环氧改性沥青结合料：混合工艺、固化行为与树脂类型对流变及温敏性能的影响

《Infrastructures》：Epoxy-Modified Asphalt Binder: Effects of Mixing Procedure, Curing Behavior, and Resin Type on Rheological and Temperature-Dependent Performance

　　

环氧树脂因其交联能力而被日益视为沥青改性剂中的活性聚合物，可改善沥青结合料的弹性、耐久性和抗永久变形能力。本研究采用环氧树脂对常规沥青结合料进行改性，考察了三种环氧掺量、两种树脂固化技术及三种混合工艺。研究发现，不恰当的添加顺序或过长的混合时间会促进相分离及聚合物在沥青结合料中的不完全分散，尤其在高环氧掺量下更为明显。采用先加入固化剂的短时高剪切混合方式，可获得环氧含量高达30%的最均匀改性沥青结合料。环氧改性将高温性能等级（PG）从对照及10%环氧改性结合料的64°C提升至20%和30%环氧改性结合料的70°C。增加环氧掺量还增强了高温抗车辙能力，表现为G*/sinδ值升高、不可恢复蠕变柔量（Jnr）降低以及多应力蠕变恢复（MSCR）试验中弹性恢复率（R）提高。相反，线性振幅扫描（LAS）疲劳寿命随环氧掺量增加而下降，而低温性能在10%和20%环氧改性结合料中有所降低，但在30%环氧掺量下与对照结合料相当。总体而言，研究结果表明，在实际现场应用中需谨慎优化环氧掺量、混合策略与固化方案。

一、研究背景与问题

沥青结合料作为典型的粘弹性材料，其性能强烈依赖于温度、加载速率和老化程度。虽然传统石油基沥青在温和条件下表现尚可，但在极端温度下存在明显缺陷：高温时易软化导致永久变形（车辙），低温时则变硬脆化，丧失应力松弛能力从而引发开裂。反复交通荷载进一步加速疲劳开裂，长期氧化老化则会加剧这些不利影响。

为克服上述局限，研究者开发了多种改性策略。聚合物改性（如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯SBS改性沥青）虽改善了刚度、弹性和抗裂性的平衡，但在极端温度、重载交通或长期氧化条件下仍存在性能损失。对于服役寿命更长的路面（尤其在炎热气候地区），迫切需要比传统热塑性聚合物更能形成持久内部结构的先进反应性改性剂。

环氧树脂因其交联能力而成为高性能沥青改性中最具前景的候选材料之一。环氧-沥青技术已在钢桥面铺装等特殊应用领域使用数十年，其优势在于能形成贯穿沥青的三维网络结构，显著提高高温刚度、内聚强度和抗流动能力。然而，环氧改性也面临挑战：完全固化的环氧-沥青往往刚度过大，可能降低松弛能力，增加疲劳和热裂风险；固化过程复杂，通常涉及高温固化及后续环境条件下的持续后固化；不当的混合或添加顺序可能导致过早凝胶化或相分离，造成不均匀的结合料；此外，有限的施工操作时间（pot-life）和混合工艺敏感性也限制了现场应用。

尽管已有研究探讨了环氧含量和类型，但鲜有工作系统地考察混合工艺、固化动力学以及快速与慢速固化环氧体系在受控条件下的对比效应。这些参数对均质性、反应速率和最终结合料性能影响重大，现有文献对此表征不足。因此，亟需一项更为系统和可控的比较研究。

二、研究目的与设计

本研究旨在对60/70针入度等级的沥青结合料进行环氧树脂改性，采用三种环氧掺量（10%、20%和30%）及两种商业树脂体系（快速固化环氧与慢速固化环氧），通过流变学与物理测试全面评估改性结合料在全温度谱上的性能。重点考察固化行为，利用时变动态剪切流变仪（DSR）测量确定交联稳定点及是否需要多阶段固化协议。通过比较相同混合与固化条件下快、慢速固化树脂的性能，深入揭示树脂化学性质与反应速率如何控制沥青流变特性、刚度发展和温度敏感性。最终目标是识别能最大化高温效益（抗车辙、弹性恢复）同时最小化对疲劳和低温开裂不利影响的环氧掺量与固化方案。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：利用动态剪切流变仪（DSR）测定高温性能等级（PG）、车辙因子G/sinδ及疲劳因子|G|sinδ；采用多应力蠕变恢复（MSCR）试验评估弹性恢复率（R）与不可恢复蠕变柔量（J_nr）；运用弯曲梁流变仪（BBR）评价低温蠕变刚度与m值；通过线性振幅扫描（LAS）试验结合粘弹性连续损伤（VECD）框架预测疲劳寿命（N_f）。所有测试均遵循ASTM或AASHTO标准。

四、研究结果

4.1 环氧沥青结合料的混合与固化行为

通过对比三种混合工艺发现：工艺1（环氧预混1分钟后加入沥青搅拌30分钟）在5%环氧掺量下G/sinδ随时间无规律变化，30%时出现明显不均匀；工艺2（先用高剪切加入环氧树脂再加固化剂）导致严重的相分离，环氧粘附在搅拌头上；工艺3（先将固化剂缓慢加入热沥青，约2-3分钟，再逐渐加入环氧树脂，约2-5分钟，总混合时间5-6分钟，随后在120°C固化5小时）制备的结合料无可见相分离，G/sinδ重复性好且固化后趋于稳定。研究表明，短时高剪切混合与正确的添加顺序是实现均匀分散的关键。

4.2 环氧固化剂的重要性

未加固化剂的环氧树脂（5%和30%）改性沥青，其G*/sinδ值未获得改善，证实固化剂是形成交联网络、实现流变学效益的必要条件。

4.3 快、慢速固化环氧对比

快速固化环氧在约1小时内达到稳定的流变响应，而慢速固化环氧需约5小时（120°C）才能稳定。在相同掺量下，快速固化环氧提供的刚度始终高于慢速固化环氧。后续在60°C和25°C下的第二阶段固化未引起G*/sinδ的显著增加，表明单阶段120°C×5小时的固化方案足够。

4.4 常规性能

随着环氧掺量增加，软化点升高、针入度降低，表明热稳定性与刚度改善，归因于环氧交联网络增强了内聚力。

4.5 基于性能的测试

4.5.1 旋转粘度（RV）试验：所有改性沥青的粘度均高于对照，但均低于Superpave推荐的135°C下3.0 Pa·s限值，表明可接受的工作性。

4.5.2 PG-DSR试验：G*/sinδ随环氧掺量增加而增大。在70°C，对照为0.71 kPa，10%、20%、30%分别增至0.85、1.225、1.335 kPa。高温PG等级从对照的64°C提升至20%和30%改性结合料的70°C。

4.5.3 MSCR试验：环氧改性提高了弹性恢复率（R）并降低了不可恢复蠕变柔量（J_nr）。例如，在64°C、3.2 kPa应力下，20%环氧结合料恢复率约3%，而对照不足1%。20%和30%结合料满足PG 70S分级要求。

4.5.4 疲劳试验：在25°C，对照、10%和20%改性结合料的|G*|sinδ分别为约4150、3600-3700 kPa，均低于5000 kPa限值；而30%结合料约为5300 kPa，略超限值，表明过高的环氧掺量导致中间温度刚度过大。

4.5.5 LAS试验：LAS预测的疲劳寿命（N_f）随环氧掺量增加而降低，且随应变水平（2.5%和5%）和温度升高进一步减小。这表明环氧交联结构虽提升高温抗车辙，却降低了延展性与应变容限，加速了疲劳损伤。

4.5.6 BBR试验：在-12°C，对照结合料的蠕变刚度约217 MPa、m值0.329，满足要求。10%和20%改性结合料失效（刚度分别升至340和380 MPa，m值降至0.256和0.263）。30%改性结合料刚度265 MPa、m值0.312，低温柔性接近对照。这一非单调行为可能与环氧网络在不同掺量下的结构发展差异有关。

五、综合讨论与结论

集成性能比较显示，环氧改性存在明显的权衡关系：高环氧掺量显著提升高温抗车辙与弹性恢复，但以牺牲疲劳寿命和中低温柔性为代价。20%环氧掺量提供了最均衡的性能组合——达到PG 70、MSCR恢复率约15%（0.1 kPa）和约3%（3.2 kPa, 64°C），但其疲劳寿命降低和低温松弛不足需在寒冷或裂缝敏感区域使用时加以考虑。30%环氧虽在高温性能上最优，但中间温度刚度过高且疲劳寿命最低。研究强调，配方选择应综合考虑预期交通荷载、服务温度和开裂倾向，而非仅依赖高温性能。

研究结论翻译：

本研究评估了10%、20%和30%环氧改性沥青结合料，采用三种混合工艺及快、慢速固化树脂体系。主要结论如下：

• •
  工艺3（先加固化剂后加环氧树脂，总混合时间约5-6分钟）可制备均匀结合料，无可见相分离。120°C固化5小时后流变性能稳定，后续60°C和25°C调理未产生显著的G*/sinδ增量。快速固化环氧约1小时内稳定，慢速系统约需5小时。
• •
  环氧改性将高温PG从对照的64°C提升至20%和30%改性结合料的70°C。30%结合料虽G*/sinδ最高，但未达PG 76°C要求。20%配方的MSCR恢复率提升至约15%，表明弹性响应和抗车辙能力显著改善。
• •
  在25°C，对照、10%和20%环氧结合料的G*sinδ值分别为约4150、3600-3700和3600-3700 kPa，均低于5000 kPa标准；而30%结合料约5300 kPa，表明中间温度刚度过大。LAS结果同样显示，随环氧掺量增加，预测的疲劳寿命（N_f）逐步降低。
• •
  在-12°C，蠕变刚度从对照的217 MPa增至10%、20%和30%结合料的340、380和265 MPa；对应m值分别为0.329、0.256、0.263和0.312。因此，10%和20%结合料未能同时满足-12°C下的两个BBR标准，而30%结合料保持了与对照相近的低温等级，但疲劳刚度不佳。
• •
  在所评估的配方中，20%环氧为高温应用提供了最均衡的响应，达到PG 70、MSCR恢复率约15%（0.1 kPa）和约3%（3.2 kPa, 64°C）。然而，其疲劳寿命降低和低温松弛能力不足应在裂缝敏感或寒冷气候条件下应用前予以考虑。需进一步开展混合料尺度、化学、微观结构和现场性能研究以验证实验室发现。