降低，當剪切時間為60 min 時，溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長率降低了約15%。這主要是由于固化反應(yīng)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)尚未穩(wěn)定，在較大的剪切力作用下部分結(jié)構(gòu)受到破壞，從而使瀝青黏度增長變緩。因此，為了充分利用溫拌環(huán)氧瀝青的強度特性，在制備過程中剪切速度不宜過高。

圖3 不同剪切速度環(huán)氧瀝青布氏黏度變化曲線

3.3 組分比的影響

不同A、B 組分質(zhì)量比條件下溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度隨時間的變化曲線如圖3 所示。從圖中可以觀察到，當A、B組分質(zhì)量比由1 ∶5 降至1 ∶10 后，雖然溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長趨勢沒有顯著改變，但是在相同時刻其布氏黏度值明顯降低，且增長速率較早進入緩慢階段。這主要是由于固化劑含量降低，環(huán)氧樹脂未能全部與固化劑發(fā)生化學反應(yīng)，進而影響三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完整性與致密性。因此，應(yīng)根據(jù)溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長規(guī)律調(diào)整合適的A 組分與B 組分的質(zhì)量比例，避免浪費溫拌環(huán)氧瀝青組成材料。

3.4 黏度預(yù)估模型

由上述試驗結(jié)果可知，溫拌環(huán)氧瀝青的黏度受到反應(yīng)時間、加熱溫度、剪切速度以及組分比的影響，這直接導致溫拌環(huán)氧瀝青混合料的施工質(zhì)量控制較為困難[6]。因此，將溫拌環(huán)氧瀝青應(yīng)用于工程實踐中，有必要建立其黏度預(yù)估模型。

根據(jù)溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度增長規(guī)律特征，可參考Sigmodal 函數(shù)[7]建立其黏度預(yù)估模型，經(jīng)修正后該模型如公式（1）所示。

式中：η為溫拌環(huán)氧瀝青布氏黏度，Pa·s；t為反應(yīng)時間，min；δ、α、β為回歸系數(shù)。

采用1stOpt 數(shù)據(jù)處理軟件對不同試驗條件下溫拌環(huán)氧瀝青黏度進行數(shù)值擬合，經(jīng)非線性回歸分析得到結(jié)果如圖4和表4 所示。

圖4 溫拌環(huán)氧瀝青黏度擬合曲線

表4 溫拌環(huán)氧瀝青黏度模型擬合參數(shù)

從圖4 和表4 可以看出，該修正模型預(yù)測溫拌環(huán)氧瀝黏度值與實際測量值十分接近，擬合精度達到0.990 以上，說明該模型在溫拌環(huán)氧瀝青工程應(yīng)用中可靠性良好。同時，根據(jù)該模型可以推測任意時刻溫拌環(huán)氧瀝青黏度大小，進而計算其容留時間，從而為溫拌環(huán)氧瀝青路面的鋪筑提供理論指導。

3.5 施工容留時間

我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）采用瀝青在（0.28±0.03） Pa·s 對應(yīng)的加熱溫度作為瀝青混合料的壓實溫度[8]，這對溫拌環(huán)氧瀝青隨時間不斷增長的黏度特性是不合理的。已有的研究結(jié)果表明，不同類型環(huán)氧瀝青其施工黏度控制標準不同[9]，但整體上推薦環(huán)氧瀝青的施工黏度下限為1.0 Pa·s，并將其對應(yīng)的黏度成長時間作為環(huán)氧瀝青施工容留時間。

基于此，該研究以1.0 Pa·s 作為溫拌環(huán)氧瀝青目標黏度，結(jié)合上述黏度預(yù)估模型擬合結(jié)果，可以得到方案①～方案④所需時間分別為45 min、24 min、70 min 以及80 min。進一步分析可知，當反應(yīng)溫度從110 ℃升至130 ℃時，溫拌環(huán)氧瀝青施工容留時間減少近46.7%，但在2 h 內(nèi)其黏度最大值增大了66.9%，這說明在允許容留時間內(nèi)，適當增加溫度可以使溫拌環(huán)氧瀝青路面強度成型。當剪切速率從20 r/min 升至50 r/min 時，溫拌環(huán)氧瀝青施工容留時間增加55.6%，但其黏度最大值卻降低了約72.4%；當A 組分與B 組分質(zhì)量比由1 ∶5 降至1 ∶10 后，溫拌環(huán)氧瀝青施工容留時間增加77.8%，但其黏度最大值卻降低約33.7%。再次表明過大的剪切速率及較低的A、B 組分比并不能充分發(fā)揮溫拌環(huán)氧瀝青的強度優(yōu)勢。

4 結(jié)語

該文對溫拌環(huán)氧瀝青在不同加熱溫度、剪切速度及組分質(zhì)量比條件下進行布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗，以黏度為表征指標分析其固化特征，得到以下4 個結(jié)論：1）溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨時間呈現(xiàn)“S”形增長關(guān)系，溫度越高，其黏度增長越快，固化反應(yīng)速度越快。2）溫拌環(huán)氧瀝青黏度隨剪切速度的增加而降低，這主要是由于剪切速度過大會破壞部分固化反應(yīng)所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。3）縮減溫拌環(huán)氧瀝青A 組分與B 組分質(zhì)量比會顯著降低其黏度值及增長速率，應(yīng)根據(jù)溫拌環(huán)氧瀝青黏度增長規(guī)律調(diào)配合適材料組成比例。4）基于Sigmodal 函數(shù)建立的溫拌環(huán)氧瀝青黏度模型可以較為準確地反映和預(yù)測其黏度隨時間的增長規(guī)律，從而為溫拌環(huán)氧瀝青的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導。