環(huán)氧乳化瀝青混合料配合比的設(shè)計方法

王孝賢，牛小虎，陳忠達(dá)，常艷婷，4，惠丹丹，龐世華，陳峙峰

（1．渭南市公路工程建設(shè)處，陜西 渭南 714000；2．許昌華杰公路勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000；3．長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；4．加州大學(xué)爾灣分校，加州爾灣CA 92697；5．河南宏盛工程監(jiān)理有限公司，河南 周口 466000）

0 引 言

隨著交通量逐年增大，大量高等級公路瀝青路面出現(xiàn)較嚴(yán)重的早期病害，受低溫和水等因素的影響，破損路面無法得到及時、快速的修補［1－2］，從而使路面病害進一步惡化。因此，開發(fā)一種在潮濕、低溫狀態(tài)下修補瀝青路面的材料十分必要，其中對環(huán)氧乳化瀝青混合料的研究具有重要的現(xiàn)實意義［4－6］。

環(huán)氧乳化瀝青混合料的性能取決于環(huán)氧樹脂、固化劑及乳化瀝青的配比和混合料的配合比，但是目前尚無相對成熟的配合比設(shè)計方法。趙樂［7］以修正馬歇爾試驗方法為基礎(chǔ)，通過對不同環(huán)氧樹脂摻量的瀝青混合料進行劈裂試驗、車轍試驗等，得出不同環(huán)氧樹脂摻量對瀝青混合料性能的影響。王鋒［8］基于修正馬歇爾試驗方法，分析了不同環(huán)氧乳化瀝青含量和級配對環(huán)氧乳化瀝青混合料的影響。李泉等［9］采用修正馬歇爾試驗方法成型馬歇爾試件，并測定了其劈裂強度、單軸抗壓強度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能。以上研究均采用交通部陽離子乳化瀝青課題協(xié)作組提出的修正馬歇爾試驗方法，雖然適用于乳化瀝青混合料，但并不完全適用于環(huán)氧乳化瀝青混合料。

本文首先通過分析環(huán)氧乳化瀝青各組分用量對其性能的影響，優(yōu)化其配方，從而配制出性能優(yōu)異且穩(wěn)定的環(huán)氧乳化瀝青；然后以馬歇爾試驗方法和修正馬歇爾試驗方法為基礎(chǔ)，研究環(huán)氧乳化瀝青混合料的配合比設(shè)計方法，對修正馬歇爾試驗方法進行再修正，形成再修正馬歇爾試驗方法（簡稱再修正馬氏法）；最后通過高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能試驗對環(huán)氧乳化瀝青混合料進行檢驗。

1 環(huán)氧乳化瀝青配方優(yōu)化

環(huán)氧乳化瀝青由環(huán)氧樹脂、固化劑和乳化瀝青組成［10－11］。環(huán)氧樹脂乳液的摻加能夠使瀝青冷裂、熱熔的特性得到較大程度的改善。試驗用固化劑是有機酸酐固化劑，與多元胺類固化劑相比，其具有與水性環(huán)氧樹脂配合量大、揮發(fā)性小、使用方便等優(yōu)點［12］。乳化瀝青由SK90基質(zhì)瀝青和GYZ－01乳化劑配制而成，其中油水比為50∶50［13］。環(huán)氧乳化瀝青配方優(yōu)化以變異的正交試驗［14－15］為基礎(chǔ)，以針入度（100g，25℃，5s）和5℃延度為指標(biāo)。不同配方的環(huán)氧乳化瀝青性能試驗結(jié)果如圖1所示。

各組配方的環(huán)氧樹脂A、固化劑B和乳化瀝青C的用量見表1。

表1 環(huán)氧乳化瀝青配方%

從極差角度出發(fā)，各因素水平與針入度和延度的關(guān)系如圖2、3所示。

圖1 不同配方的環(huán)氧乳化瀝青的性能試驗結(jié)果

對于針入度而言，為充分發(fā)揮環(huán)氧乳化瀝青混合料冷態(tài)修補的優(yōu)勢，使其能夠在低溫潮濕的條件下修補路面，應(yīng)以針入度小為優(yōu)化條件，則環(huán)氧乳化瀝青的最佳水平組合為A1B3C3。

由于環(huán)氧乳化瀝青的延度通常遠(yuǎn)小于一般改性乳化瀝青，因此，以延度為指標(biāo)時，應(yīng)盡可能取較大值，則環(huán)氧乳化瀝青的最佳水平組合也為A1B3C3。

由此可見，環(huán)氧乳化瀝青的最佳水平組合為A1B3C3，即乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂和固化劑的質(zhì)量比為85∶10．5∶4．5。

2 環(huán)氧乳化瀝青混合料配合比設(shè)計

2．1 拌合用水量和礦粉用量

拌合用水量和礦粉用量會影響乳液對主骨料的裹覆率、混合料的空隙率及混合料的壓實效果。在不同拌合用水量和礦粉用量條件下，對環(huán)氧乳化瀝青混合料的工作性進行觀測，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)拌合用水量為6%、礦粉用量為6%時，環(huán)氧乳化瀝青混合料具有良好的工作性。另外，強度試驗結(jié)果表明，當(dāng)拌合用水量為6%時，環(huán)氧乳化瀝青混合料強度最大。因此，環(huán)氧乳化瀝青混合料的最佳拌合用水量為6%，合理礦粉用量為6%。

2．2 礦料級配

礦料級配見表3。

2．3 固化條件與養(yǎng)生時間

圖2 不同組合的針入度

（1）固化條件。固化條件主要包括固化溫度和固化反應(yīng)時間。固化溫度對固化反應(yīng)時間的影響較大，當(dāng)固化溫度較低時，固化反應(yīng)時間會相應(yīng)延長［16－18］。參考修正馬歇爾試驗方法，將養(yǎng)生溫度提高至120℃，即固化溫度為120℃。

固化溫度確定后，固化反應(yīng)程度主要取決于固化反應(yīng)時間，固化反應(yīng)程度采用環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的延度、針入度和黏度等性能指標(biāo)來反映。各指標(biāo)隨固化反應(yīng)時間的變化趨勢如圖4所示。

圖3 不同組合的延度

由圖4可知，在固化溫度為120℃的前提下，當(dāng)固化反應(yīng)時間較短時（約6h內(nèi)），各性能指標(biāo)值變化較大；當(dāng)固化反應(yīng)時間達(dá)到6h后，各性能指標(biāo)值變化減緩，趨于穩(wěn)定，即固化反應(yīng)基本完成，可以認(rèn)為固化時間為6h。

（2）養(yǎng)生時間。在120℃的固化溫度條件下養(yǎng)生48h后，環(huán)氧乳化瀝青混合料的含水率損失率可達(dá)97%以上，與環(huán)氧乳化瀝青混合料鋪筑28d后的路面含水率狀態(tài)接近，故將養(yǎng)生總時間確定為48h。

表2 不同拌合用水量和礦粉用量的混合料工作性

2．4 再修正馬氏方法

環(huán)氧乳化瀝青混合料強度較高，固化反應(yīng)時間、養(yǎng)生溫度的變化對其固化反應(yīng)影響較大，這些特點與乳化瀝青混合料有明顯的不同［19－20］。用于乳化瀝青混合料配合比設(shè)計的修正馬歇爾試驗方法是在馬歇爾試驗方法的基礎(chǔ)上經(jīng)修正形成的，而針對環(huán)氧乳化瀝青混合料配合比設(shè)計，需在修正馬歇爾試驗方法的基礎(chǔ)上進行再修正，形成再修正馬氏方法。再修正主要反映在擊實次數(shù)和養(yǎng)生溫度兩方面，即擊實次數(shù)由50次增加至75次，養(yǎng)生溫度由110℃升高至120℃（即固化溫度）。具體方法分為初始強度測試和成型強度測試2個方面。

表3 礦料級配

圖4 延度、針入度和黏度的變化趨勢

（1）初始強度。制作初始強度測試試件時，試件上下兩面分別擊實75次，分2次擊實。首先在混合料入模時，于上下兩面分別擊實35次，然后在常溫下（15℃～25℃）進行模內(nèi)養(yǎng)生24h，再于上下兩面分別擊實40次，脫模，在常溫下再養(yǎng)生24h，養(yǎng)生總時間為48h。養(yǎng)生結(jié)束后即可測定穩(wěn)定度和其他馬歇爾指標(biāo)，其中馬歇爾穩(wěn)定度即為初始強度。

（2）成型強度。與制作初始強度測試試件一樣，制作成型強度測試試件時，試件上下兩面分別擊實75次，分2次擊實。首先在混合料入模時，于上下兩面分別擊實35次，然后在120℃固化溫度下進行模內(nèi)養(yǎng)生24h，再于上下兩面分別擊實40次，脫模，在常溫下再養(yǎng)生24h，養(yǎng)生總時間也為48h。養(yǎng)生結(jié)束后即可測定穩(wěn)定度和其他馬歇爾指標(biāo)，其中測定馬歇爾穩(wěn)定度和流值時，需在60℃的水浴中浸泡30min，此時的馬歇爾穩(wěn)定度即為成型強度。

2．5 環(huán)氧乳化瀝青最佳用量

（1）采用式（1）確定環(huán)氧乳化瀝青初始用量。

式中：P為環(huán)氧乳化瀝青乳液質(zhì)量占礦料質(zhì)量的百分率（%）；A為大于2．36mm的礦料質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的百分率（%）；B為2．36～0．075mm的礦料質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的百分率（%）；C為礦粉質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的百分率（%）。

對于AC－13環(huán)氧乳化瀝青混合料，其初始瀝青用量P＝0．06×66＋0．12×28＋0．2×6＝8．52%。

（2）環(huán)氧乳化瀝青最佳用量。根據(jù)式（1）確定的瀝青初始用量，選定5組環(huán)氧乳化瀝青用量，按再修正馬氏法成型試件，并測定相應(yīng)的馬歇爾指標(biāo)（包括密度、空隙率、飽和度、流值和初始強度等），具體結(jié)果如圖5所示。

由此可得AC－13環(huán)氧乳化瀝青混合料的最佳環(huán)氧乳化瀝青用量為8．3%，即環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物含量為4．77%。

圖5 馬歇爾試驗結(jié)果

3 環(huán)氧乳化瀝青混合料路用性能檢驗

采用熱拌瀝青混合料的車轍試驗、低溫彎曲試驗以及浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究環(huán)氧乳化瀝青混合料的高溫性能、低溫性能以及水穩(wěn)定性能，以此來檢驗環(huán)氧乳化瀝青混合料的配合比設(shè)計，具體試驗結(jié)果如表4～6所示。

表4 高溫車轍試驗結(jié)果

表5 低溫彎曲試驗結(jié)果

由表4～6可知，環(huán)氧乳化瀝青混合料的動穩(wěn)定度高達(dá)8 182次·mm－1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于熱拌瀝青混合料動穩(wěn)定度的要求，表明其抗車轍能力強，高溫性能好；低溫性能和水穩(wěn)定性能基本符合要求，其中環(huán)氧乳化瀝青混合料的彎曲應(yīng)變?yōu)? 745（10－6），殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別為74．2%和73．6%。由此表明，本文提出的環(huán)氧乳化瀝青混合料配合比設(shè)計方法合理可行，以此設(shè)計的環(huán)氧乳化瀝青混合料性能優(yōu)良，特別是高溫性能優(yōu)異。

表6 浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗結(jié)果

4 結(jié) 語

（1）以針入度和延度為指標(biāo)，對環(huán)氧乳化瀝青組成進行了優(yōu)化，環(huán)氧乳化瀝青的最佳配方：乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂、固化劑的質(zhì)量比為85∶10．5∶4．5。

（2）當(dāng)拌合用水量為6%、礦粉用量為6%時，環(huán)氧乳化瀝青混合料具有良好的工作性，而且當(dāng)拌合用水量為6%時，環(huán)氧乳化瀝青混合料強度最大。

（3）根據(jù)環(huán)氧乳化瀝青混合料的特點，對修正馬歇爾試驗方法進行了再修正，提出了再修正馬氏法，其要點為：將擊實次數(shù)由50次增加至75次，分2次擊實；養(yǎng)生溫度由110℃提高至120℃；固化反應(yīng)時間為6h；養(yǎng)生總時間為48h。

（4）環(huán)氧乳化瀝青混合料具有良好的高溫性能，動穩(wěn)定度高達(dá)8 182次·mm－1。參考文獻(xiàn)：

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