環氧樹脂膠粉改性瀝青的溫度效應研究*

羅志寶，高 仲，田 小

（鄂爾多斯市路泰公路工程有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017000）

瀝青路面具有噪音低、施工便捷、養護周期短等優點，是目前世界上最常用的路面結構之一[1]。瀝青是一種粘彈性材料，其使用壽命和流變行為等容易受到外界溫度的影響[2-3]。為了適應日益增加的交通量和不同地區惡劣的氣候條件，瀝青的性能需要進一步改善。瀝青改性主要依賴改性劑，目前最常用的改性劑有熱塑性彈性體、橡膠和樹脂等[4-5]。

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）是一種彈性體改性劑，SBS改性瀝青因其良好的綜合性能在瀝青路面中得到了廣泛的應用，但同時也存在SBS與瀝青的相容性較差，其結構容易受到低溫、氧化和紫外線破壞等問題[6-7]。聚乙烯和聚氯乙烯被廣泛用作塑料改性劑，其主要應用問題與SBS相似[8]。活性聚合物能有效地解決改性劑與瀝青相容性較差的問題，但是其成本較高[9]。因此，尋找一種經濟有效的改性瀝青方法是研究和工程上需要解決的難題之一。

復合改性瀝青能有效地結合不同改性劑材料的優點，從而制備出性能更加優異的瀝青混合料。孟勇軍等[10]將水性環氧樹脂和丁苯橡膠作為復合改性劑對基質瀝青進行改性，然后對改性瀝青進行乳化，研究了復合改性乳化瀝青的篩上剩余量、儲存穩定性和蒸發殘留物等指標變化，得出復合改性劑的最佳配比。尹建偉等[11]將納米SiO2和SBS作為復合改性劑改善瀝青的抗裂性；任海生等[12]通過丁苯橡膠和氯丁橡膠聯合改性，制備改性瀝青并進行乳化，對乳化瀝青蒸發殘留物的延度和軟化點等進行了研究，確定了兩者的最佳比例。橡膠粉(RP)在瀝青中的大量使用不僅能解決廢棄橡膠污染問題，同時還能增強瀝青的抗低溫性能[13]；而環氧樹脂(ER)已被證實能顯著提高瀝青混合料的耐高溫性能和耐磨耗性[14]。

因此，為了充分發揮復合改性劑的改性優勢，增強瀝青混合料的綜合性能，本文利用環氧樹脂和橡膠粉復合改性劑對瀝青進行改性，通過研究改性瀝青的基礎物理性能和高低溫穩定性，探索復合改性劑的改性效果及其最佳配比，并對瀝青混合料的力學性能進行研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

本研究使用的基質瀝青為70A級，產地為遼寧盤錦中油遼河石化公司，其物理性質見表1。環氧樹脂、固化劑從商業渠道選購，其基本技術指標見表2。試驗所用橡膠粉的檢測結果見表3。增塑劑采用山東孚潤達化工有限公司生產的橡膠油，其技術指標見表4。穩定劑采用氯化鈣，技術指標見表5。

表1 基質瀝青物理性質Table 1 Physical properties of base asphalt

表2 環氧樹脂和固化劑的物理化學性質Table 2 Physicochemical properties of epoxy resin and emulsifier

表3 橡膠粉檢測結果Table 3 Test results of rubber powder

表4 增塑劑檢測結果Table 4 Plasticizer test results

表5 穩定劑檢測結果Table 5 Stabilizer test results

1.2 試驗方案

改性瀝青的制備：首先將瀝青以135℃進行加熱至液體狀態，然后瞬間換熱升溫至180℃，將橡膠粉、增塑劑加入其中，繼續剪切攪拌40min，并將溫度控制至180℃，之后打入發育罐進行發育的同時加入環氧樹脂和穩定劑，在使用前，根據環氧樹脂的填加比例加入固化劑。環氧樹脂（ER）的摻量設置為0%、3%、6%和9%；橡膠粉（RP）的摻量設置為0%、10%、15%和20%。根據JTG E 20-2011規范對復合改性瀝青的基礎物理性能及高低溫穩定性進行研究，采用馬歇爾配合比設計方法，確定SMA-16環氧樹脂膠粉復合改性瀝青的最佳瀝青用量為6.5%，并對瀝青混合料的力學性能進行研究。

2 改性瀝青物理性能試驗結果

2.1 針入度

圖1展示了環氧樹脂橡膠粉改性瀝青針入度與改性劑摻量關系。從圖1可以看出，加入RP和ER后，基質瀝青的針入度呈降低趨勢。當ER不變時，隨著RP的增加改性瀝青的針入度呈現出下降趨勢，但隨著ER的摻量變大，RP對于針入度的影響逐步降低；當RP不變時，隨著ER的摻量增加，針入度呈降低趨勢。當RP和ER摻量分別為15%和6%時，與基質瀝青針入度相比，復合瀝青針入度下降了26.4%。

圖1 環氧樹脂橡膠粉改性瀝青針入度與改性劑摻量關系Fig.1 Relationship between penetration and modifer content of modif ied asphalt

2.2 軟化點

圖2展示了復合改性瀝青軟化點與改性劑摻量關系。從圖2可以看出，加入RP和ER后，基質瀝青的軟化點呈上升趨勢。復合改性瀝青軟化點變化較為明顯的RP和ER摻量范圍分別為10%~15%和3%~6%，當RP和ER摻量分別為15%和6%時，與基質瀝青軟化點相比，復合改性瀝青軟化點上升了17.7%。上述試驗結果表明，RP和ER聯合作用能更有效地提升復合改性瀝青的耐高溫性能。

圖2 復合改性瀝青軟化點與改性劑摻量關系Fig.2 Relationship between softening point and modifier content of composite modified asphalt

2.3 延度

延度與改性劑含量的關系如圖3所示。結果表明，復合改性瀝青的延度隨環氧樹脂摻量的增加呈逐漸下降趨勢。當EP摻量不變時，隨著RP摻量的增加，延度先增大后減小，且當RP摻量高于15%時，其延度降低幅度顯著增加。因此綜合考慮復合改性瀝青的高低溫性能，環氧樹脂摻量宜為6%，橡膠粉摻量宜為15%。

圖3 復合改性瀝青延度與改性劑摻量關系Fig 3 Relationship between extensibility and modifier content of composite modified asphalt

2.4 黏度

黏度與改性劑含量的關系如圖4所示。結果表明，瀝青的黏度值隨改性劑摻量的增加呈逐漸增大的趨勢。當ER摻量不變時，隨著RP摻量的增加，黏度值逐漸增大，且當RP摻量高于15%時，其黏度顯著增加，這表明RP提高了瀝青的黏度。此外，ER的加入也能提高瀝青的黏度，因此復合改性瀝青在高溫下具有更好的黏結力，可以減少路面變形，提高瀝青混合料的高溫性能。

圖4 復合改性瀝青黏度與改性劑摻量關系Fig. 4 Relationship between viscosity and modifier content of composite modified asphalt

2.5 彈性恢復率

RP與ER聯合改性瀝青的彈性回彈試驗結果如圖5所示。結果表明，RP和ER的添加均提高了瀝青的彈性恢復率。復合瀝青彈性恢復率隨改性劑摻量變化較為明顯的RP和ER摻量范圍分別為0%~15%和0%~6%，當RP和ER摻量分別為15%和6%時，與橡膠改性瀝青彈性恢復率相比，復合改性瀝青彈性恢復率上升了16.8%。產生上述現象的原因是橡膠材料的彈性變形能力遠高于傳統瀝青材料，同時環氧樹脂的加入能更好地將橡膠粉融入到瀝青中，從而進一步增強瀝青的彈性恢復率。

圖5 彈性恢復率與改性劑摻量關系Fig. 5 Relationship between elastic recovery rate and modifier dosage

綜合上述試驗結果，環氧樹脂橡膠粉復合改性瀝青的最佳配方為70A瀝青：橡膠粉：增塑劑=83：15：2，外摻環氧樹脂6%，固化劑0.18%。其主要技術指標見表6。

表6 環氧樹脂橡膠粉復合改性瀝青技術指標Table 6 Technical specifications of epoxy resin rubber powder composite modified asphalt

3 改性瀝青混合料力學性能測試結果

按照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)、《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)，對環氧樹脂橡膠粉復合改性瀝青混合料進行礦料級配設計、馬歇爾試驗、車轍試驗和低溫彎曲試驗。

3.1 馬歇爾試驗

改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果見表7。其中給出了改性瀝青混合料穩定度、流值等試驗數據，可以看出，環氧橡膠瀝青混合料較為密實、浸水殘留穩定度高、抗水破壞能力較強。與對照組混合料相比，環氧樹脂膠粉改性瀝青混合料能顯著提高混合料的馬歇爾穩定度和浸水殘留穩定度，從而顯著增強瀝青混合料的抗變形性能。

表7 改性瀝青混合料馬歇爾試驗結果Table 7 Marshall test results of modified asphalt mixture

3.2 車轍試驗

依 據JTG F40-2004的 要 求，成 型300mm×300mm×50mm的車轍試件,并在60℃、0.7MPa的條件下進行車轍試驗。改性瀝青混合料車轍試驗結果見表8。結果顯示：環氧樹脂橡膠改性瀝青混合料動穩定度達到了4131次/mm,符合現行JTG F40-2004規定的改性瀝青混合料動穩定度應大于3000次/mm的要求,表明其具有良好的高溫穩定性能。

表8 改性瀝青混合料車轍驗結果Table 8 Rutting results of modified asphalt mixture

3.3 梁彎曲強度試驗

通過梁彎曲試驗驗證RP和ER改性瀝青混合料的低溫性能，研究在提高混合料高溫性能的同時對其低溫抗裂性能的影響，改性瀝青混合料梁彎曲試驗結果見表9。可以看出，RP的加入提高了瀝青混合料的抗彎強度和失效應變，即提高了混合料的強度和剛度模量。RP和ER復合改性瀝青混合料的抗彎強度和失效應變均顯著提高。

表9 改性瀝青混合料梁彎曲強度試驗結果Table 9 Experimental results of bending strength of modified asphalt mixture beam

4 結論

（1）添加環氧樹脂和橡膠粉能通過提高軟化點、降低針入度和延度來改善瀝青的物理性能和耐高低溫性能；同時能顯著提高瀝青的黏度，從而提高其對集料的附著力，減少瀝青路面的變形和剝離。

（2）環氧樹脂和橡膠粉能提高瀝青混合料的抗彎強度和失效應變，增強其低溫抗裂性能。

（3）綜合試驗結果，復合改性瀝青中環氧樹脂和橡膠粉的最佳摻量分別為6%和15%。