环氧沥青固化过程中的粘度特性

荆儒鑫,Panos Apostolidis,刘学岩

(荷兰代尔夫特理工大学,代尔夫特,荷兰2628CN)

对基质沥青进行聚合物改性是道路工程中常用的一种技术,可以有效提高路面的耐久性,延长使用寿命。塑性改性剂(如聚乙烯改性剂)和弹性改性剂(如SBS)是2种常见的热塑性聚合物改性剂[1]。热固性聚合物,如环氧树脂和聚氨酯,越来越广泛地用来开发长寿命沥青路面技术[2]。环氧沥青是一种特殊的热固性沥青材料[3-5],这种材料由壳牌石油公司于20世纪60年代率先开发,用于工业园区的重载交通路面。20世纪70年代,环氧沥青成功地应用在圣马特奥-海沃德大桥的桥面铺装。该桥位于美国加利福尼亚州的旧金山湾,日交通量约为27 000辆,历经50年,桥面性能依然良好。环氧沥青开始在世界范围内应用于桥面铺装工程[6-8]。

环氧沥青作为一种优质的筑路材料逐步应用在道路工程中[9-10]。尽管如此,环氧沥青技术的应用仍然存在着诸多问题,比如,不可控的固化速度。过快的固化速度会导致材料的施工和易性变差,使得路面材料无法被压实;过慢的固化速度会导致施工过程中材料的粘度过低,导致在拌合和运输过程中发生离析现象,在开放交通时路面无法提供一定的强度。环氧沥青的固化速度受到多种因素的影响,比如,材料用量、固化温度、材料拌合时的速度[11-13]。此外,高昂的材料费用,限制了环氧沥青的广泛应用。为此,使用基质沥青对环氧沥青进行稀释可以有效降低材料成本并提高使用性能。这一设想已成功应用于新西兰和荷兰的道路工程中,制备出耐久性强、施工和易性好的环氧沥青混合料[14-16]。试验表明,稀释环氧沥青,可以有效降低复数模量,提高相位角。与此同时,使用稀释后的环氧沥青(稀释比1:3)可以有效提高路面使用寿命,大幅降低道路维护成本。虽然,稀释后的环氧沥青可以有效提高路面材料的性能,但对其固化过程中的流变学特性变化仍不明确。为此,文中开展了不同条件下环氧沥青固化的特性研究。

1 材料与试验设计

1.1 试验材料

环氧沥青材料由美国的ChemoCo Systems公司提供,由2部分混合而成。成分A 是由环氧氯丙烷和双酚A 形成的环氧树脂,成分B为固化剂。根据材料供应商建议,成分A 和B按照25∶75的比例进行拌合。在拌合之前,成分A 和B置于烘箱内,分别在85 ℃和110 ℃下预热1 h。与此同时,针入度为70～100的基质沥青也置于110 ℃烘箱内预热0.5 h。预热结束后,将成分A 和B 进行手动拌合30 s,加入基质沥青进行稀释后继续拌合30 s。为了研究不同稀释比对环氧沥青固化行为的影响,选择了3种不同的稀释比(环氧沥青:基质沥青),即50∶50,25∶75和12.5∶87.5。此外,也分析了未稀释的环氧沥青(EB100)的固化行和基质沥青的短期老化行为,用以参照对比。表1列出了不同稀释比环氧沥青的材料组成。拌合结束后,所有的材料置于冰箱内-20 ℃的条件下进行保存,以确保没有任何固化行为发生。

表1 不同稀释比环氧沥青的材料组成Table 1 Composition of various diluted epoxy bitumen

1.2 试验和固化条件

由于固化试验规程并不完善,不适用于稀释的环氧沥青,文中着重研究不同条件、不同稀释比对环氧沥青固化行为的影响。使用美国BROOKFIELD 公司生产的DV2-T 粘度仪,采用同轴圆筒测试系统。流变仪配备的智能温度控制系统精度达到0.1℃。表2列出了不同固化条件的试验结果,固化时间为5 h,试验过程中每分钟记录1次结果。

表2 粘度试验参数Table 2 Viscosity testing conditions

2 试验结果与分析

2.1 固化温度的影响

不同温度对环氧沥青(EB100)和稀释的环氧沥青(EB25)的固化影响如图1所示。由于固化作用,环氧沥青的粘度随着时间而增加。图1(a)为未稀释环氧沥青(EB100)的粘度变化曲线。可以观察到,温度显著影响固化过程中粘度的变化,即固化速度。比如,EB100在160℃时仅需25 min即可达到40 Pa·s的粘度;而固化温度为100 ℃时,则需要280 min才能达到这一粘度。对于道路工程,从材料拌合到路面施工结束,通常需要2.5～5 h。因此,筑路材料需要在5 h内具有较低的粘度,确保良好的施工和易性。图1(a)表明,未经稀释的环氧沥青不宜直接应用在道路工程中,对其进行稀释是一种降低固化速度的有效方法。如图1(b)所示,由于稀释作用,EB25在5 h内粘度变化在8 Pa·s以内。值得注意的是,EB25的粘度在低温时变化较高,而在高温时变化较低。如100 ℃时,粘度5 h内的变化由1.5 Pa·s升至7.6 Pa·s;而在160 ℃,粘度仅由0.5 Pa·s升至1 Pa·s,主要是由基质沥青的流变学特性决定的。

图1 环氧沥青在不同固化温度下的粘度变化曲线Fig.1 Viscosity changes of epoxy bitumen at different temperatures

在稀释的环氧沥青中,基质沥青的占比为75%,粘度特性主要由基质沥青部分决定。而基质沥青的粘度随温度的升高成指数型下降,如图2所示。若仅观察图1(b)中粘度在5 h时处的变化,可知在160 ℃时,EB25粘度不再发生变化,意味着环氧沥青固化已经完成;在100 ℃时,EB25的粘度变化仍然较大,意味着固化作用尚未完成。在道路工程中,筑路材料需要在拌合和施工中保持相对较低的粘度以保证施工和易性,在施工结束后,路面材料可以持续进行固化以确保路面拥有较高的强度。因此,推荐130 ℃作为稀释环氧沥青EB25的固化温度,材料在拌合、运输及施工过程中需保持这一温度。

图2 基质沥青粘度随温度的变化曲线Fig.2 Bitumen viscosities at different temperatures

2.2 稀释比例的影响

不同稀释比对环氧沥青固化行为的影响结果如图3所示。总体来说,稀释比越大,环氧沥青的固化效果越不明显。比如,未稀释环氧沥青EB100在75 min时,其粘度达到8 Pa·s;对于稀释环氧沥青EB50经过5 h的固化作用,其粘度仍未达到8 Pa·s。对于基质沥青EB0,由于不存在固化作用且短期老化影响较小,所以粘度在5 h内几乎没有变化。对于稀释比最高的环氧沥青EB12.5,固化作用导致的粘度变化较小。通常为了保证筑路材料的施工和易性,需要保证粘度在施工过程中不超过3 Pa·s。因此,推荐稀释比(环氧沥青:基质沥青)为25∶75,可以确保材料拥有良好的施工和易性,又可以保证拥有较高的强度。

图3 不同稀释比的环氧沥青的粘度变化曲线Fig.3 Viscosity changes of epoxy bitumen at different dilution levels

2.3 剪切速率的影响

文中研究了不同拌合速度对稀释环氧沥青EB25固化行为的影响,结果如图4所示。试验中,使用一种常用的转速为20 r/min;一种相对较快的转速为200 r/min;一种相对较慢的转速为2 r/min。结果表明,固化过程中EB25的粘度在低转速时变化较大,在高转速时变化较小。比如,EB25在2 r/min时,其粘度在5 h后由1 Pa·s升至4 Pa·s,曲线斜率表明固化在持续进行中;而转速为200 r/min时,其粘度在固化过程中仅由0.5 Pa·s升至1 Pa·s,原因可能是过高的转速(高剪切速率)会干扰环氧沥青内部固化结构的形成,会破坏已形成的交联结构;相反,低转速(低剪切速率)不会过多的干扰交联结构的形成,从而粘度会在固化过程中持续增长。如前文所述,考虑到筑路材料的施工和易性等问题,推荐使用转速为20 r/min。

图4 稀释环氧沥青EB25在不同剪切速率的粘度变化曲线Fig.4 Viscosity changes of EB25 at different shear rates

3 结论

研究了环氧沥青固化过程中的流变学特性,考虑不同影响因素(温度、稀释比、剪切速率)对固化行为的影响。得到以下主要结论。

1)温度显著影响环氧沥青的固化速度,温度越高固化速度越快,粘度变化越大。但对于稀释的环氧沥青而言,由于基质沥青的流变学特性的影响,导致温度越高其固化速度越快,但其粘度变化越小。

2)稀释行为显著影响环氧沥青的固化速度,稀释比越高(即基质沥青掺量越高),其固化速度越慢,过大的稀释比会导致环氧沥青的固化作用不再明显。

3)拌合速度显著影响环氧沥青的固化速度,高转速会干扰并破坏环氧沥青内部固化结构;而低转速不会过多的干扰固化结构的形成,其粘度会在固化过程中持续增长。

4)考虑筑路材料的施工和易性因素,确保开放交通后路面强度可以在固化作用下持续升高。推荐稀释比(环氧沥青:基质沥青)为25∶75,材料拌合速度为20 r/min,材料在拌合、运输及压实过程中温度应保持在130 ℃,道路施工需在5 h内结束。

未来将研究其它尺度下环氧沥青材料的力学行为,比如,胶浆和混合料尺度,进一步研究再生方法和技术,确保环氧沥青路面可以提供良好的路用性能,有效延长路面的使用寿命,又可以进行再生,提高材料的使用效率,最终大幅降低道路的全寿命投资成本。