粉煤灰改性環氧瀝青膠漿性能增強試驗研究

周嘉博

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

環氧瀝青混凝土是一種具備優異性能的鋼橋面鋪裝材料，具有強度高、抗疲勞、結構層間粘結效果好、抗燃料侵蝕性強等特點，較多應用于大跨徑鋼橋橋面鋪裝，但鋼橋面板結構的結構特點及日益增長的重載交通對環氧瀝青混凝土的變形，抗疲勞性能提出更高的要求，上述性能有待進一步提高[1]。瀝青混合料中的瀝青膠漿由填料和基質瀝青構成，其強度是瀝青混合料性能的基礎[2]，填料則是形成瀝青膠漿強度，保證混合料中各組分粘結的重要因素[3]。環氧瀝青混凝土同樣是由環氧瀝青膠漿和集料構成的復合材料體系，通過摻加改性填料的途徑研究增強環氧瀝青混凝土強度和抗疲勞耐久性具備一定的可行性。

目前關于利用填料進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。此類研究的結果顯示相比傳統的石灰巖礦粉，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瀝青膠漿/集料黏附性能的影響，試驗結果表明幾種填料對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方法定量研究填料對瀝青膠漿性能的影響，所用填料包括礦粉、水泥和纖維.結果表明：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]。覃瀟等通過改變玄武巖纖維規格與摻量，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律，并借助掃描電鏡（SEM）對進行機理性分析分析。試驗結果表明：玄武巖纖維的摻加大幅提高瀝青膠漿的拉伸強度和高溫流變特性，且纖維在膠漿中形成的微觀結構可對混合料穩定性起增強作用[6]。目前關于利用填料對環氧瀝青材料進行改性的研究較少。

1 材料與試驗方案

1.1 環氧瀝青

采用的環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 基質瀝青，性能指標如表2 所示，環氧瀝青的配比為混合料樹脂:瀝青=1:1。

表1 環氧樹脂主劑及固化劑性能指標

表2 A-70 基質瀝青檢測結果

1.2 填料

選用石灰石礦粉、Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰三種填料制備環氧瀝青混合料。石灰石礦粉是瀝青路面建設的常用填料。粉煤灰是燃煤電廠燃燒發電的副產品，對其進行資源化利用，在有效降低建設成本的同時，可緩解粉煤灰對生態環境的危害。

1.3 環氧瀝青膠漿

1.3.1 環氧瀝青膠漿制備

為保證填料的拌合均勻，同時探究粉膠比的影響，通過制備粉膠比為 0.1、0.2、0.3、0.4 的環氧瀝青膠漿試件，進行相應的性能試驗研究。先將基質瀝青及環氧樹脂主劑、固化劑分別在160℃及60℃烘箱中預熱保溫，同時將填料在180℃烘箱中放置至少4h。首先在燒杯中稱取適量基質瀝青并置于160℃的油浴環境，并用高速剪切攪拌機進行攪拌；將環氧樹脂主劑與固化劑按56:44 的質量比在燒杯中混合，用玻璃棒攪拌3min，再利用攪拌機機將混合樹脂與基質瀝青按質量1:1 的比例混合攪拌3min，最后把填料加入環氧瀝青中攪拌均勻。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℃烘箱中養生4d 后進行膠漿性能測試試驗。

1.3.2 環氧瀝青膠漿性能試驗

拉伸試驗可測試環氧瀝青膠漿的強度和變形能力。環氧瀝青膠漿拉伸試驗依據ASTMD638 試驗規程進行，試驗溫度為23℃，加載速率為500mm/min，利用萬能材料試驗機進行試驗，并通過計算得出環氧瀝青膠漿的拉伸強度和斷裂延伸率。

根據規范ASTM D7175，采用動態剪切流變試驗對環氧瀝青膠漿的流變性能進行測試，利用復數剪切模量（G*）和相位角（δ）評價環氧瀝青膠漿在特定溫度下的粘彈性能。由于環氧瀝青膠漿的粘度較高，無法利用常規瀝青膠漿膜狀試件進行測試，需將膠漿制成小梁試件，將環氧瀝青膠漿澆入10mm×10mm×50mm 的模具中成型相應尺寸的小梁試件。鋼橋面鋪裝實際使用時夏季高溫鋪裝層表面溫度可達60℃左右，頻率掃描所采用的試驗溫度為60℃；試驗頻率范圍選擇0.1～10Hz，可較好地模擬路面實際使用受力情況。試驗采用應變控制模式，應變水平為0.1%。

2 結果與討論

環氧瀝青膠漿的性能在拉伸和動態剪切流變試驗中表現如下。

2.1 拉伸試驗

拉伸試驗用于評價填料對環氧瀝青膠漿的增強作用，填料與環氧瀝青的結合效果越好，膠漿的拉伸強度越高。拉伸試驗結果如圖1 所示。結果顯示隨著粉膠比增大，膠漿抗拉強度上升，斷裂延伸率下降。當粉膠比為0.4 時，Ⅰ級粉煤灰膠漿的拉伸強度相比環氧瀝青提高了48.1%，Ⅱ級粉煤灰膠漿提高了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%。即增強效果顯著程度順序為Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰、礦粉，膠漿強度的變化趨勢與上述順序相同。

圖1 環氧瀝青膠漿拉伸試驗結果

2.2 動態剪切流變試驗

環氧瀝青膠漿動態剪切流變試驗結果中，G*為最大剪應力（τmax）和最大剪應變（γmax）的比值，δ 為施加的應力和產生應變的時間滯后。當δ 為0 時，反應材料為彈性；當δ 接近90°時，材料為粘性。瀝青材料一般應具有較高的G*值和較低的δ 值。DSR 試驗結果見圖2，顯示不同填料對環氧瀝青膠漿流變性能的增強效果具有一定差異，加入填料可以使材料的G*顯著提高，同時材料的δ 有所下降。環氧瀝青膠漿G*的大小順序為Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰、石灰巖礦粉；δ 的大小順序為石灰巖礦粉、Ⅱ級粉煤灰、Ⅰ級粉煤灰，呈現出的增強規律與拉伸試驗結果順序基本一致。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氧瀝青膠漿的性能差距變大。

圖2 環氧瀝青膠漿DSR 試驗結果

3 結語

為了提高鋪裝材料的抗疲勞耐久性，通過性能試驗評價粉煤灰對環氧瀝青瀝青混合料的改性作用，本文開展了系統試驗研究。針對顆粒填料用量及特性對環氧瀝青膠漿力學性能影響，主要結論如下。

（1）填料可有效提高環氧瀝青膠漿的拉伸強度，同時也會降低環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。

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

（3）對環氧瀝青膠漿增韌改性效果呈現出Ⅰ級粉煤灰＞Ⅱ級粉煤灰＞礦粉的規律。

對于粉煤灰在環氧瀝青混凝土中的應用開展試驗研究，仍可從以下方面進行深入的探索：粉煤灰作為改性劑按較少的劑量摻入環氧瀝青混合料中的效果；探求填料微觀作用機理進行量化分析的手段，完善對應的機理性分析；開展粉煤灰改性增強環氧瀝青混合料的工程試用研究，評價增強環氧瀝青鋼橋面鋪裝實際工程性能表現等。