瀝青路面色差修補(bǔ)材料配合比及路用性能

景宏君 丁孝妮 胡裕成 賈廣平 李東珀 劉騫

摘 要：為研究瀝青路面坑槽修復(fù)前后存在的顏色差異問題，選用丙烯酸改性環(huán)氧樹脂為基液，添加炭黑、鈦白粉和金剛砂作為顏填料，制備一種使瀝青路面色差統(tǒng)一的多色階美化涂層材料。利用正交試驗(yàn)分析各因素水平對環(huán)氧樹脂基體粘度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響。結(jié)果表明：涂層中環(huán)氧樹脂基體的最佳質(zhì)量配比為，增韌劑含量為15%，稀釋劑含量為30%，固化劑含量為60%，促進(jìn)劑含量為6%；依據(jù)路面顏色將路面灰階等級劃分為三階，確定了多色階美化涂層中炭黑與鈦白粉的比例摻量；依據(jù)試件的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率確定了功能填料金剛砂與環(huán)氧樹脂基體的最佳質(zhì)量比為30%；涂料制備完成后，對其耐磨、抗滑以及抗紫外老化性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。涂層材料能夠明顯降低修補(bǔ)后瀝青路面與原路面的色差，不同配比的混合料適用于不同色階等級的瀝青路面。關(guān)鍵詞：瀝青路面；色差修補(bǔ)；配合比設(shè)計(jì)；性能研究中圖分類號：U 418.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號：1672-9315（2023）06-1128

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0611開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Mixing ratio and road performance of colour difference

repair materials for asphalt pavements

JING Hongjun1，DING Xiaoni1，HU Yucheng2，JIA Guangping3，LI Dongpo4，LIU Qian5

（1.College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Highway Bureau of Ankang City，Ankang 725000，China；3.Highway Bureau of Weinan City，Weinan 714000，China；

4.Highway Bureau of Yanan City，Yanan 716000，China；5.Highway College，Changan University，Xian 710061，China）

Abstract：In order to solve the problem of color difference before and after the repair of asphalt pavement pits，acrylic modified epoxy resin was selected as the base fluid，and carbon black，titanium dioxide and diamond sand were added as pigments and fillers to prepare a multi-color gradation beautification coating material that unifies the color difference of asphalt pavement.Use orthogonal experiments to analyze the effects of various factor levels on the viscosity，tensile strength，and elongation at break of epoxy resin matrix.The results show that the optimum mass ratio of epoxy resin matrix in the coating is 15% of toughening agent content，30% of diluent content，60% of curing agent content and 6% of accelerator content.According to the color of the road surface，the gray level of the road surface is divided into three levels，and the proportion of carbon black and titanium dioxide in the multi color level beautification coating is determined.Based on the tensile strength and elongation at break of the specimen，the optimal mass ratio of functional filler emery to epoxy resin matrix is determined to be 30%.After the coating is prepared，its wear resistance，slip resistance，and UV aging resistance are tested，and the test results meet the requirements of the specifications.The coating material can significantly reduce the color difference between the repaired asphalt pavement and the original one，and different proportions of mixtures are suitable for asphalt pavement with different color levels.Key words：asphalt pavement；color difference repair；mix design；performance study

0 引 言公路路面的養(yǎng)護(hù)里程在逐年增高，路面坑槽修復(fù)是公路養(yǎng)護(hù)的工作重點(diǎn)之一，但當(dāng)前路面破損修補(bǔ)技術(shù)水平參差不齊，因路面長期裸露老化，導(dǎo)致修補(bǔ)處新材料與原路面顏色差異較大，使得坑槽修復(fù)效果大打折扣［1-4］。明顯的色差降低了道路的整體協(xié)調(diào)性，既在視覺上給駕駛?cè)藛T造成困擾，又影響城市美觀性，尤其是駕駛?cè)藛T若在高速行駛狀態(tài)下產(chǎn)生視覺誤差，沒有精確判斷路面狀況，從而影響其行為決策［5-7］，很有可能產(chǎn)生安全隱患問題。基于現(xiàn)有路面涂層材料研究現(xiàn)狀，結(jié)合色彩學(xué)配方理論及要求［8-10］，研發(fā)一種能解決瀝青路面坑槽修復(fù)后顏色不統(tǒng)一問題的涂層材料，確保在涂料涂刷后，能將坑槽修補(bǔ)痕跡較好地融入原路表。國內(nèi)外學(xué)者對于路面熱反射涂層、降溫涂層、疏水涂層等各種功能型涂層的研究逐漸成熟。LEWIS等將水性環(huán)氧樹脂引入瀝青的復(fù)配過程中，配置出彈性模量和耐熱性能優(yōu)良的橋面鋪裝材料［11］。申愛琴等選用水性丙烯酸乳液作為基液，制備了一種新型環(huán)保水性丙烯酸熱反射層［12-13］；史珂等制備了一種新型環(huán)氧樹脂膠粘劑應(yīng)用于超薄路面，考察了不同類型和用量的增韌劑、稀釋劑和固化劑對膠粘劑拉伸性能的影響［14］；程承采用改性水性環(huán)氧樹脂制備了瀝青路面用熱反射涂料［15］；袁穎自制不飽和聚酯熱反射涂層，建立了反射率與降溫效果的關(guān)系［16］；劉夢梅等采用了一種新型的用于坑洞修補(bǔ)的聚氨酯改性涂料，并與乳化瀝青和消減瀝青進(jìn)行了比較，測試其材料性能及路用性能［17］；吳小龍選用聚氨酯作為路面快速養(yǎng)護(hù)材料，對制備過程以及應(yīng)用進(jìn)行研究［18］。這些涂層材料的基液樹脂主要為丙烯酸樹脂、不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂及聚氨酯等，性能各有優(yōu)缺。涂層的應(yīng)用提高了路面材料的強(qiáng)度、粘結(jié)性和防水性等性能指標(biāo)，延長了道路使用壽命，滿足了通車功能。但研究者們未充分考慮路面修補(bǔ)色差現(xiàn)象對行車安全和道路美觀造成的影響，現(xiàn)需從此方面著手，進(jìn)一步探究關(guān)于統(tǒng)一路面顏色的美化涂層工作。以丙烯酸改性環(huán)氧樹脂為基液，通過正交試驗(yàn)確定增韌劑、稀釋劑、固化劑和促進(jìn)劑的用量，并在最優(yōu)組分配比的基礎(chǔ)上進(jìn)行顏填料優(yōu)選［19］，制備多色階美化涂層材料。制備的涂層不僅能有效減小路面坑槽修補(bǔ)帶來的顏色差異，還能確保涂層的路用性能滿足規(guī)范要求，對于提高行車安全、提升道路整體美觀水平具有重要意義。

1 涂層制備試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和制備流程涂層材料由A、B、C這3組分組成。A組分為環(huán)氧樹脂基體，由丙烯酸改性環(huán)氧樹脂、增韌劑、稀釋劑、固化劑和促進(jìn)劑5種成分組成，其中丙烯酸改性環(huán)氧樹脂作為基液；B組分為炭黑和鈦白粉，用于制備不同顏色等級的涂層材料；C組分為金剛砂，作為功能填料，能有效提高涂層材料在耐壓、耐磨、抗滑方面的強(qiáng)度。將丙烯酸、環(huán)氧樹脂以及稀釋劑按照一定比例混合攪拌，置于室溫下冷卻至常溫得到丙烯酸改性環(huán)氧樹脂。依次加入增韌劑、固化劑、促進(jìn)劑攪拌均勻1 h后，制得涂層的環(huán)氧樹脂基體（A組分）；根據(jù)原瀝青路面顏色的RGB（RGB模型是通過對紅、綠、藍(lán)3個(gè)顏色通道的變化及疊加來得到各種顏色，其中每個(gè)通道有8位共256個(gè)級別，3個(gè)顏色的組合可以得到1 600萬種顏色，幾乎涵蓋了所有能感知到的顏色）值范圍確定所需炭黑與鈦白粉（B組分）的摻量，將A、B組分共同添加至恒溫加熱磁力攪拌器進(jìn)行高速剪切攪拌10 min；再加入定量的功能填料（C組分），低速攪拌20 min，置于25 ℃的真空烘箱中進(jìn)行固化，即得涂層混合料（圖1、圖2）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 粘度試驗(yàn)參照《膠黏劑黏度的測定-單圓筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法》（GB/T 2794—2013），利用NDJ-1D型布氏粘度儀測試環(huán)氧樹脂基體的初始粘度指標(biāo)，考慮路面涂層作業(yè)通常在常溫下進(jìn)行，故將試驗(yàn)溫度設(shè)置為25 ℃，測定試件的初始粘度。

1.2.2 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率參照《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》（GB/T 2567—2021），利用萬能試驗(yàn)機(jī)測試涂層試件（圖3）的拉伸強(qiáng)度，將試件固定在模具上，模具口改造為齒形狀，能加大摩擦和咬合力。按照試驗(yàn)要求試件應(yīng)提前在恒溫箱進(jìn)行恒溫存放，在測試過程中保證恒溫恒濕的環(huán)境條件；通過讀取拉伸試件的最大拉力和斷裂長度，測定拉伸試件的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率；測試?yán)焖俾试O(shè)置為10 mm/min，測試溫度為-10 ℃，試件斷裂的有效位置應(yīng)為中間位置。

1.2.3 分光色差儀測試路面RGB值在辨別路面色差時(shí)采用型號為CS-410的分光色差儀來測定路表的RGB值（圖4），涂層表面與原路面的RGB值越接近，說明路面色差越小。

1.3 配比試驗(yàn)多色階涂層材料配比試驗(yàn)分為3部分：①利用正交試驗(yàn)確定A組分的配合比設(shè)計(jì)；②根據(jù)瀝青路面顏色的RGB值確定B組分的比例摻量；③在前2部分完成的基礎(chǔ)下確定C組分的配用量。

1.3.1 正交試驗(yàn)多色階涂層材料要求粘度不宜過大、低溫塑

性較好，為表征基本性能，擬采用25 ℃粘度、-10 ℃

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率對環(huán)氧樹脂基體的性能指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，將涂料中丙烯酸改性環(huán)氧樹脂基液的用量設(shè)為100%，其余各因素用量為樹脂用量的相應(yīng)百分比。選用增韌劑、稀釋劑、固化劑、促進(jìn)劑的相對用量作為研究變量，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各組分的用量擬定以下4個(gè)水平，設(shè)計(jì)四因素四水平的正交試驗(yàn)（表1）。

1.3.2 制備多色階涂層試驗(yàn)選用炭黑和鈦白粉對涂層材料的顏色進(jìn)行改變，炭黑具有成本低、著色能力強(qiáng)、易均勻分散、光穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。鈦白粉作為無機(jī)顏料，性

能良好且價(jià)格便宜。根據(jù)測得的路面RGB顏色范

圍，添加不同比例的炭黑與鈦白粉，探究不同摻量的配比效果。

1.3.3 確定功能填料用量添加金剛砂能有效提高涂層材料在抗壓、耐磨、抗滑等方面的強(qiáng)度，對涂層的路用性能起著重要作用?？紤]添加金剛砂后是否對涂料的基本性能產(chǎn)生影響，本試驗(yàn)在添加后，重新測試材料試件在低溫為-10 ℃條件下的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，以此確定填料的最佳用量。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)表中的16組試驗(yàn)方案依次進(jìn)行粘度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率指標(biāo)測試（表2）。拉伸強(qiáng)度測試過程中，需要準(zhǔn)確控制拉斷面的位置應(yīng)為啞鈴試件的中間部位，兩端斷裂的試件為無效數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)每組重復(fù)成功3次為標(biāo)準(zhǔn)，取平均值。

2.1.2 各因素水平環(huán)氧樹脂基體的粘度隨著增韌劑含量增多呈現(xiàn)線性增長（圖5）。當(dāng)增韌劑用量為5%時(shí)，平均粘度為440.6 mPa·s，當(dāng)增韌劑用量為20%時(shí)，平均粘度為984.1 mPa·s，粘度增長率為123.35%（表3）。由于增韌劑本身粘度較大，而且增韌劑改性環(huán)氧樹脂后，通過化學(xué)反應(yīng)改善了分子柔順性，起到了緩減應(yīng)力集中的作用，使環(huán)氧樹脂基體粘度明顯增加，表明增韌劑能有效地增大環(huán)氧樹脂基體的粘度。

環(huán)氧樹脂基體的拉伸強(qiáng)度隨著稀釋劑增加呈明顯下降的趨勢（圖6）。當(dāng)稀釋劑用量為10%時(shí)，平均拉伸強(qiáng)度為27.20 MPa，當(dāng)稀釋劑用量為40%時(shí)，平均拉伸強(qiáng)度為13.30 MPa，降低幅度為51.10%（表4）。說明稀釋劑的加入會降低固化物交聯(lián)密度，減少了拉伸試件單位面積內(nèi)承受荷載的有效鏈段數(shù)量，因而降低了固化物的拉伸強(qiáng)度。

環(huán)氧樹脂基體的斷裂伸長率隨著增韌劑含量增加而逐漸增大（圖7）。當(dāng)增韌劑用量為5%時(shí)，平均斷裂伸長率為19.79%，當(dāng)增韌劑用量為20%時(shí)，平均斷裂伸長率為64.04%，增長幅度為223.6%（表5）。聚氨酯預(yù)聚體中柔性鏈段能有效增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體的柔韌性，柔性鏈段能提高拉伸試件斷裂伸長率。

涂層在實(shí)際應(yīng)用過程中，其粘度的合理數(shù)值應(yīng)低于800 mPa·s，試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。固化劑的影響比較微小，因?yàn)楣袒瘎┑姆肿渔溳^短，用量的變化不足以影響固化樹脂的交聯(lián)密度和剛性基團(tuán)含量，因此，涂層粘度變化不大。故25 ℃粘度指標(biāo)可以確定增韌劑取水平三、稀釋劑取水平四、促進(jìn)劑取水平二，即環(huán)氧樹脂基體中增韌劑占15%，稀釋劑占40%，促進(jìn)劑占4%；-10 ℃拉伸強(qiáng)度指標(biāo)可以確定增韌劑取水平三、稀釋劑取水平一、固化劑取水平四、促進(jìn)劑水平四，即環(huán)氧樹脂基體中增韌劑占15%，稀釋劑占10%，固化劑占65%，促進(jìn)劑占6%；因促進(jìn)劑的影響較小，故-10 ℃斷裂伸長率指標(biāo)可以確定增韌劑取水平四、稀釋劑取水平四、固化劑取水平三，即增韌劑占20%，稀釋劑占40%，固化劑占50%（表6）。

2.1.3 配合比優(yōu)化當(dāng)增韌劑含量為15%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的粘度和拉伸強(qiáng)度處于最佳水平，斷裂伸長率也處于較高水平；當(dāng)其含量為20%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的斷裂伸長率處于最佳水平，但其粘度過大，且拉伸強(qiáng)度顯著降低，增韌劑最佳含量擬定為15%。當(dāng)

稀釋劑含量為40%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的粘

度和斷裂伸長率均處于最佳水平，但明顯降低了其拉伸強(qiáng)度；當(dāng)其含量為10%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的拉伸強(qiáng)度處于最佳水平，但此時(shí)其粘度過大，且斷裂伸長率較低；當(dāng)其含量為30%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的粘度、拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長率均在合理范圍內(nèi)，稀釋劑最佳含量擬定為30%。當(dāng)固化劑含量為50%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的斷裂伸長率處于最佳水平，但拉伸強(qiáng)度處于較低水平；當(dāng)固化劑含量為65%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的拉伸強(qiáng)度處于最佳水平，但斷裂伸長率卻處于較低水平；當(dāng)其含量為60%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均在合理范圍內(nèi)，固化劑最佳含量擬定為60%。當(dāng)促進(jìn)劑含量為4%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的粘度處于最佳水平，但其拉伸強(qiáng)度過低；當(dāng)促進(jìn)劑含量為6%時(shí)，環(huán)氧樹脂基體的拉伸強(qiáng)度處于最佳水平，且其粘度也在合理范圍內(nèi)，促進(jìn)劑最佳含量擬定為6%。篩選出環(huán)氧樹脂基體中增韌劑占15%，稀釋劑占30%，固化劑占60%，促進(jìn)劑占6%為各組分的最佳配合比。

2.2 多色階涂層的配方比通過對原瀝青路面顏色的采集調(diào)查得到，路面顏色RGB值范圍在60～120，初步將ΔRGB的閾值20作為不同色階等級涂層的色差值，來確定路面顏色RGB值范圍（圖8）以及涂層對應(yīng)各色階等級的顏料配比情況（表7）。

從Ⅰ至Ⅲ級，炭黑比例越大，顏色越深，涂層等級越高。每個(gè)等級涂料的RGB值均滿足對應(yīng)等級的色值范圍，說明涂層用于路面修補(bǔ)后，能有效減小路面色差，可大幅度降低駕駛?cè)嗽谝曈X上形成的色差感。

2.3 功能填料用量的確定將填料與環(huán)氧樹脂基體的質(zhì)量比稱為填膠比，不同填膠比下涂層材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率不同。

當(dāng)填膠比為0.25時(shí)，試件的拉伸強(qiáng)度處于最高峰；當(dāng)填膠比為0.35時(shí)，試件的斷裂伸長率達(dá)到最低。若填料過于飽和，則會導(dǎo)致無法將涂料攪拌均勻的問題，故試驗(yàn)溫度為-10 ℃時(shí)，涂料的最佳填膠比為0.3（圖9）。

3 涂層基本路用性能檢測為深入了解涂層材料的基本路用性能，對材料的耐磨性、抗滑性、抗紫外老化性能進(jìn)行檢測，基于研究方法［20-23］以及JTG E60—2008《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》對多色階涂層的耐磨性、抗滑性和抗紫外老化性3種性能進(jìn)行評價(jià)。

3.1 耐磨性檢測試驗(yàn)依據(jù)《色漆和清漆耐磨性的測定旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》（GB/T 1768—2006）進(jìn)行試驗(yàn)，200轉(zhuǎn)后損失質(zhì)量≤80 mg，1 000轉(zhuǎn)后損失質(zhì)量≤120 mg。試驗(yàn)采用AC-13車轍板試件作為測試底板，磨耗機(jī)充當(dāng)行車荷載。將涂料樣品注入模腔中流平，并在中心處開一直徑約為7 mm的試孔，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置24 h后，使用漆膜磨耗儀，載重1 000 g，分別在橡膠砂輪達(dá)到200轉(zhuǎn)、

1 000轉(zhuǎn)后，測試試板的損失質(zhì)量。試驗(yàn)分為3組，記錄磨耗測試結(jié)果（表8）。

砂輪分別在旋轉(zhuǎn)200轉(zhuǎn)和1 000轉(zhuǎn)后，測得試板的最大損失質(zhì)量均滿足要求，涂層材料的耐磨性能符合規(guī)范。

3.2 抗滑性檢測試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定。試驗(yàn)擬采用擺式摩擦系數(shù)測定儀測試涂層的抗滑性能，路表的摩擦阻力越大，擺錘回?cái)[高度越小，摩擦擺值（BPN）指標(biāo)越大。試驗(yàn)時(shí)將涂層材料均勻涂刷于試件表面并在常溫下靜置24 h，待涂層完全干透后開始檢測。檢測范圍在5 cm×5 cm的試件表面測得5組數(shù)據(jù)，取其平均值作為檢測結(jié)果，并在試件上選用3個(gè)范圍進(jìn)行測定（表9）。

由于涂層的不均勻性導(dǎo)致擺值存在差異，但仍能達(dá)到BPN≥45的基本要求，涂層材料的抗滑性能符合規(guī)范要求。

3.3 抗紫外老化性檢測涂層材料鋪筑在路面上，長期經(jīng)受暴曬與雨淋后可能會產(chǎn)生褪色老化現(xiàn)象，需對涂層材料進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)測試其老化性能。試驗(yàn)采用紫外老化箱，將涂層材料進(jìn)行48 h不間斷紫外老化，為了模仿強(qiáng)紫外線照射下對涂層顏色的影響，也為了達(dá)到加速試驗(yàn)的目的，本試驗(yàn)提高了紫外線的強(qiáng)度。在對涂層材料進(jìn)行紫外老化測試時(shí)，利用分光色差儀分別測定老化前后涂層的RGB值，若前后閾值相差10左右，顏色差異在肉眼可接受的范圍內(nèi)（表10）。

紫外老化前后，測得涂層表面的RGB值相差10左右，涂層材料無明顯褪色，且無形變、起泡。涂層材料具有較好的抗紫外老化性能。

多色階涂層鋪設(shè)的試驗(yàn)路段地形復(fù)雜，彎道和隧道等類型道路較多，且地勢較高、地下水豐富，多種因素導(dǎo)致路面容易產(chǎn)生裂縫、車轍、拱包、表面破損等病害，混合料修補(bǔ)成為瀝青路面病害的主要維修手段。但原瀝青路面顏色的RGB數(shù)值在100～110，坑槽修補(bǔ)過后修復(fù)部位顏色的RGB數(shù)值在65～75，顏色差異較大。在采用多色階涂層修補(bǔ)后，原路面與修補(bǔ)路面的RGB值相差10左右，有效減小了新舊路面的顏色差異（圖10）。

4 結(jié) 論1）

確定了涂層環(huán)氧樹脂基體中各組分的配合比和功能填料的最佳填膠比；明確了炭黑與鈦白粉的用量。2）測定磨耗機(jī)打磨多色階美化涂層樣品的損失質(zhì)量，確定涂層的耐磨性能良好；添加金剛砂能有效提高涂層的抗滑性能；紫外老化箱檢測涂層紫外老化前后的顏色無明顯差異，涂層紫外老化性能良好。3）將多色階美化涂層用于試驗(yàn)路鋪筑，能有效減小路面坑槽修補(bǔ)帶來的顏色差異，提升了道路的整體美觀性。

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（責(zé)任編輯：李克永）