技术前沿

环氧树脂掺量对蓄盐沥青混合料性能的影响

  • 成高立 , 1 ,
  • 李晓娟 2 ,
  • 周敦宏 3
展开
  • 1 陕西高速机械化工程有限公司,陕西 西安 710038
  • 2 陕西交控科技发展集团股份有限公司,陕西 西安 710077
  • 3 西安华泽道路材料有限公司,陕西 西安 710065

成高立(1969—),男,陕西蒲城人,正高级工程师,从事公路养护技术研究与道路新材料研发工作。E-mail:

收稿日期: 2023-07-31

  网络出版日期: 2024-01-16

基金资助

国家自然科学基金项目(61901056)

陕西省技术创新引导专项(基金)(2022CGBX-28)

陕西省重点研发计划项目(2023JBGS-18)

陕西省交通运输厅项目(16-12K)

Influence of Epoxy Resin Content on Performance of Salt-Storage Asphalt Mixture

  • CHENG Gaoli , 1 ,
  • LI Xiaojuan 2 ,
  • ZHOU Dunhong 3
Expand
  • 1 Shaanxi High-speed Mechanical Engineering Company Limited, Xi′an 710038, China
  • 2 Shaanxi Transportation Holding Group Co., Ltd., Xi′an 710077, China
  • 3 Xi′an Huaze Highway Material Co., Ltd., Xi′an 710065, China

Received date: 2023-07-31

  Online published: 2024-01-16

摘要

为增强沥青路面的融雪抑冰性能,降低冰雪对沥青路面造成的损害,制备了不同环氧树脂掺量下的蓄盐沥青混合料试件,并对其施工可操作性、路用性能、融雪抑冰性能等进行分析和评价。首先,采用旋转黏度试验与马歇尔稳定度试验,分别评估了不同环氧树脂掺量的环氧沥青胶结料和蓄盐沥青混合料的施工可操作性,并通过荧光显微镜(Fluorescence Microscopy, FM)观察了其微观结构并分析了其反应机理。在此基础上,基于车辙试验、低温弯曲试验、残留稳定度试验和冻融劈裂试验评价了蓄盐沥青混合料的路用性能。最后,借助盐化物释放试验与冰黏附试验分析了蓄盐沥青混合料的融雪抑冰性能。研究结果表明,与热塑性SBS改性沥青相比,不同环氧树脂掺量下蓄盐沥青混合料性能变化存在明显的阈值:当环氧树脂掺量小于等于30%时,其对蓄盐沥青混合料路用性能影响较小,但对其融雪抑冰性能影响显著;而当环氧树脂掺量大于30%时,蓄盐沥青混合料的路用性能显著提升,但同时其融雪抑冰性能受到不良的影响。通过荧光显微镜观察并分析可知:随着环氧树脂掺量的增加,环氧沥青体系发生了从“沥青为连续相、环氧固化物为分散相”到“沥青为分散相、环氧固化物为连续相”的相转变,导致性能发生了显著的变化。因此,在使用蓄盐沥青混合料时应该综合考虑其路用性能和融雪抑冰性能,建议内掺融雪剂的环氧沥青混合料中环氧树脂掺量为20%~30%。

本文引用格式

成高立 , 李晓娟 , 周敦宏 . 环氧树脂掺量对蓄盐沥青混合料性能的影响[J]. 交通运输研究, 2023 , 9(6) : 107 -118 . DOI: 10.16503/j.cnki.2095-9931.2023.06.011

Abstract

To effectively enhance the snow melting and anti-icing performance of asphalt pavement and reduce the damage caused by ice and snow to asphalt pavement, salt-storage asphalt mixture samples with different epoxy resin contents were prepared, and the constuction operability, the pavement performance, as well as the snow melting and anti-icing performance of the samples were analyzed and evaluated. Firstly, the viscosity test and Marshall stability test were used to evaluate the construction operability of epoxy asphalt binder and salt-storage asphalt mixtures with different epoxy resin contents separately, their microstructures were observed by FM(Fluorescence Microscopy) and the reaction mechanism was analyzed.Then, the pavement performance of salt-storage asphalt mixture was evaluated based on rutting test, low temperature bending test, residual stability test and freeze-thaw splitting test. Lastly, the snow melting and anti-freezing performance of salt-storage asphalt mixture was analyzed based on salt release test and ice adhesion test. Results show that there is an obvious threshold value for the performance change of salt-storage asphalt mixtures with different epoxy resin contents compared with thermoplastic SBS modified asphalt. When the content of epoxy resin is less than 30%, it has little effect on the pavement performance of salt-storage asphalt mixture, but it has obvious effect on the snow melting and anti-icing performance. While, when the epoxy resin content is greater than 30%, the epoxy resin can significantly improve the pavement performance of the salt-storage asphalt mixture, but it will also have a negative impact on the snow melting and anti-icing performance. According to the observation and analysis through FM, the reason is that with the increase of epoxy resin content, the epoxy asphalt system has undergone a phase transition from "asphalt as a continuous phase while epoxy curing as a dispersed phase" to "asphalt as a dispersed phase while epoxy curing as a continuous phase", resulting in significant changes in performance. Therefore, when using salt-storage asphalt mixture, the pavemet performance and snow melting and anti-icing performance should be considered comprehensively. It is suggested that the epoxy resin content in the epoxy asphalt mixture with snow melting agent is 20% ~ 30%.

0 引言

冬季路面结冰或积雪会对交通安全构成极大威胁,同时给人们的生产生活带来不便[1-4]。为保障冬季道路的畅通和安全,主动型除冰雪技术,如铺筑蓄盐沥青路面,已经逐渐成为解决道路冰雪问题的技术发展方向[5-6]。蓄盐沥青路面是将盐化物材料(通常为融雪剂,主要化学成分为氯盐,如氯化钠、氯化钙、氯化镁等)作为集料或填料掺入沥青混合料内,在化学与力学耦合作用下,将其嵌锁在沥青路面结构内部所形成的沥青路面[7-8]。但是,受路面结构空隙和融雪剂化学成分的影响,如氯化钠和氯化镁吸收大气中的水分或溶解在水中,沥青混合料的高温稳定性、水稳定性以及低温性能等会显著下降[9-10],严重限制其在寒冷地区的推广应用。因此,进一步改善蓄盐沥青混合料的耐久性能是当前蓄盐沥青路面相关技术研究的重点方向,也是其能否大范围推广应用的关键。
近年来,国内外学者利用道路工程领域现有试验材料与方法,针对蓄盐沥青路面技术展开了大量研究,这些研究涵盖了盐化物材料种类[11-12]、沥青胶结料类型[13-14]、混合料组成与设计方法[11]、路用性能与融雪抑冰性能及其评价方法等[15]诸多方面。既有研究发现,沥青胶结料类型对蓄盐沥青路面的性能有着最为显著的影响[11]。沥青胶结料一般分为热塑性和热固性两类。其中,热塑性沥青胶结料与融雪剂表面黏附力较弱,会加速融雪剂在潮湿环境或浸泡状态下的释放,从而导致蓄盐沥青混合料水稳定性大幅降低。比如,Luo[13]等采用高黏高弹改性沥青代替传统的SBS改性沥青制备了蓄盐沥青混合料,发现高黏高弹改性沥青可以减缓高温抗车辙性能和低温性能的衰减,但水稳定性未见明显改善。相较于热塑性沥青胶结料,热固性沥青胶结料通常在高温条件下发生化学反应,可以形成不可逆且不熔化的三维空间网络结构,从根本上改变沥青材料的热塑性特性,使混合料具有优异的耐久性、高温稳定性、抗疲劳性和水稳定性。比如,Min[16]等使用环氧沥青制备了蓄盐沥青混合料,研究表明盐化物融雪剂对沥青混合料的路用性能影响较小,同时,其水稳定性得到了显著改善,但其融雪抑冰能力低于普通SBS改性沥青。
目前,国内外学者关于蓄盐沥青混合料的研究主要集中在常规的热塑性沥青胶结料,而对热固性沥青胶结料的系统性研究还不完善。环氧沥青作为典型的热固性沥青胶结料,因具有优异的黏结性、强度、抗车辙、抗疲劳开裂等性能而被广泛应用于大跨径钢桥面铺装[17-18],被认为是新一代长寿命铺面材料。鉴于此,本研究基于环氧沥青的性能特点,结合蓄盐沥青混合料对胶结料的需求,进一步寻求环氧树脂掺量与施工可操作性、关键路用性能、融雪抑冰性能间的平衡,制备具有高性价比的低掺量蓄盐沥青混合料,以期延长蓄盐沥青路面使用寿命,减少全寿命周期内的维养次数。本文首先基于不同环氧树脂掺量制备了热固性环氧沥青胶结料以及蓄盐沥青混合料,利用旋转黏度试验与马歇尔稳定度试验研究其施工可操作性,并通过荧光显微镜(Fluorescence Microscopy, FM)观察其微观结构并分析其反应机理。然后对不同环氧树脂掺量的蓄盐沥青混合料的路用性能和融雪抑冰性能进行研究,以揭示热固性蓄盐沥青混合料的性能特点,以期为内掺融雪剂沥青路面的工程应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1)环氧树脂
本试验中环氧树脂由主剂和固化剂组成,均为实验室自制,其关键技术参数如表1所示。试验方法参照《胶黏剂黏度的测定》(GB/T 2794—2022)、《化工产品密度、相对密度的测定》(GB/T 4472—2011)、《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》(GB/T 528—2009 )。
表1 环氧树脂技术参数
类别 试验项目 技术要求 检测结果 试验方法
主剂 黏度(23 ℃)/(mPa·s) 1000~10000 6 821 GB/T 2794—2022
密度(23 ℃)/(g/cm3 1.00~1.20 1.14 GB/T 4472—2011
外观 无色透明液体
固化剂 黏度(23 ℃)/(mPa·s) 10~200 129 GB/T 2794—2022
密度(23 ℃)/(g/cm3 0.80~1.00 0.89 GB/T 4472—2011
外观 黄色液体
环氧树脂
(主剂∶固化剂=55∶45)
拉伸强度(23 ℃)/MPa ≥3.0 6.1 GB/T 528—2009
断裂伸长率(23 ℃)(%) ≥100 249 GB/T 528—2009

注:环氧树脂固化条件为60 ℃条件下放置4 d。

2)沥青
本试验中沥青选用SK-70#基质沥青和SBS改性沥青,其技术参数如表2所示。试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)。
表2 SK-70#基质沥青和SBS改性沥青技术参数
试验项目 检测结果 试验方法
SK-70#基质沥青 SBS改性沥青
针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm) 63.3 66 T 0604
延度(5 cm/min,5 ℃)/cm 37.2 T 0605
延度(5 cm/min,10 ℃)/cm 25.1 T 0605
软化点(环球法)/℃ 48.6 78 T 0606
RTFOT试验
质量损失(%) 0.15 0.4 T 0610
针入度比(25 ℃)(%) 66 72 T 0604
延度(5 cm/min,5 ℃)/cm 22 T 0605
延度(5 cm/min,10 ℃)/cm 8 T 0605
3)矿料
本试验矿料采用5~10 mm和3~5 mm碎石,0~3 mm机制砂和石灰石矿粉,技术参数分别如表3表4所示。试验方法参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)。
表3 粗细集料技术参数
试验
项目
技术
要求
5~10 mm
粗集料
3~5 mm
细集料
机制砂 试验方法
表观相对密度 ≥2.50 2.863 2.883 2.723 T 0304 / T 0328
毛体积相对密度 2.778 2.777 T 0304 / T 0328
表4 矿粉技术参数
试验项目 技术要求 检测结果 试验方法
表观密度/(g/cm3 ≥2.45 2.706 T 0352
亲水系数 ≤1 0.8 T 0353
外观 无团粒结块 无团粒结块
粒度
范围(%)
<0.6 mm 100 100 T 0351
<0.15 mm 90~100 92.8 T 0351
<0.075 mm 70~100 77.6 T 0351
4)融雪剂
本试验选用Mafilon融雪剂,主要化学成分为二氧化硅、氯化钠、氧化镁、氯化钙等,其关键技术参数如表5所示。试验方法参照《化工产品密度、相对密度的测定》(GB/T 4472—2011)、《化工产品中水分含量的测定 卡尔·费休法(通用方法)》(GB/T 6283—2008)、《无机化工产品中硅含量测定通用方法 还原硅钼酸盐分光光度法》(GB/T 23842—2009)、《无机化工产品 水溶液中pH值测定通用方法》(GB/T 23769—2009)、《粒度分布 激光衍射法》(GB/T 19077—2016)。
表5 Mafilon融雪剂技术参数
试验项目 技术要求 检测结果 试验方法
外观 类似于矿粉的
粉末状物质
密度/(g/cm3 2.25~2.35 2.28 GB/T 4472—2011
含水量(%) ≤0.5 0.2 GB/T 6283—2008
盐分含量(%) 55±10 56.0 GB/T 23842—2009
pH值 8~8.5 8.2 GB/T 23769—2009
粒度
范围
(%)
<0.6 mm 100 100 GB/T 19077—2016
<0.15 mm 90~100 90 GB/T 19077—2016
<0.075 mm 75~100 76.5 GB/T 19077—2016

1.2 制备方法

基于矿料筛分结果进行沥青混合料配合比设计。矿料配比为5~10 mm∶3~5 mm∶0~3 mm∶矿粉=40∶25∶27∶8,油石比为6.0%。
本研究中,环氧树脂掺量为10%, 20%, 30%, 40%, 50%的沥青混合料,分别记作EA10, EA20, EA30, EA40, EA50。EA10的级配如表6所示。
表6 沥青混合料EA10级配
级配
类型
通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)
13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
级配上限 100 100 85 70 55 40 32 23 14
级配下限 100 95 65 50 39 28 21 14 7
合成级配 100 98.9 78.0 61.2 46.4 36.9 29.1 18.6 10.1
需要注意的是,Mafilon融雪剂是一种与矿粉具有相似级配的粉末状材料,可以代替混合料中的部分或全部矿粉。然而,由于其密度(2.2~2.4 g/cm3)比矿粉密度(2.5~2.9 g/cm3)小,等质量置换矿粉会增大填料体积、降低沥青混合料的流动性,甚至导致结块,增大拌和及摊铺难度。此外,沥青混合料的空隙率变小将会影响冬季冻结抑制的效果。因此,进行蓄盐沥青混合料配合比设计时,需要修正融雪剂的添加量,修正方法如下:
m = ρ 2 ρ 1 m 0
式(1)中: m为置换后融雪剂的添加百分率(%); m 0为置换前填料的添加百分率(%); ρ 1为填料的表观相对密度; ρ 2为融雪剂的表观相对密度。
基于填充体积等效置换设计法,本文将矿粉全部替换为融雪剂。蓄盐沥青混合料制备流程如下:①按比例称取预热至60 ℃的环氧树脂主剂和固化剂,混合搅拌3 min后与一定比例预热至170 ℃的SK-70#基质沥青同时投入拌锅中,并与190 ℃热矿料搅拌混合均匀制得内掺融雪剂的环氧沥青混合料。②按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)成型试件,经60 ℃养护4 d并自然冷却至室温后进行性能测试。

1.3 测试方法

1.3.1 施工可操作时间

当环氧树脂主剂与固化剂混合后,环氧固化反应随即开始。若混合料未及时摊铺,会导致摊铺困难、碾压不实,甚至材料报废。因此,本文测试不同反应时间下的旋转黏度以及马歇尔稳定度,以此分析环氧沥青胶结料及蓄盐沥青混合料的施工可操作时间。此外,通过微观试验观察不同环氧树脂掺量下沥青胶结料的微观结构,并分析沥青胶结料的反应机理及相转变情况。

1.3.2 路用性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),分别对掺入融雪剂和未掺融雪剂的环氧沥青混合料开展车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验。

1.3.3 融雪抑冰性能

1)盐化物释放能力
试验时,首先将马歇尔试件浸入盛有蒸馏水的烧杯中,使用电导率仪进行测试,并通过式(2)建立电导率与融雪剂盐化物释放量的关系[16]。为防止测试过程中水分蒸发,烧杯用聚乙烯薄膜密封。
Q t = ( c - 0.05824 ) v ρ w 2.42865 S
式(2)中: Q t为试件表面累计融雪剂盐化物释放量,单位g/m2 c为电导率,单位ms/m; S为试件表面面积,单位m2 ρ w为水的密度,单位g/cm3,取为0.997 05 g/cm3 v为蒸馏水的体积,单位mL,本试验取1 500 mL。
2)冰黏附能力
沥青混合料黏附性试验如图1所示,其中不锈钢拉拔头直径为50 mm。试验时,在沥青混合料马歇尔试件表面滴加5 mL蒸馏水后放置不锈钢拉拔头,在 -10 ℃条件下冷冻24 h后,以50±1 mm/min的拉伸速率进行测试。
图1 沥青混合料黏附性试验

2 施工可操作性

环氧沥青胶结料为一种热固性材料,其黏度随反应时间增加而逐渐增大。因此,有必要研究环氧沥青胶结料黏度随时间的变化规律,从而确定环氧沥青混凝土的施工可操作时间。本文选择在170 ℃下采用Brookfield DV2T旋转黏度计,测试环氧沥青胶结料的黏度随时间的变化情况。图2为不同环氧树脂掺量下沥青胶结料与SBS改性沥青的黏时曲线。
图2 170 ℃下不同环氧树脂掺量下沥青胶结料与SBS改性沥青黏时曲线
图2可以看出,SBS改性沥青作为热塑性沥青胶结料,其黏度不随反应时间的延长而增大。不同环氧树脂掺量的沥青胶结料在起始阶段黏度增长较快,随后逐渐趋于平稳。其主要原因如下:第一,高温条件下沥青黏度较低,在环氧沥青固化网络结构尚未形成时,低黏度沥青对环氧树脂网络具有一定的稀释作用。并且,随着环氧树脂掺量增加,沥青的稀释作用减小。第二,在反应前期,热拌环氧树脂的交联密度仍较低,生成的低聚物仍具备热塑性。随着反应时间的延长,环氧树脂反应完全,黏度趋于稳定。基于此,建议热拌环氧沥青混合料温度控制在170 ℃以上,以获得更长的施工可操作时间。除环氧树脂胶结料黏时曲线外,环氧沥青混合料反应时间也是评价环氧沥青施工可操作性的常用指标之一。图3为不同环氧树脂掺量下蓄盐沥青混合料的马歇尔稳定度随反应时间变化曲线。
图3 不同环氧树脂掺量下蓄盐沥青混合料的马歇尔稳定度随反应时间变化曲线
图3可知,随着反应时间延长,环氧沥青混合料的马歇尔稳定度逐渐降低。然而,当环氧树脂掺量较低(如10%, 20%)时,随着反应时间的增加,其马歇尔稳定度衰减率与SBS改性沥青差异较小,施工可操作时间大约为6 h。当环氧树脂掺量增加至30%, 40%, 50%,马歇尔稳定度衰减率将显著增大,施工可操作时间分别缩短至4 h, 3 h, 3 h。
为了获得不同环氧树脂掺量下施工可操作性差异的微观机理,通过荧光显微镜观察不同环氧树脂掺量下沥青胶结料的微观结构,并分析胶结料反应机理与相转变情况。通常,环氧树脂在高能光束下被激发出黄色荧光,在显微镜中显示为黄色,而沥青不会被激发出荧光,在显微镜中显示为黑色。因此,当不同掺量的环氧树脂与沥青混合并固化后,在荧光显微镜下可有效分辨二者的分布状态。不同环氧树脂掺量的环氧沥青胶结料荧光显微图像如图4所示,EA10, EA20, EA30, EA40, EA50分别表示环氧树脂掺量为10%, 20%, 30%, 40%, 50%。
图4 不同环氧树脂掺量的环氧沥青胶结料荧光显微图像
图4可知,环氧树脂掺量为10%, 20%时,图像大面积呈暗黑色,只有少许黄色荧光,此时沥青为连续相,环氧固化物为颗粒状,环氧固化物作为分散相均匀分散于沥青连续相体系之中。当环氧树脂掺量增加至30%时,图像出现了大量的黄色荧光(图中色彩明亮的部分),颗粒状的环氧树脂固化物逐渐彼此团聚成核,其数量和尺寸也随之增大,粒子间的聚集增多。当环氧树脂掺量增加到40%, 50%时,环氧固化物不再呈颗粒状,而是彼此交联,形成网状结构。此时环氧固化物为连续相,沥青为颗粒状,其作为分散相均匀分散于环氧固化物连续相体系之中。说明当环氧树脂掺量较小时,环氧固化物自行团聚,此时并未形成网状结构,未改变沥青的热塑性特性,虽然对沥青性能有一定影响,但改性效果不明显。当环氧树脂掺量增加到一定阈值时,环氧树脂固化交联形成空间网状结构,此时沥青分子运动受到环氧固化网络约束,从根本上改变了沥青的热塑性特性,材料性能显著提升[18]
结合图2图3可知,环氧树脂掺量较低时,环氧沥青胶结料中环氧树脂固化物为分散相,而沥青为连续相,环氧树脂固化物分散于沥青胶体中,这使得环氧沥青表现出热塑性,从而延长了施工可操作时间。在低掺量下,沥青的热氧老化是材料性能衰减的主要原因。随着环氧树脂掺量的增加,环氧沥青胶结料逐渐由“环氧固化物为分散相、沥青为连续相”逐渐转变为“环氧固化物为连续相,沥青为分散相”,这导致集料表面油膜成分由沥青转变为环氧固化物。同时,随着环氧固化反应的进行,环氧固化物分子量逐渐增大,导致相邻集料表面油膜间形成的化学键减少,从而使得黏结力减小,材料力学性能逐渐下降。在高掺量下,高分子量环氧树脂固化物的化学反应性降低是其性能衰减的主要原因,其次是沥青的热氧老化。

3 路用性能分析

3.1 高温稳定性

对不同环氧树脂掺量下的蓄盐沥青混合料进行车辙试验获得其动稳定度,以评价混合料的高温稳定性。试验结果如图5所示。
图5 沥青混合料高温稳定性试验结果
由5(a)可知,在不同环氧树脂掺量下,掺入融雪剂后沥青混合料高温稳定性均有不同程度的下降,说明融雪剂材料特性是影响沥青混合料高温稳定性的重要因素。这是由于石灰石矿粉表面纹理构造粗糙且微孔隙结构丰富,可以与沥青形成充分的润湿包裹作用,提升沥青与矿粉的相互作用能力。但当融雪剂全部替代矿粉材料后,与沥青的交互作用减弱,无法在融雪剂表面形成吸附溶解膜。同时,高温导致沥青软化润滑作用增强,盐化物颗粒之间黏聚力下降,导致高温性能下降[10]
图5(b)中,残留动稳定度比值是掺入融雪剂与未掺融雪剂的沥青混合料动稳定度之比。由该图可知,随着环氧树脂掺量的增加,沥青混合料高温稳定性提高。这是由于随着环氧树脂掺量的增加,沥青与环氧固化物网络体系发生相反转,连续相由沥青转变为环氧固化物,从而使环氧沥青从热塑性转变为热固性。在高温条件下,沥青胶体颗粒被环氧固化物网络束缚,流动能力大幅下降,从而提高了其高温稳定性。

3.2 低温抗裂性

通过低温弯曲破坏试验获得不同环氧树脂掺量下的沥青混合料破坏时的最大弯拉应变,以评价沥青混合料的低温抗裂性能。混合料破坏应变越大,其低温抗裂性能越好。试验结果如图6所示。
图6(a)可知,掺入融雪剂后,沥青混合料的最大弯拉应变减小,即低温抗裂性能下降,但仍满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中对沥青混合料最大弯拉应变不小于2 800 με的要求。此外,随着环氧树脂掺量的增加,沥青混合料的最大弯拉应变减小,其主要原因在于环氧树脂固化反应导致其化学交联密度增大,体系的玻璃化转变温度和β转变温度升高,导致材料变脆,表现出对变形的适应性下降,即最大弯拉应变逐渐减小[17]
图6 沥青混合料低温抗裂性试验结果
图6(b)中,残留最大弯拉应变比是掺入融雪剂与未掺融雪剂最大弯拉应变之比。由该图可知,不同环氧树脂掺量下,混合料残留最大弯拉应变比均大于85%,说明融雪剂的掺入对沥青混合料的低温抗裂性能影响较小,这与既有文献研究结论一致[10,16]

3.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验,分别获得浸水前后、冻融前后沥青混合料马歇尔稳定度的变化情况,从而评价其抵抗水损害的能力。不同环氧树脂掺量下沥青混合料水稳定性试验结果如图 7 所示。
图7 沥青混合料水稳定性试验结果
图7(a)图7(b)可知,随着环氧树脂掺量的增加,掺入与未掺融雪剂的沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均增大,但掺入与未掺融雪剂的沥青混合料变化趋势不同。当未掺融雪剂且环氧树脂掺量为10%, 20%时,其水稳定性与SBS改性沥青基本相当;当未掺融雪剂且环氧树脂掺量超过30%后,残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均大于90%。这是由于随着环氧树脂掺量的增加,环氧树脂与固化剂经高温反应后形成的固化物交联密度增大,三维网络增强,沥青颗粒被束缚在环氧树脂固化物网络内部,提高了沥青混合料的抗水损害能力。然而,当矿粉完全被融雪剂取代后,沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂残留强度比较未掺融雪剂时出现了较明显的下降,尤其是环氧树脂掺量为10%和20%时下降明显;随着环氧树脂掺量的增加,沥青混合料水稳定性增强;当环氧树脂掺量大于等于40%时,残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均大于90%,表现出良好的水稳定性。
分析原因,就SBS改性沥青而言,矿粉表面含有的高价阳离子可与沥青产生化学吸附,形成稳定的吸附膜;而融雪剂中含有大量的钠离子、氯离子等,在混合料拌和过程中与沥青产生的化学吸附膜极不稳定,严重影响沥青与矿料之间的黏结效果。此外,氯盐溶于水中形成盐溶液,渗入混合料中会加速沥青从矿料表面剥落,从而降低了沥青混合料的水稳定性和耐久性。然而,当环氧树脂掺量为10%和20%时,环氧树脂固化物网络作为分散相分散于沥青胶体体系,未改变沥青的热塑性特性,其作用机理与SBS改性沥青相同。而当环氧树脂掺量大于等于30%时,环氧树脂固化后形成了稳定的热固性体系,沥青作为分散相填充于环氧树脂固化物网络,并将沥青颗粒束缚在集料表面,同时融雪剂也被环氧树脂三维网络包裹,使得环氧树脂改性沥青与矿料的界面黏附力远大于沥青与矿料的界面黏附力,从而大幅提高了沥青混合料的水稳定性和耐久性。有学者研究发现[16],由于环氧树脂掺量大于30%,形成了交联网络结构,因此融雪剂对沥青混合料的路用性能影响较小,这与本文研究结论一致。

4 融雪抑冰性能分析

4.1 盐化物释放能力

融雪剂从沥青混合料中析出并且溶解在水中时,可以降低雪/冰与路面的界面黏附力,从而实现融雪除冰。因此,常以沥青混合料的电导率表征融雪剂中盐化物的释放能力。不同环氧树脂掺量下蓄盐沥青混合料中盐化物释放量与时间关系曲线如图8所示。
图8 蓄盐沥青混合料盐化物释放量与时间关系曲线
图8可知,SBS改性沥青混合料和环氧沥青混合料,其盐化物释放基本可以分成两个阶段:1~5 h内,盐化物释放量随着时间增加而急剧增加;5 h后,盐化物释放量逐渐趋于稳定增长状态。这是由于在初始状态下,试件表面富集大量的盐化物,这些盐化物可以迅速析出并溶解于水中,使初期析出率较大。但随着时间的增长,混合料表面以下及混合料内部,例如孔隙中的融雪剂才开始逐渐析出,这是一个较为缓慢的过程,并处于一种平稳析出状态。
此外,环氧树脂掺量对沥青混合料内盐化物析出量也有显著影响。当环氧树脂掺量为10%时,其盐化物析出量与SBS改性沥青混合料的盐化物析出量相差较小;但随着环氧树脂掺量的增加,环氧沥青混合料的盐化物析出量要低于SBS改性沥青混合料,且环氧树脂掺量越高其盐化物析出量越小。这是由于环氧沥青是一种热固性材料,其交联网络束缚了融雪剂的移动能力,从而限制其析出速率。这在一定程度上可以减少雨水冲刷导致的融雪成分损失,并延长其发挥融雪除冰功效的时间。

4.2 冰黏附能力

通过沥青混合料拉拔试验测定不同环氧树脂掺量下沥青混合料与不锈钢拉拔头凝冰层间的黏附力。试验结果如图9所示。
图9 沥青混合料冰黏附试验结果
图9(a)可知,未掺融雪剂时,不同类型的沥青混合料拉拔强度相差较小,均为0.4 MPa左右,即拉拔强度与沥青混合料类型、环氧掺量均无关。掺入融雪剂后,试件与凝冰层间的黏附力远低于未掺融雪剂时,仅为未掺融雪剂试件的20%~35%,表现出良好的抑冰黏附能力。
图9(b)中,残留拉拔强度比为未掺融雪剂与掺入融雪剂时的拉拔强度之比。由该图可以看出,随着环氧树脂掺量的增加,掺入融雪剂的沥青混合料拉拔强度逐渐增大。这是由于环氧树脂改性沥青交联网络包裹了融雪剂,使得融雪剂释放速率较SBS改性沥青混合料慢,在试件表面聚集的融雪剂含量低于SBS改性沥青混合料,但却能有效地降低混合料试件与钢拉拔头之间的黏结力。因此,沥青混合料掺加融雪剂后可有效降低路面与凝冰层间的黏附力。有学者研究发现[16],当环氧树脂掺量大于30%时,环氧树脂交联网络将限制融雪剂的移动,此时环氧沥青混合料的融雪抑冰能力低于普通SBS改性沥青,与本研究结论一致。

5 结束语

本文通过试验,研究了不同环氧树脂掺量下蓄盐沥青混合料的施工可操作性、路用性能和融雪抑冰性能,对比分析了掺入和未掺融雪剂的环氧沥青混合料的性能特性,得出如下结论。
1)蓄盐沥青混合料的施工可操作时间随环氧树脂掺量的增加和反应时间的延长而缩短,同时马歇尔稳定度逐渐降低。环氧树脂掺量为10%, 20%, 30%, 40%和50%时,施工可操作时间分别为6 h, 6 h, 4 h, 3 h和3 h。
2)蓄盐沥青混合料高温稳定性及水稳定性均随着环氧树脂掺量的增加而增强,表现出显著的抗车辙能力和优异的抗水损害能力。
3)蓄盐沥青混合料的低温抗裂性随着环氧树脂掺量的增加而下降,但仍能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。
4)蓄盐沥青混合料盐化物释放可分为两个阶段,1~5 h内,盐化物释放量随时间延长而显著增加;5 h后,盐化物释放量逐渐趋于稳定增长状态。其原因是,随着环氧树脂掺量的增加,环氧交联网络束缚了融雪剂的移动能力,降低了其析出速率,导致盐化物释放量趋于平稳。
5)蓄盐沥青混合料与凝冰层间的黏附力仅为未掺融雪剂的沥青混合料的20%~35%,表现出良好的抑冰黏附能力。
本文系统分析了不同环氧树脂掺量下蓄盐沥青混合料的施工可操作性、路用性能和融雪抑冰性能,通过荧光显微镜观察了不同环氧树脂掺量下的沥青胶结料的微观结构并分析了其反应机理。在具体的工程应用中,可根据需要选取上述检测指标,建立蓄盐沥青混合料结构-性能评价体系。本文仅基于室内试验对蓄盐沥青混合料的性能进行评价,后续可结合实际应用情况进一步完善这一评价。未来可重点研究不同环氧树脂掺量在不同条件下的适用性,以便根据应用场景推广蓄盐沥青路面。
[1]
杨凤至, 李根, 曹玉海, 等. 近十年国内外融雪剂研发与应用的文献分析[J]. 中外公路, 2022, 42(4):272-278.

[2]
PAN P, WU S, XIAO Y, et al. A review on hydronic asphalt pavement for energy harvesting and snow melting[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 48: 624-634.

[3]
李长雨. 氯盐融雪剂对沥青混合料路用性能影响研究[J]. 中外公路, 2016, 36(2):248-252.

[4]
KWESI M, JONG M. Review of technologies for snow melting systems[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2015, 29(12): 5507-5521.

[5]
喻文兵, 李双洋, 冯文杰, 等. 道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析[J]. 冰川冻土, 2011, 33(4): 933-940.

[6]
樊海滨. 国外融雪材料在冬季除雪中的使用[J]. 筑路机械与施工机械化, 2006(11):5-7.

[7]
LIU S, ZHENG N, YANG J, et al. Ice melting performance of deicersand their effect on stripping resistance of asphalt mixture[J]. Journal of Southeast University (English Edition), 2016, 32(3): 327-332.

[8]
XU H, WANG D, Tan Y, et al. Investigation of design alternatives for hydronic snow melting pavement systems in China[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 170: 1413-1422.

[9]
郑武西, 区桦, 宗炜. 道路融雪剂“精细化”使用技术研究与应用[J]. 公路, 2022, 67(1):344-348.

[10]
龚演, 徐剑, 刘凯, 等. 掺盐化物融雪剂沥青混合料的性能评价[J]. 公路交通科技, 2022, 39(6):17-24.

[11]
刘状壮, 沙爱民, 蒋玮. 蓄盐沥青路面研究进展:盐化物材料、混合料及其性能与评价[J]. 中国公路学报, 2019, 32(4):18-31.

[12]
LIU Z, XING M, CHEN S, et al. Influence of the chloride-based anti-freeze filler on the properties of asphalt mixtures[J]. Construction and Building Materials, 2014, 51(1): 133-140.

[13]
LUO S, YANG X. Performance evaluation of high-elastic asphalt mixture containing deicing agent Mafilon[J]. Construction and Building Materials, 2015, 94: 494-501.

[14]
SHU W, MICHELLE A, YOU Z, et al. Effect of deicing solutions on the tensile strength of micro-or nano-modified asphalt mixture[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25: 195-200.

[15]
LIU Z, SHA A, HE R, et al. Antifreeze asphalt mixtures design and antifreeze performances prediction based on the phase equilibrium of natural solution[J]. Cold Regions Science and Technology, 2016, 129: 104-113.

[16]
MIN Z, XIA Y, LI X, et al. Performances evaluation of epoxy asphalt mixture containing snow-melting agent[J]. Construction and Building Materials, 2017, 155: 762-769.

[17]
王朝辉, 傅一, 陈谦, 等. 环氧沥青混凝土桥面铺装材料研究与应用进展[J]. 材料导报, 2018, 32(9):2992-3009.

[18]
KANG Y, SONG M, PU L, et al. Rheological behaviors of epoxy asphalt binder in comparison of base asphalt binder and SBS modified asphalt binder[J]. Construction and Building Materials, 2015, 76: 343-350.

文章导航

/