新型高温热固树脂SCO改性沥青混合料性能研究

李 凯， 李 璐， 刘 攀， 盛兴跃， 刘 洋

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 401336； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

随着我国交通基础建设不断扩容和延伸，跨江跨海的大跨径桥梁在交通路网中越发突出，特别是大跨径钢桥建设的数量和规模不断增长，随之钢桥面铺装工程也成为桥梁建设和发展的关键技术之一[1]。

相较普通沥青路面，钢桥面铺装存在以下特殊建设条件：1) 铺装层受力复杂、局部变形大；2) 钢箱梁的储热效应，使得钢板温度较高，致使铺装层的温度要比普通沥青路面高，且持续时间长；3) 高温重载现象严重，交通量大。这些不利因素对钢桥面铺装材料带来了极大的挑战[2-4]。

目前，钢桥面铺装材料常采用改性沥青[5-9]，其中环氧沥青性能优异，尤其是高温抗车辙性能是普通沥青混合料的7～10倍，因此近些年被广泛用于钢桥面铺装。但同时因环氧沥青价格高昂，且在北方寒冷地区，混合料存在低温抗裂性能不足、易开裂等问题，致使铺装层使用耐久性降低[10-14]，使用区域受气候条件限制。

为此，本研究针对现有钢桥面铺装材料，自主研发了一种新型的高温热固树脂SCO改性沥青，其属于热固性树脂改性沥青体系，通过室内试验对其混合料性能进行研究，以推动钢桥面的铺装建设发展及技术进步，为钢桥面新材料创新开发提供参考。

1 试验

1.1 原材料

1) 基质沥青

基质沥青为韩国SK-70#，按照《道路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]中的相关试验方法与要求对沥青的三大指标(针入度、延度、软化点)、密度、旋转粘度进行测定，结果如表1所示。

表1 基质沥青基本指标

2) 树脂SCO改性剂

采用一种高温热固反应型树脂SCO作为沥青改性剂，主要由组分A和组分B组成，组分A常温下为透明液体，粘度较小；组分B为固化剂，体系比例为6∶1，其能够在高温条件下进行反应且与沥青具有较好的相容性。该树脂的基本性能指标如表2所示。

表2 高温热固反应型树脂SCO基本性能

3) 集料及矿粉

粗、细集料均采用玄武岩，坚硬无杂质，矿粉为磨细石灰石，干燥无结团现象。粗集料、细集料及矿粉技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的相应要求。

1.2 高温热固树脂SCO改性沥青及混合料制备

1) 将基质沥青加热到 135 ℃，使其具有较好的流动性；2) 按质量比例(46∶54)将配制好的高温热固树脂SCO与基质沥青进行混合；3) 在温度170 ℃、转速2 000 r/min下，使用恒速搅拌器搅拌30 min，即可制得高温热固树脂SCO改性沥青；4) 将制得的改性沥青与烘干的集料按一定油石比在170 ℃拌锅中拌和3 min～5 min，拌和中严格控制温度，即制得高温热固树脂SCO改性沥青混合料。

1.3 试验方法

1) 粘度测试

采用旋转粘度仪测试高温热固树脂SCO改性沥青的粘度，转子选用S27，转速为50 r/min，将高温热固树脂SCO改性沥青试样按一定量(约12 g)添加到粘度计的盛样筒中进行保温，待温度稳定后进行试验。

2) 力学性能测试

参考标准《塑料拉伸性能标准测试方法》(ASTM D638—2014)，采用微控电子万能试验机进行试样拉伸力学性能测试，拉伸速率控制为100 mm/min，每个试样测3次取平均值。步骤如下：(1) 将试样夹在试验机夹具中间，确保试件夹牢，且不偏斜；(2) 在控制器平台对各个测试指标清零后开始试验；(3) 待试件拉断后停止试验并记录数据；(4) 更换试件，依次进行，直至完成所有试件。

3) 混合料性能测试

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[15]要求，测试高温热固树脂SCO改性沥青的马歇尔稳定度、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及疲劳性能。

1.4 矿料级配及最佳油石比的确定

结合钢桥面铺装材料结构，采用EA-10型级配，其矿料合成级配曲线如图1所示。按矿料设计级配成型5组油石比，分别为5.9%、6.2%、6.5%、6.8%、7.1%的混合料马歇尔试件，待试件完全固化后测试其马歇尔指标及体积参数，试验结果如表3所示。根据相关指标参数，最终得到高温热固树脂SCO改性沥青混合料的最佳油石比为6.7%。

图1 矿料合成级配曲线

表3 混合料马歇尔试验结果

2 试验结果及分析

2.1 高温热固树脂SCO改性沥青力学性能

将制备好的高温热固树脂SCO改性沥青浇入聚四氟乙烯模板上，控制厚度为2 mm～3 mm，在常温下养护完全后进行测试，拉伸试验装置如图2所示。以拉伸强度和断裂伸长率为力学性能指标进行评价，并与环氧沥青对比研究，结果如表4所示。

图2 高温热固树脂SCO改性沥青拉伸试验装置

表4 拉伸试验结果

由表4知，高温热固树脂SCO改性沥青拉伸强度大于3 MPa，相比环氧沥青略低，其断裂伸长率大于400%，是环氧沥青的4倍。表明高温热固树脂SCO改性沥青在满足强度要求的同时，较环氧沥青的抗变形能力更为突出，柔韧性更好。

2.2 高温热固树脂SCO改性沥青粘时特性

采用Brookfield粘度测试了高温热固树脂SCO改性沥青在150 ℃、160 ℃、170 ℃下的粘度随时间的变化特征，并对比研究了170 ℃下高温热固树脂SCO改性沥青与环氧沥青的可操作时间，结果如图3、图4所示。

由图3、图4可知，高温热固树脂SCO改性沥青在150 ℃、160 ℃、170 ℃下粘度增长随时间变化特征有所不同：温度越低，该体系粘度随时间增长越快，可操作时间越短。150 ℃高温热固树脂SCO改性沥青可操作时间为90 min左右，改性沥青体系交联反应过快，难以满足正常施工时间需求；随着改性温度的升高，其可操作时间逐渐延长，160 ℃下为220 min，170 ℃达到280 min，改性沥青体系固化交联变缓，对施工操作非常有利。在相同温度下，与环氧沥青对比可以看出，新型高温热固树脂SCO改性沥青与环氧沥青可操作时间相当，但2种改性沥青粘度增长趋势有所差异，环氧沥青先快后慢，高温热固树脂SCO改性沥青则相反。

图3 不同温度下高温热固SCO改性沥青粘度随时间变化曲线

图4 170 ℃下2种改性沥青粘度随时间变化曲线

2.3 养护温度及龄期对混合料影响

高温热固树脂SCO改性沥青属于热固性材料，其强度的形成与固化速度有直接关系，在不同温度及时间条件下，强度的增长规律不同。热固型改性沥青材料应先确定混合料强度发展规律及合适的养护条件，只有混合料强度稳定后，才能准确反映材料的性能。

以最佳油石比制备2组高温热固树脂SCO改性沥青混合料，一组置于常温条件下养护，一组置于70 ℃恒温烘箱中进行养护，养护时间为3 d、5 d、7 d、9 d、11 d，平行试件为4个，按规范[15]进行马歇尔性能测试，结果如图5所示。

(a) 混合料稳定变化规律

(b) 混合料流值变化规律

由图5可以看出，养护温度和养护时间对其马歇尔性能均有较大影响。从稳定度指标分析，养护初期混合料稳定度增长较快，养护后期增长缓慢；整个养护过程中，高温养护强度大于常温养护，且高温养护下的马歇尔稳定度较常温养护下的稳定；高温养护下混合料马歇尔稳定度峰值为64.1 kN(7 d)，是常温养护峰值的1.6倍，继续延长养护时间，其强度保持稳定，几乎不再增加。从流值指标看，2种养护条件下的混合料流值均较大，混合料弹性变形较好，当养护7 d时，其流值最低。综上分析，确定高温热固树脂SCO改性沥青混合料的养护温度为70 ℃，养护时间为7 d。

2.4 混合料高温稳定性评价

采用车辙试验对高温热固树脂SCO改性沥青混合料的耐高温性能进行测试，以动稳定度及车辙深度指标对其高温稳定性进行评价，并与SBS改性沥青混合料、环氧沥青混合料进行了对比研究，结果如表5所示。

由表5可知，60 ℃温度条件下高温热固树脂SCO改性沥青混合料动稳定度与环氧沥青混合料相当，达到37 000次/mm，且变形十分微小，车辙深度仅为0.38 mm，较SBS改性沥青混合料高温性能明显提升，与环氧沥青相当，高温性能非常优异，可满足钢桥面在极端高温及重载环境下的技术要求。

表5 3种沥青混合料高温车辙试验结果

2.5 混合料低温抗裂性评价

采用低温小梁弯曲试验对高温热固树脂SCO改性沥青混合料的低温性能进行测试，以最大弯拉强度、最大弯拉应变及劲度模量指标评价其低温抗裂性能，并与SBS改性沥青、环氧沥青进行了对比研究，结果如图6所示。

(a) 混合料低温弯拉强度及最大弯拉应变

(b) 混合料低温弯曲劲度模量

由图6可知，高温热固树脂SCO改性沥青混合料抗弯拉强度为16.7 MPa，较SBS改性沥青混合料提升1.6倍，但低于环氧沥青混合料；高强度小变形是环氧沥青混合料在钢桥面应用产生开裂的主要因素之一，而高温热固树脂SCO改性沥青混合料低温强度在满足规范要求基础上有了一定的改善，同时其最大弯拉应变指标为7 556 με，较SBS改性沥青混合料及环氧沥青混合料都有较大提升，说明高温热固树脂SCO改性沥青混合料低温性能更加优异，可降低低温下铺装层开裂病害发生的几率。

2.6 混合料水稳定性评价

水稳定性不足会导致沥青路面出现坑槽，使得铺装层的整体使用性能衰减。采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行测试研究，并对水损害前后混合料的力学性能进行评价。

1) 浸水马歇尔试验

采用EA-10级配在最佳油石比状态下成型马歇尔试件，待试件在70 ℃条件下固化7 d后将试件分为2组，一组常温放置，一组放置水中浸泡，按照规范[15]测试浸水前后马歇尔试件的稳定度。计算高温热固树脂SCO改性沥青混合料的残留稳定度MS0，并与SBS改性沥青混合料、环氧沥青混合料进行对比分析，结果如表6所示。

由表6可知，SBS改性沥青混合料马歇尔稳定度为11 MPa左右，而环氧沥青混合料和高温热固树脂SCO改性沥青混合料马歇尔稳定度均大于50 MPa，说明高温热固树脂SCO改性沥青混合料较一般改性沥青混合料在力学性能上有较大提升；3种沥青混合料经过48 h浸水后，SBS改性沥青混合料与环氧沥青混合料受水作用影响均较小，其残留稳定度仅降低了4%～6%，而高温热固树脂SCO改性沥青混合料残留稳定度降低了89%，说明浸水对其稳定度有显著消极影响，但稳定度下降程度较小，浸水后马歇尔稳定度依然大于50 MPa。总体来看，高温热固树脂SCO改性沥青混合料水稳定性能良好。

表6 3种改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果

2) 冻融劈裂试验

采用EA-10级配在最佳油石比状态下成型马歇尔试件，按照规范[15]要求，冻融劈裂马歇尔试件双面击实50次，待试件在70 ℃条件下固化7 d后进行试验，根据规范[15]计算其劈裂弯拉强度及冻融劈裂比(TSR)，并与SBS改性沥青混合料、环氧沥青混合料进行对比分析，结果如表7所示。

表7 3种改性沥青混合料劈裂试验结果

由表7可知，SBS改性沥青混合料劈裂强度小于1 MPa，高温热固树脂SCO改性沥青混合料相对有一定幅度的提升，其劈裂强度约为1.5 MPa，环氧沥青混合料劈裂强度则最高，约为2.8 MPa。冻融循环后，3种沥青混合料TSR大小依次为：高温热固树脂SCO改性沥青混合料>环氧沥青混合料>SBS改性沥青混合料，目前两者的TSR均大于90%，说明冻融循环对二者水稳定性影响不大。

综上分析，高温热固树脂SCO改性沥青混合料水损坏前后力学性能均表现较好，且满足钢桥面规范要求。

2.7 混合料疲劳性能评价

试件尺寸为63.5 mm×50 mm×400 mm，试验控制模式为应变控制，微应变水平600 με，加载频率10 Hz，采用BFA液压独立式四点弯曲疲劳试验对高温热固树脂SCO改性沥青混合料的疲劳性能进行测试，并与SBS改性沥青混合料及环氧沥青混合料进行比较，结果如表8所示。

表8 3种改性沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果(15 ℃)

从表8可知，在同一应变水平下，SBS改性沥青混合料在疲劳次数86.2万次时发生破坏，其劲度模量同时也衰减了50%， 而高温热固树脂SCO改性沥青混合料与环氧沥青混合料均在100万次以上，且当疲劳次数为100万次时，2种混合料劲度模量均未衰减到50%，说明热固性体系铺装材料相对于热塑性普通改性沥青铺装材料疲劳性能有着绝对的优势，也说明高温热固树脂SCO改性沥青混合料在长期荷载作用下具有较好的疲劳性能。

3 结论

1) 拉伸试验表明，高温热固树脂SCO改性沥青满足规范要求，且较环氧沥青抗变形能力更为优异，柔韧性更好，在170 ℃下具有较长的可操作时间280 min，可很好地满足工程施工需求。

2) 马歇尔及车辙试验表明，确定了高温热固树脂SCO改性沥青混合料的养护稳度为70 ℃，养护龄期为7 d，固化后的高温热固树脂SCO改性沥青混合料具有较强的高温抗变形能力，与环氧沥青混合料相当，但较SBS改性沥青混合料有很大的提升。

3) 低温小梁弯曲试验表明，相比环氧沥青混合料，高温热固树脂SCO改性沥青混合料在低温强度上有一定改善，其低温变形能力有大幅度提升，低温脆性较小，低温抗裂性能更加优异。

4) 综合残留稳定度和冻融劈裂强度比指标表明，高温热固树脂SCO改性沥青混合料水稳定性能良好，能够满足钢桥面使用规范要求，同时其四点弯曲疲劳次数超过100万次，与环氧沥青混合料相当，具有较好的疲劳性能。