环氧树脂胶粉改性沥青的温度效应研究*

罗志宝，高 仲，田 小

（鄂尔多斯市路泰公路工程有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

沥青路面具有噪音低、施工便捷、养护周期短等优点，是目前世界上最常用的路面结构之一[1]。沥青是一种粘弹性材料，其使用寿命和流变行为等容易受到外界温度的影响[2-3]。为了适应日益增加的交通量和不同地区恶劣的气候条件，沥青的性能需要进一步改善。沥青改性主要依赖改性剂，目前最常用的改性剂有热塑性弹性体、橡胶和树脂等[4-5]。

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）是一种弹性体改性剂，SBS改性沥青因其良好的综合性能在沥青路面中得到了广泛的应用，但同时也存在SBS与沥青的相容性较差，其结构容易受到低温、氧化和紫外线破坏等问题[6-7]。聚乙烯和聚氯乙烯被广泛用作塑料改性剂，其主要应用问题与SBS相似[8]。活性聚合物能有效地解决改性剂与沥青相容性较差的问题，但是其成本较高[9]。因此，寻找一种经济有效的改性沥青方法是研究和工程上需要解决的难题之一。

复合改性沥青能有效地结合不同改性剂材料的优点，从而制备出性能更加优异的沥青混合料。孟勇军等[10]将水性环氧树脂和丁苯橡胶作为复合改性剂对基质沥青进行改性，然后对改性沥青进行乳化，研究了复合改性乳化沥青的筛上剩余量、储存稳定性和蒸发残留物等指标变化，得出复合改性剂的最佳配比。尹建伟等[11]将纳米SiO2和SBS作为复合改性剂改善沥青的抗裂性；任海生等[12]通过丁苯橡胶和氯丁橡胶联合改性，制备改性沥青并进行乳化，对乳化沥青蒸发残留物的延度和软化点等进行了研究，确定了两者的最佳比例。橡胶粉(RP)在沥青中的大量使用不仅能解决废弃橡胶污染问题，同时还能增强沥青的抗低温性能[13]；而环氧树脂(ER)已被证实能显著提高沥青混合料的耐高温性能和耐磨耗性[14]。

因此，为了充分发挥复合改性剂的改性优势，增强沥青混合料的综合性能，本文利用环氧树脂和橡胶粉复合改性剂对沥青进行改性，通过研究改性沥青的基础物理性能和高低温稳定性，探索复合改性剂的改性效果及其最佳配比，并对沥青混合料的力学性能进行研究。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

本研究使用的基质沥青为70A级，产地为辽宁盘锦中油辽河石化公司，其物理性质见表1。环氧树脂、固化剂从商业渠道选购，其基本技术指标见表2。试验所用橡胶粉的检测结果见表3。增塑剂采用山东孚润达化工有限公司生产的橡胶油，其技术指标见表4。稳定剂采用氯化钙，技术指标见表5。

表1 基质沥青物理性质Table 1 Physical properties of base asphalt

表2 环氧树脂和固化剂的物理化学性质Table 2 Physicochemical properties of epoxy resin and emulsifier

表3 橡胶粉检测结果Table 3 Test results of rubber powder

表4 增塑剂检测结果Table 4 Plasticizer test results

表5 稳定剂检测结果Table 5 Stabilizer test results

1.2 试验方案

改性沥青的制备：首先将沥青以135℃进行加热至液体状态，然后瞬间换热升温至180℃，将橡胶粉、增塑剂加入其中，继续剪切搅拌40min，并将温度控制至180℃，之后打入发育罐进行发育的同时加入环氧树脂和稳定剂，在使用前，根据环氧树脂的填加比例加入固化剂。环氧树脂（ER）的掺量设置为0%、3%、6%和9%；橡胶粉（RP）的掺量设置为0%、10%、15%和20%。根据JTG E 20-2011规范对复合改性沥青的基础物理性能及高低温稳定性进行研究，采用马歇尔配合比设计方法，确定SMA-16环氧树脂胶粉复合改性沥青的最佳沥青用量为6.5%，并对沥青混合料的力学性能进行研究。

2 改性沥青物理性能试验结果

2.1 针入度

图1展示了环氧树脂橡胶粉改性沥青针入度与改性剂掺量关系。从图1可以看出，加入RP和ER后，基质沥青的针入度呈降低趋势。当ER不变时，随着RP的增加改性沥青的针入度呈现出下降趋势，但随着ER的掺量变大，RP对于针入度的影响逐步降低；当RP不变时，随着ER的掺量增加，针入度呈降低趋势。当RP和ER掺量分别为15%和6%时，与基质沥青针入度相比，复合沥青针入度下降了26.4%。

图1 环氧树脂橡胶粉改性沥青针入度与改性剂掺量关系Fig.1 Relationship between penetration and modifer content of modif ied asphalt

2.2 软化点

图2展示了复合改性沥青软化点与改性剂掺量关系。从图2可以看出，加入RP和ER后，基质沥青的软化点呈上升趋势。复合改性沥青软化点变化较为明显的RP和ER掺量范围分别为10%~15%和3%~6%，当RP和ER掺量分别为15%和6%时，与基质沥青软化点相比，复合改性沥青软化点上升了17.7%。上述试验结果表明，RP和ER联合作用能更有效地提升复合改性沥青的耐高温性能。

图2 复合改性沥青软化点与改性剂掺量关系Fig.2 Relationship between softening point and modifier content of composite modified asphalt

2.3 延度

延度与改性剂含量的关系如图3所示。结果表明，复合改性沥青的延度随环氧树脂掺量的增加呈逐渐下降趋势。当EP掺量不变时，随着RP掺量的增加，延度先增大后减小，且当RP掺量高于15%时，其延度降低幅度显著增加。因此综合考虑复合改性沥青的高低温性能，环氧树脂掺量宜为6%，橡胶粉掺量宜为15%。

图3 复合改性沥青延度与改性剂掺量关系Fig 3 Relationship between extensibility and modifier content of composite modified asphalt

2.4 黏度

黏度与改性剂含量的关系如图4所示。结果表明，沥青的黏度值随改性剂掺量的增加呈逐渐增大的趋势。当ER掺量不变时，随着RP掺量的增加，黏度值逐渐增大，且当RP掺量高于15%时，其黏度显著增加，这表明RP提高了沥青的黏度。此外，ER的加入也能提高沥青的黏度，因此复合改性沥青在高温下具有更好的黏结力，可以减少路面变形，提高沥青混合料的高温性能。

图4 复合改性沥青黏度与改性剂掺量关系Fig. 4 Relationship between viscosity and modifier content of composite modified asphalt

2.5 弹性恢复率

RP与ER联合改性沥青的弹性回弹试验结果如图5所示。结果表明，RP和ER的添加均提高了沥青的弹性恢复率。复合沥青弹性恢复率随改性剂掺量变化较为明显的RP和ER掺量范围分别为0%~15%和0%~6%，当RP和ER掺量分别为15%和6%时，与橡胶改性沥青弹性恢复率相比，复合改性沥青弹性恢复率上升了16.8%。产生上述现象的原因是橡胶材料的弹性变形能力远高于传统沥青材料，同时环氧树脂的加入能更好地将橡胶粉融入到沥青中，从而进一步增强沥青的弹性恢复率。

图5 弹性恢复率与改性剂掺量关系Fig. 5 Relationship between elastic recovery rate and modifier dosage

综合上述试验结果，环氧树脂橡胶粉复合改性沥青的最佳配方为70A沥青：橡胶粉：增塑剂=83：15：2，外掺环氧树脂6%，固化剂0.18%。其主要技术指标见表6。

表6 环氧树脂橡胶粉复合改性沥青技术指标Table 6 Technical specifications of epoxy resin rubber powder composite modified asphalt

3 改性沥青混合料力学性能测试结果

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)、《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，对环氧树脂橡胶粉复合改性沥青混合料进行矿料级配设计、马歇尔试验、车辙试验和低温弯曲试验。

3.1 马歇尔试验

改性沥青混合料马歇尔试验结果见表7。其中给出了改性沥青混合料稳定度、流值等试验数据，可以看出，环氧橡胶沥青混合料较为密实、浸水残留稳定度高、抗水破坏能力较强。与对照组混合料相比，环氧树脂胶粉改性沥青混合料能显著提高混合料的马歇尔稳定度和浸水残留稳定度，从而显著增强沥青混合料的抗变形性能。

表7 改性沥青混合料马歇尔试验结果Table 7 Marshall test results of modified asphalt mixture

3.2 车辙试验

依 据JTG F40-2004的 要 求，成 型300mm×300mm×50mm的车辙试件,并在60℃、0.7MPa的条件下进行车辙试验。改性沥青混合料车辙试验结果见表8。结果显示：环氧树脂橡胶改性沥青混合料动稳定度达到了4131次/mm,符合现行JTG F40-2004规定的改性沥青混合料动稳定度应大于3000次/mm的要求,表明其具有良好的高温稳定性能。

表8 改性沥青混合料车辙验结果Table 8 Rutting results of modified asphalt mixture

3.3 梁弯曲强度试验

通过梁弯曲试验验证RP和ER改性沥青混合料的低温性能，研究在提高混合料高温性能的同时对其低温抗裂性能的影响，改性沥青混合料梁弯曲试验结果见表9。可以看出，RP的加入提高了沥青混合料的抗弯强度和失效应变，即提高了混合料的强度和刚度模量。RP和ER复合改性沥青混合料的抗弯强度和失效应变均显著提高。

表9 改性沥青混合料梁弯曲强度试验结果Table 9 Experimental results of bending strength of modified asphalt mixture beam

4 结论

（1）添加环氧树脂和橡胶粉能通过提高软化点、降低针入度和延度来改善沥青的物理性能和耐高低温性能；同时能显著提高沥青的黏度，从而提高其对集料的附着力，减少沥青路面的变形和剥离。

（2）环氧树脂和橡胶粉能提高沥青混合料的抗弯强度和失效应变，增强其低温抗裂性能。

（3）综合试验结果，复合改性沥青中环氧树脂和橡胶粉的最佳掺量分别为6%和15%。