水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青及其混合料性能試驗(yàn)研究

李鴻強(qiáng) 楊登峰

（新疆興亞工程建設(shè)有限公司，昌吉 831100）

由于熱拌瀝青混合料在拌和時(shí)需要消耗大量燃料來加熱瀝青和集料，不但消耗大量能源，而且會(huì)釋放出有害人體健康的廢氣。 冷拌乳化瀝青混合料在混合料拌和時(shí)雖然相對(duì)熱拌混合料具有一定的優(yōu)越性，可常溫施工、節(jié)約能源、施工便利、環(huán)境友好、無毒副作用[1]；但乳化瀝青混合料鋪筑路面后結(jié)構(gòu)內(nèi)仍然含有大量的殘留水分，不僅早期強(qiáng)度比較低，溫度穩(wěn)定性差，孔隙率比較大，而且開放交通的時(shí)間也比較滯后，使用性能也并不是很理想[2-3]。因此，針對(duì)乳化瀝青混合料強(qiáng)度低、性能差的特點(diǎn)，開展改性乳化瀝青的研究對(duì)改善乳化瀝青及混合料性能具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)于改性乳化瀝青的研究比較多，由于水性環(huán)氧樹脂具有力學(xué)強(qiáng)度高、耐久性好、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此很多研究將水性環(huán)氧樹脂用作改性劑加入乳化瀝青中，也取得了很好的效果。 何遠(yuǎn)航等[4]研究得出了水性環(huán)氧樹脂加入乳化瀝青后能明顯增強(qiáng)乳化瀝青的溫度穩(wěn)定性；王孝賢等[5]通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)了環(huán)氧樹脂對(duì)于瀝青粘度和抗剪性能的影響；張慶等[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧樹脂改善了乳化瀝青與集料的粘結(jié)強(qiáng)度，并研究了水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)于改性乳化瀝青動(dòng)力粘度及表面自由能的關(guān)系；谷雨等[7]通過微觀手段闡釋了水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青的相互作用關(guān)系；Zhang 等[8]指出環(huán)氧樹脂對(duì)于瀝青的高溫抗剪能力具有很好的效果。 可以看出，學(xué)者對(duì)于水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的研究比較多，但對(duì)于水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的流變性能及混合料的路用性能的研究還不是很完善和深入。本文將進(jìn)一步探索水性環(huán)氧樹脂用量對(duì)于改性乳化瀝青高低溫流變性能及其混合料路用性能的影響，以期通過試驗(yàn)研究能夠推動(dòng)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的進(jìn)一步應(yīng)用。

1 原材料性能

（1）乳化瀝青

試驗(yàn)采用70 號(hào)A 級(jí)基質(zhì)瀝青經(jīng)乳化生產(chǎn)制備的東海牌陽離子乳化瀝青， 其技術(shù)性能如表1所示。

表1 陽離子乳化瀝青技術(shù)性能

（2）水性環(huán)氧樹脂及固化劑

采用天津某材料科技有限公司提供的HY-R型自乳化水性環(huán)氧樹脂和固化劑， 水性環(huán)氧樹脂固含量不低于50%， 外觀呈白色粘稠液體，PH 值在6～8， 環(huán)氧當(dāng)量為380～400。 固化劑固含量為48%～52%，外觀呈淡黃色液體，PH 值在7～9，固化劑用量采用廠家推薦劑量10%（占水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。

（3）集料

粗集料采用石灰?guī)r碎石，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，通過對(duì)粗、細(xì)集料和礦粉進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足規(guī)范要求，如表2 所示。

表2 各集料物理指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青性能

2.1 改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物制備

水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的制備工藝較為簡(jiǎn)單，主要流程如下：首先將不同摻量（5%、10%、15%、20%） 水性環(huán)氧樹脂加入成品陽離子乳化瀝青中，加入過程中不斷用玻璃棒緩慢攪拌，加入完畢后采用高速剪切機(jī)以500 r/min 的速率低速剪切10 min，然后加入固化劑并用玻璃棒攪拌均勻，即可得到含有不同摻量水性環(huán)氧樹脂的改性乳化瀝青。

由于乳化瀝青性能的好壞最終取決于乳化瀝青經(jīng)破乳后的殘留瀝青，為了檢驗(yàn)水性環(huán)氧改性乳化瀝青最終的性能好壞，需要對(duì)其進(jìn)行蒸發(fā)殘留物試驗(yàn)。 主要流程為：將稱量好的改性乳化瀝青放于電爐上進(jìn)行緩慢加熱，在加熱過程中使用玻璃棒不斷地?cái)嚢?，并控制好加熱溫度，防止溫度過高導(dǎo)致乳化瀝青溢濺和瀝青老化，使乳化瀝青中的水分逐漸蒸發(fā)掉， 直到瀝青液體表面不再出現(xiàn)泡沫為止，最后將蒸發(fā)后的殘留物置于135℃烘箱中靜置1 h，即可得到改性乳化瀝青的殘留物。

2.2 改性乳化瀝青性能

為了檢測(cè)改性乳化瀝青的性能，本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）和彎曲蠕變勁度試驗(yàn)（BBR）對(duì)不同摻量（5%、10%、15%、20%）水性環(huán)氧樹脂的改性乳化瀝青殘留物進(jìn)行流變性能試驗(yàn)，并以基質(zhì)瀝青和乳化瀝青作為對(duì)照組，評(píng)價(jià)改性乳化瀝青殘留物的高低溫流變性能。 試驗(yàn)結(jié)果如表3～4 所示。

表3 改性乳化瀝青殘留物的車轍因子

表4 改性乳化瀝青殘留物BBR 試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可知，隨著溫度的升高，6 種瀝青混合料的車轍因子都明顯逐漸減小，這是由于瀝青的感溫性所致，瀝青在由粘彈狀態(tài)向粘性狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 溫度相同時(shí)，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青殘留物的車轍因子逐漸增大，乳化瀝青摻水性環(huán)氧樹脂后的車轍因子明顯高于基質(zhì)瀝青和普通乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂可增強(qiáng)瀝青的高溫性能。

從表4 可以看出，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青的蠕變勁度逐漸增加，蠕變斜率不斷減小。依據(jù)美國(guó)SHRP 規(guī)范中的PG 分級(jí)要求：瀝青的蠕變勁度S≤300 MPa、蠕變斜率m≥0.3，本文中基質(zhì)瀝青和普通乳化瀝青為PG-12℃， 摻5%水性環(huán)氧和10%水性環(huán)氧的改性乳化瀝青為PG-18℃，然而摻15%水性環(huán)氧和20%水性環(huán)氧的改性乳化瀝青為PG-12℃。

結(jié)合水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青高溫和低溫流變性能效果，本文推薦采用10%摻量的水性環(huán)氧樹脂用于后文改性乳化瀝青混合料的性能研究。

3 混合料路用性能

3.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用AC-13C 型礦料級(jí)配，其合成級(jí)配設(shè)計(jì)見表5。

表5 AC-13C 型礦料級(jí)配表

采用交通運(yùn)輸部陽離子乳化瀝青課題協(xié)作組用于確定乳液用量的經(jīng)驗(yàn)公式， 初算乳液用量為8.6%，以0.5%間隔左右各取2 組，即7.6%、8.1%、8.6%、9.1%、9.6%。 室內(nèi)成型馬歇爾試件，試件成型方式為： 雙面各擊實(shí)50 次， 置于60℃烘箱中養(yǎng)生24 h，然后取出再次雙面擊實(shí)25 次，常溫靜置12 h后進(jìn)行脫模， 脫模后常溫下養(yǎng)生48 h 后即可進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。 由馬歇爾試驗(yàn)得到的各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)確定了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料的最佳乳液用量為9.0%。

3.2 高溫性能

在夏季高溫季節(jié)，瀝青路面會(huì)因溫度過高導(dǎo)致瀝青軟化，加之車輛荷載的反復(fù)作用，最終會(huì)形成永久變形產(chǎn)生車轍等病害。 為保證路面在高溫季節(jié)的正常使用性能，路面材料要具有更好的抗高溫永久變形能力。 評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法較多，本文采用國(guó)內(nèi)推薦的普通車轍試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 改性乳化瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表6 可以看出，3 種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從小到大為：普通乳化瀝青＜基質(zhì)瀝青＜改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂明顯提高了乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性。 這是由于水性環(huán)氧樹脂是一種熱固性材料， 會(huì)與瀝青結(jié)合在一起形成空間的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使瀝青粘度增加，從而提高瀝青的高溫抗車轍能力。

3.3 低溫性能

瀝青路面作為一種溫度敏感性材料，其力學(xué)性能也會(huì)受到外界環(huán)境的作用而發(fā)生變化，在寒冷季節(jié)溫度驟降時(shí)由于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外界空氣溫差較大，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力來不及松弛最終會(huì)導(dǎo)致路面產(chǎn)生溫度收縮裂縫。 如果裂縫不能及時(shí)處理，后期雨季來臨時(shí)雨水會(huì)沿著裂縫進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部， 在車輛荷載的重復(fù)影響下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，集料經(jīng)過動(dòng)水壓力的不斷沖刷后表面的瀝青逐漸剝離掉，最終會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)性破壞。 因此，在瀝青路面鋪筑前有必要對(duì)采用的瀝青路面材料進(jìn)行低溫性能評(píng)價(jià)。 本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料的低溫抗裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)溫度選取-10℃，試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 改性乳化瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表7 可知，與普通基質(zhì)瀝青相對(duì)比，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料的彎拉應(yīng)變提高了48.3%，勁度模量降低了205.5%，說明摻水性環(huán)氧樹脂后乳化瀝青混合料的低溫性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

3.4 水穩(wěn)定性

本文采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料的抗水損害性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表8 可知，無論是浸水馬歇爾試驗(yàn)還是凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，都是基質(zhì)瀝青的水穩(wěn)定性最好，改性乳化瀝青次之，普通乳化瀝青最差，改性乳化瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果基本接近于基質(zhì)瀝青。 與普通乳化瀝青混合料相比， 水性環(huán)氧樹脂一定程度上也改善了乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性， 只是改善程度不太顯著。

3.5 疲勞性能

本文采用應(yīng)力控制模式下的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，以混合料的完全斷裂為破壞標(biāo)準(zhǔn)。選用MTS 萬能材料試驗(yàn)機(jī)， 通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法對(duì)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料試件進(jìn)行疲勞性能研究。 試驗(yàn)溫度15℃，應(yīng)力比取0.4，試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 改性乳化瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表9 可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水性環(huán)氧樹脂改性后的乳化瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)是普通基質(zhì)瀝青的4.2 倍， 說明水性環(huán)氧樹脂能夠顯著提高乳化瀝青混合料的耐久性能。

4 結(jié)論

通過對(duì)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青高溫、低溫流變性能及混合料各方面路用性能的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）溫度相同時(shí)，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青殘留物的車轍因子和蠕變勁度逐漸增大，蠕變斜率不斷減小。 水性環(huán)氧樹脂可增強(qiáng)瀝青的高溫和低溫性能，推薦水性環(huán)氧樹脂的適宜摻量為10%。

（2）3 種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度從小到大為：普通乳化瀝青＜基質(zhì)瀝青＜改性乳化瀝青，水性環(huán)氧樹脂明顯提高了乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性。

（3）與普通基質(zhì)瀝青相對(duì)比，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料的彎拉應(yīng)變提高了48.3%， 勁度模量降低了205.5%，水性環(huán)氧樹脂能夠大大增強(qiáng)乳化瀝青混合料的低溫性能。

（4）與普通乳化瀝青混合料相比，水性環(huán)氧樹脂對(duì)于改善乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性不明顯。 但其疲勞壽命次數(shù)是普通基質(zhì)瀝青的4.2 倍， 顯著提高了乳化瀝青混合料的耐久性能。