制备工艺对冷拌环氧沥青相容性的影响研究

符 适, 吉泽中, 虞 浩, 王俊彦, 詹 贺

(1.江苏高速公路工程养护有限公司，江苏 淮安 223005； 2.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

1 概述

现阶段钢桥铺装技术主要有：环氧沥青铺装、浇筑式、沥青玛蹄脂碎石(SMA)[1]和高韧性混凝土铺装等[2-3]。其中，环氧沥青铺装技术以其优良的力学特性和耐久性得到越来越多的应用。相比于热拌环氧沥青，冷拌环氧沥青可以在常温施工，具有力学性能优良、施工方便、养护时间短、节能环保等优点，是一种“绿色、高效”的钢桥铺装技术。

相容性是环氧沥青研究中尚未被完全解决的问题。环氧沥青中环氧树脂和沥青因两者极性、溶解度参数等物理化学性质的不同导致两者相容性很差[4]。当前的研究主要通过添加增容剂法、改性沥青法和改性固化剂法[5]来提升环氧树脂与沥青之间的相容性。

然而，冷拌环氧沥青需要使用大量的有机溶剂溶解沥青、固化剂等成分，不同的有机溶剂之间往往存在相容性问题。同时，冷拌环氧沥青的不同制备工艺会导致不同程度的有机溶剂挥发，从而影响冷拌环氧沥青性能。冷拌环氧沥青通常由A(环氧树脂等成分)和B(沥青、固化剂等成分)两组分组成。单组分的制备工艺和两组分的混合工艺对环氧沥青的相容性和相关力学性能都有影响。许培俊课题组[6-7]研究了不同搅拌速度、不同搅拌温度、不同搅拌时间对热拌环氧沥青相容性和力学性能的影响，结果表明两组分最佳混合工艺参数为：搅拌温度：170 ℃～190 ℃，搅拌时间：3～5 min，搅拌速率：500 r/min。这表明研究制备工艺对环氧沥青性能的影响是必要的。

基于此，本文通过粘度测试、荧光显微镜观察和拉伸试验来研究不同制备工艺(搅拌温度、搅拌速率和搅拌时间)对冷拌环氧沥青相容性的影响。本文所研究的冷拌环氧沥青由A、B两组分构成，其中A组分由环氧树脂及其稀释剂组成，由于成分较少，并且选用的稀释剂为环氧树脂专用稀释剂，两者相容性较好，故本文不考虑A组分的相容性。因此本文的研究对象为：B组分相容性以及两组分混合物的相容性。

2 试验材料及测试方法

2.1 试验材料

冷拌环氧沥青由A、B两组分构成，其中A组分为实验室自制的环氧树脂专用稀释剂和环氧树脂双酚A二缩水甘油醚(见图1)。该环氧树脂由无锡树脂厂提供，其性能如下：密度(15 ℃)为1.167 g/cm3，粘度(40 ℃)为1.60 Pa·s，闪点280 ℃,环氧值0.48～0.54当量/100 g，有机氯值0.02当量/100 g,含水率0.02%，外观为无色透明粘稠液体。B组分由70号基质沥青(南通通沙沥青科技有限公司产，见表1)、自制沥青专用稀释剂、环氧大豆油、聚酰胺类固化剂、自制固化剂专用稀释剂、消泡剂组成。

图1 环氧树脂结构式

表1 70号基质沥青的性能Table1 Performanceof70#baseasphalt性能密度(15℃)/(g·cm-3)针入度(25℃)/(0.1mm)软化点/℃延度(25℃)/cm溶解度(三氯乙烯)/%PG分级值1.03263.247.8>10099.8PG64-22测试方法ASTMD70ASTMD5ASTMD36ASTMD113ASTMD2042ASTMD946

2.2 相容性评价方法

当前对于环氧沥青相容性的研究集中于混合物的相容性评价，主要方法有荧光显微镜观察法、粘度测试法、力学性能测试法、Tg测试法和离析试验法等[8-11]。综合考虑试验的可靠性和操作性，本文主要采用前3种方法。

2.2.1粘度测试

B组分的25 ℃粘度及混合物的容留时间(25 ℃下环氧沥青布氏粘度达到3 Pa·s的时间)均通过布氏粘度仪测试获得。本试验参照JTG E20-2011中的T0625-2011进行，采用S27转子，在50 r/min条件下进行测试。每个样品进行3次测试，以这3次数据的平均值作为最终结果。

2.2.2荧光显微镜测试

B组分及混合物25 ℃下的微观形貌通过荧光显微镜获得。具体步骤为：B组分及混合物制备完成后，取少量样品放置在载玻片上，并盖上盖玻片，采用100倍放大倍数观察。

2.2.3力学性能测试

混合物25 ℃下的力学性能通过拉伸试验获取拉伸强度和断裂伸长率获得。本试验参照《钢桥面铺装冷拌树脂沥青》(JT/T1131—2017)，采用万能试验机对冷拌环氧沥青的哑铃型试件进行试验。测试温度为25 ℃，加载速率为10 mm/min，取5个有效数据的平均值作为最终结果。

综上所述，冷拌环氧沥青相容性的评价方法如表2所示。

表2 冷拌环氧沥青相容性的评价方法Table2 Evaluationmethodofcompatibilityofcoldmixepoxyasphalt样品方法指标(25℃)B组分粘度测试法粘度荧光显微镜观察法观察分散状态粘度测试法容留时间混合物荧光显微镜观察法观察分散状态力学性能测试法断裂伸长率和拉伸强度

2.3 冷拌环氧沥青的制备及试验方案

2.3.1A组分

A组分将环氧树脂和自制稀释剂按质量比例100∶20混合，在室温下以500 r/min搅拌30 min即可。本文不考虑A组分的相容性。

2.3.2B组分

首先，B组分将各成分按比例混合后，分别在60 ℃、80 ℃、100 ℃下以500 r/min的速度搅拌30 min，得到不同搅拌温度下的B组分样品，测试样品在25 ℃下的布氏粘度，并进行荧光显微镜观察，确定最佳搅拌温度。其次，在确定的最佳搅拌温度下，以500 r/min的速度搅拌30、60、90 min，得到不同搅拌时间下的B组分样品，重复上述性能测试，确定最佳搅拌时间。最后，在确定的最佳搅拌温度和搅拌速度下，以500、1 000、1 500 r/min的速度搅拌，得到不同搅拌时间下的B组分样品，重复上述性能测试，确定最佳搅拌时间。

2.3.3混合物

首先，将A、B两组分各按环氧树脂∶沥青=100∶70(质量比)混合后，分别在10 ℃、20 ℃、40 ℃下以500 r/min的速度搅拌5 min，得到不同搅拌温度下的两组分混合物的样品，测试样品在25 ℃下的容留时间，进行荧光显微镜观察，并制备哑铃试件，测试力学性能，确定最佳搅拌温度。其次，在确定的最佳搅拌温度下，以500 r/min的速度搅拌1、3、5 min，得到不同搅拌时间下的两组分混合物的样品，重复上述性能测试，确定最佳搅拌时间。最后，在确定的最佳搅拌温度和搅拌速度下，以500、1 000、1 500 r/min的速度搅拌，得到不同搅拌速率下的两组分混合物的样品，重复上述性能测试，确定最佳搅拌速率。固化条件为：25 ℃下24 h+60 ℃下48 h。

3 结果与分析

3.1 制备工艺对B组分相容性影响

本部分采用粘度测试法和荧光显微镜观察法来研究搅拌温度、搅拌时间、搅拌速率对B组分相容性的影响。试验结果如表3所示，从搅拌温度来看，随着温度的增加，B组分的粘度不断增大，其中60 ℃下粘度最小，为2.53 Pa·s，100 ℃下粘度为6.72 Pa·s,是80 ℃下的2倍以上，B组分体现出很差的流动性。结合图2(a)～(c)可以看出，图中黑色颗粒为沥青，随着搅拌温度的提高沥青颗粒逐渐增多，颗粒直径变大，100 ℃下各颗粒直径差别较大，说明B组分中沥青颗粒与其他成分相容性不佳，这可能是高温下沥青专用稀释剂挥发的结果。而80 ℃下颗粒直径相近，相容性较好。综合粘度和荧光显微镜的结果，可以认为80 ℃是适宜的搅拌温度。

从搅拌时间来看，随着搅拌时间的增长，B组分的粘度快速增长，搅拌60 min时的粘度为5.76 Pa·s，是搅拌30 min组粘度的近2倍；搅拌90 min时的粘度为11.2 Pa·s，是搅拌30 min组粘度的3倍以上，B组分体现出很差的流动性。结合图2(b)、(d)、(e)，可以发现随着搅拌时间的增长大部分沥青颗粒的直径呈现先变小再变大的趋势，这表明适当延长搅拌时间，可以使沥青分散更均匀，体现出更好的相容性。综合粘度和荧光显微镜的结果，可以认为30 min是适宜的搅拌时间。

从搅拌速率来看，随着搅拌速率的增大，B组分粘度呈现先增大再减小的趋势，搅拌速度1 000和1 500 r/min组下的粘度分别为4.51和4.091 Pa·s，粘度最大增幅为36%，与搅拌温度和搅拌时间控制组相比,明显减小，说明搅拌速率对于B组分的粘度影响相对较小。结合图2(b)、(f)、(g)，可以发现随着搅拌速率的增大，沥青颗粒的直径呈现先减小再增大的趋势，其中1 000 r/min下沥青颗粒最小且分散最为均匀，但是粘度是最大的，这是因为快速的搅拌以利于沥青颗粒的分散，然而同时加速了沥青稀释剂的挥发。综合粘度和荧光显微镜的结果，可以认为500 r/min是适宜的搅拌速率。

表3 制备工艺对B组分相容性的影响Table3 EffectofpreparationprocessoncompatibilityofBcomponent序号搅拌温度/℃搅拌时间/min搅拌速率/(r·min-1)粘度(25℃)/(Pa·s)160305002.530280305003.3203100305006.720480605005.7605809050011.2006803010004.5107803015004.091

图2 不同工艺下B组分的微观形貌：

由于现场施工中更加注重施工和易性，即要求B组分应该具有较小的粘度，因此对制备工艺进行研究时，首先考察粘度数值，再结合FM考察分散特性。综合上述搅拌温度、搅拌时间、搅拌速率的结果，确定B组分的最佳制备工艺为：将B组分各成分按比例混合后，在60 ℃下以500 r/min的速度搅拌30 min即可。

3.2 制备工艺对混合物相容性的影响

3.2.1容留时间及微观形貌分析

不同制备工艺下混合物的容留时间和微观形貌试验结果可以进行联合分析，见表4。从搅拌温度来看，随着温度的增加，两组分的容留时间不断增大，其中40 ℃容留时间最小，为25 min，比20 ℃少了20 min以上，表现出较差的相容性。结合图3(a)～(c)可以看出，图中黑色颗粒为沥青，随着搅拌温度的提高沥青颗粒逐渐增多，颗粒直径变大，40 ℃各颗粒直径差别较大，说明两组分中沥青颗粒与其他成分相容性不佳，这是高温下沥青专用稀释剂挥发的结果。而20 ℃颗粒直径相近，相容性较好。综合粘度和荧光显微镜的结果，可以认为20 ℃是适宜的搅拌温度。

从搅拌时间来看，随着搅拌时间的增长两组分的容留时间逐渐增长，搅拌5 min的容留时间为58 min，比搅拌1 min组的容留时间长15 min，而搅拌3 min的容留时间为55 min，与搅拌5 min的组相当。结合图3(b)、(d)、(e)，可以发现随着搅拌时间的增长大部分沥青颗粒的直径呈现先变大再变小的趋势，这表明过长或过短的搅拌时间都会使沥青颗粒不能很好地分散。综合粘度和荧光显微镜的结果，可以认为3 min是适宜的搅拌时间。

表4 制备工艺对混合物相容性的影响Table4 Effectofpreparationprocessoncompatibilityofmixture序号搅拌温度/℃搅拌时间/min搅拌速率/(r·min-1)容留时间(25℃)/min11055004622055005834055003542015004352035005562031000577203150051

从搅拌速率来看，随着搅拌速率的增大两组分的容留时间呈现先增大再减小的趋势，搅拌速度1 000和1 500 r/min组下的容留时间分别为57和51 min，说明搅拌速率对于B组分的粘度影响相对较小。结合图3(b)、(f)、(g)，可以发现随着搅拌速率的增大，沥青颗粒的直径呈现先减小再增大的趋势，其中1 000 r/min下沥青颗粒最小且分散最为均匀，但是粘度是最大的，这是因为快速的搅拌虽然有利于沥青颗粒的分散，但同时加速了沥青稀释剂的挥发。综合粘度和荧光显微镜的结果，可以认为500 r/min是适宜的搅拌速率。

综合粘度测试及微观形貌结果分析结果可得：20 ℃下以500 r/min搅拌3 min是比较适宜的两组分搅拌工艺，有利于达到混合物最大的相容性。

3.2.2固化物力学性能分析

不同搅拌工艺下制备的冷拌环氧沥青混合物固化后产物通过拉伸试验来进行力学性能分析。各组样品分别编号：(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，试验结果如图4所示。

图4 不同搅拌工艺下混合物的力学性能

由图4(a)可以看出，随着搅拌温度的升高，固化物的拉伸强度整体呈现下降的趋势，20 ℃搅拌的拉伸强度比10 ℃低了14.1%，与40 ℃组的拉伸强度相差约3%。同时，断裂伸长率则呈现出与拉伸强度相反的趋势，其中20 ℃组断裂伸长率为53.4%，40 ℃组为54.7%，两者仅相差1.3%。

由图4(b)可以看出，随着搅拌时间的增加，固化物的拉伸强度呈现逐渐增大的趋势，5 min组比1 min组拉伸强度高出30%，这是由于混合物在1 min时搅拌不均匀，相容性较差导致的。同时，断裂伸长率却呈现出先增大再减小的趋势，5 min组的断裂伸长率比3 min组小43.1%，这说明搅拌时间过长也不利于改善混合物的相容性。

由图4(c)可以看出，随着搅拌速率的增加，固化物的拉伸强度呈现逐渐减小的趋势，但总体变化不大。拉伸强度最大值为500 r/min组，比最小值1 500 r/min组仅大7.3%。这说明搅拌速率对于固化物的拉伸强度影响不大。另一方面，断裂伸长率呈现与拉伸强度相反的趋势，最大值为1 500 r/min组，比最小值500 r/min组大约16.2%。

综合力学性能测试结果可得：20 ℃下以500 r/min搅拌3 min是比较适宜的两组分搅拌工艺，有利于达到混合物最大的相容性。

4 结论

本文通过粘度测试、荧光显微镜观察和拉伸试验来研究不同制备工艺对冷拌环氧沥青相容性的影响。主要结论如下：

a.搅拌温度和搅拌时间对B组分的粘度和沥青的分散特性影响较大。随着温度和时间的增加，B组分的粘度不断增大，沥青颗粒的直径逐渐增大，分散性变得不均匀。

b.搅拌温度和搅拌时间对两组分混合物的容留时间和微观形貌影响较大，同时对冷拌环氧沥青固化物的力学性能也影响较大。随着温度和时间的增加，两组分的容留时间、沥青颗粒的直径逐渐增大，分散性变得不均匀。固化物的拉伸强度与断裂伸长率随搅拌温度和时间的增大，分别呈现不同的趋势。

c.B组分的最佳制备工艺为将各成分按比例混合后，在60 ℃下以500 r/min的速度搅拌30 min。两组分搅拌的最佳工艺为将A、B两组分各按比例混合后，在20 ℃下以500 r/min的速度搅拌3 min。