冷拌結(jié)合改性環(huán)氧瀝青路面混合料制備及性能研究

摘 要：為研究制備的瀝青混合料老化性能，在環(huán)氧瀝青中摻入不飽和脂肪酸，利用馬歇爾試驗(yàn)確定瀝青的摻入量，并與冷拌法相結(jié)合，完成混合料制備。使用灰關(guān)聯(lián)分析方法研究不同試樣老化態(tài)勢相似或相異程度，使用VHX-7000系列數(shù)碼顯微系統(tǒng)顯示孔隙率15%、孔隙率20%下的不同老化時(shí)長試樣SEM圖，應(yīng)用ImageJ圖像分析軟件處理SEM圖像，分析瀝青膜剝落面積隨時(shí)間變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，15%孔隙率試樣瀝青膜比20%孔隙率要厚，瀝青混合料老化程度相對較小。車轍試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用所研究技術(shù)的動(dòng)穩(wěn)定度最高可達(dá)98%，瀝青混合料吸光度與實(shí)際值最大誤差為0.01，為瀝青混合料的抗老化特性研究提供參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧瀝青；瀝青混合料制備；馬歇爾試驗(yàn)；老化特性；灰關(guān)聯(lián)分析

中圖分類號(hào)：TQ522.65；U414""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1001-5922（2024）07-0076-04

Preparation and performance study of cold mix combined with modified epoxy asphalt pavement mixture

LIU Zhengxiong，LI Xinyan

（Southwest Transportation Construction Group Co.， Ltd.， Kunming 650032，China）

Abstract： In order to study the road performance of the prepared asphalt mixture， unsaturated fat acid was added into the epoxy asphalt， and Marshall test was used to determine the amount of asphalt， which was combined with the cold mixing method to complete the preparation of the mixture. Using grey correlation analysis method to study the degree of similarity or dissimilarity in aging trends of different samples， using the VHX-7000 series digital microscopy system to display SEM images of samples with different aging durations at a porosity of 15% and 20%， and using ImageJ image analysis software to process SEM images to analyze the variation of asphalt film peeling area over time. The processing results showed that the asphalt film of the 15% porosity sample was thicker than that of the 20% porosity sample， and the aging degree of the asphalt mixture was relatively small. The rutting test results showed that the dynamic stability of the asphalt mixture could reach 98%， and the maximum error between the absorbance of asphalt mixture and the actual value was only 0.01， which provides a reference technology for the study of anti?aging characteristics of asphalt mixture.

Key words： epoxy asphalt；preparation of asphalt mixture；marshall test；aging characteristics；grey correlation """"""""""Analysis

瀝青路面因其良好的行車舒適性、平穩(wěn)性、易于維護(hù)等特點(diǎn)，在我國已建成的高速公路中占到了90%。然而，因重載或超載、外部環(huán)境溫度等因素，導(dǎo)致瀝青混凝土表面經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、車轍和水損害等破壞現(xiàn)象，不僅影響其服役壽命，還會(huì)危及行車安全。對此提出了納米SiO2改性瀝青混合料制備方法，該方法首先在材料中添加了5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米SiO2，然后在45 min內(nèi)進(jìn)行了車轍深度測試，提高了瀝青動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度、殘余穩(wěn)定度及抗彎拉強(qiáng)度，保證瀝青混合料的各方面性能均得到明顯提高［1］。研究了干法TPCB改性瀝青AC-13混合料制備方法，該方法使用多因素相互作用分析方法，確定干法TPCB瀝青混凝土制備參數(shù)，分析TPCB摻量對動(dòng)穩(wěn)定度影響程度［2］?；诖耍岢隽斯仿访姝h(huán)氧瀝青與瀝青混合料的制備及老化特性分析方法。該方法使用反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)制備瀝青混合料，通過灰關(guān)聯(lián)分析方法分析瀝青混合料老化特性。

1"" 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1"" 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1"" 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧瀝青原料由美國中科化工體系提供，由2種成分組成，分別為環(huán)氧樹脂成分A和固化劑成分B［3］。根據(jù)原材料供應(yīng)商建議，A組和B組按1∶3的比例進(jìn)行混合。在混合之前，將AB 放進(jìn)烤箱中，分別在85 ℃和110 ℃下加熱1 h。與此同時(shí)，在110 ℃的烤箱中，將具有70～100針入度的基質(zhì)瀝青加熱0.5 h［4］。完成加熱之后，人工攪拌成分A、B各30 s，在添加了用于稀釋的基礎(chǔ)上再攪拌30 s。

1.1.2"" 混合料

采用混合料調(diào)配環(huán)氧瀝青，采用混合料為S95玄武巖礦石粉末，經(jīng)粉碎和篩選后得到的粗、細(xì)集料，其中篩分混合料的級配組成設(shè)計(jì)如表1所示。

1.2"" 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1"" 制備技術(shù)

應(yīng)用以脫色瀝青為主要原材料的反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)，以三色（紅色、黃色、綠色）為無機(jī)色顏料，以不飽和脂肪酸為稀釋劑，研究具有活性的環(huán)氧樹脂冷拌瀝青制備過程［5］。利用YS-180型固化試劑與不飽和脂肪酸之間的“火山灰”作用，快速提高早期強(qiáng)度，然后

添加具有較低揮發(fā)性的三亞四胺類固化試劑，形成網(wǎng)狀立體聚合物，從而達(dá)到降低其粘性、提高其綜合性能的目的［6］。

制備技術(shù)的關(guān)鍵性指標(biāo)，如表2所示。

在瀝青混合料的剪切加工中，添加3%的氧化鐵紅，鈦黃，使冷拌瀝青色粉充分地分散、均勻地分布，從而使得瀝青具有良好顏色。

1.2.2"" 工序設(shè)計(jì)

利用馬歇爾試驗(yàn)確定瀝青的摻入量，計(jì)算公式為：

[Q=（R1+R2+R3+R4）4]"""""""""""""" （1）

式中：[R1、R2、R3、R4]分別代表馬歇爾穩(wěn)定性、最大毛體密度、孔隙率、飽和度［7?9］。

在反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)支持下，計(jì)算瀝青最佳用量：

[Q=（Qmin+Qmax）4]""""""""""""""""""""" （2）

式中：[Qmin、Qmax]分別表示瀝青用量最小值和最大值。

在確定了瀝青最佳用量之后，對制備反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的工序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用到的相關(guān)溶劑和設(shè)備：YS-1618固化劑，上海堯山實(shí)業(yè)有限公司；CAS112-24-3三亞乙四胺，阿拉?。坏?dú)猓▋?yōu)等品），廣州市粵佳氣體有限公司；不銹鋼全自動(dòng)攪拌鍋，梁山同振二手設(shè)備購銷有限公司；DN57冷凝器，無錫市南泉化工成套設(shè)備有限公司；Jm102l膠體磨，上海全簡機(jī)電有限公司。

公路路面的環(huán)氧瀝青與瀝青混合料包括A和B兩個(gè)成分，其中A成分包括具有團(tuán)簇的固化劑，B成分是由純粹的環(huán)氧基體制成［10］。

A和B兩個(gè)成分之間的質(zhì)量比為2∶1～8∶1，在該比例下設(shè)計(jì)反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的配制工藝：在85～135 ℃內(nèi)，加入環(huán)氧瀝青固化試劑及環(huán)氧樹脂強(qiáng)化助劑，升溫至120～140 ℃，保持10～60 min，并利用氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)2～4 h（或采用50～80 ℃的冷水循環(huán)冷卻，直到反應(yīng)完畢）［11］。加入其他組分，再采用抽空的方法除去系統(tǒng)中的小分子，最后采用膠體磨盤進(jìn)行快速分散，即可獲得環(huán)氧瀝材料的A部分。在使用環(huán)氧瀝青材料時(shí)，將所制作得到的環(huán)氧瀝青 A部分與B部分以一定的質(zhì)量比例，在一定溫度下，經(jīng)過充分?jǐn)嚢瑁罱K獲得了瀝青混合料。

2"" 結(jié)果與討論

2.1"" 瀝青混合料老化特性分析

在反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)支持下制備的環(huán)氧瀝青與瀝青混合料，使用傳統(tǒng)老化特征分析方法，很容易受到溫度陡升或陡降影響，形成溫度梯度場，影響分析結(jié)果精準(zhǔn)［12］。為此，采用灰關(guān)聯(lián)分析方法，該方法不會(huì)受到溫度干擾，根據(jù)瀝青不同試樣的老化態(tài)勢相似或相異程度衡量各個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)程度。

首先確定原始參考序列，即瀝青試樣初始狀態(tài)，該狀態(tài)對應(yīng)的試樣，可用VHX-7000系列數(shù)碼顯微系統(tǒng)顯示。之后確定原始比較序列瀝青在不同孔隙率下出現(xiàn)老化的狀態(tài)[Xi=xi（t），t=1，2，…，n]。為了避免單位不一致對關(guān)聯(lián)分析結(jié)果產(chǎn)生的誤差影響，需對原始參考序列進(jìn)行初始化處理，可用如下公式表示：

[x0（0）（t）=x0（0）（1），x0（0）（2），…x0（0）（n）=]

[x0（1）x0（1），x0（2）x0（1），…x0（n）x0（1）]""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （3）

[xi（0）（t）=xi（0）（1），xi（0）（2），…xi（0）（n）=][xi（1）xi（1），xi（2）xi（1），…xi（n）xi（1）]"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" （4）

計(jì)算各個(gè)序列之間的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式為：

[ι0i（t）=εmin+γεmaxx0（t）-xi（t）+γεmax]"""""""""""""""""" （5）

式中：[εmin]、[εmax]分別表示序列間兩級的最小和最大值；

[γ]表示分辨系數(shù)。

最后，確定瀝青試樣初始狀態(tài)和瀝青在不同孔隙率下出現(xiàn)老化的狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)度：

[a0i=i=1nι0i（t）n]"""""" """"""""""""""""""""""""""（6）

將式（6）計(jì)算結(jié)果由大到小排列構(gòu)成關(guān)聯(lián)序列，該序列決定了瀝青不同試樣之間的相關(guān)聯(lián)程度。

Image J是一款用于科研的圖形處理軟件，它具有8位/16位/32位圖形的圖形顯示、編輯、分析、處理等功能，應(yīng)用Image J圖像分析軟件對SEM圖像處理，并從中提取出了電鏡下瀝青膜剝離區(qū)域。

隨著老化期的延長，其剝落面范圍也隨之變化，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，20%孔隙率的試樣瀝青剝落范圍隨著老化時(shí)間逐漸增加，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是未老化之前，20%孔隙率的瀝青膜較薄，隨著老化時(shí)間的增加，瀝青的剝落速度加快，集料層的剝落速度也隨之加快，在一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)大片剝落。15%孔隙率的試樣瀝青，與20%孔隙率的試樣瀝青比較，15%孔隙率的試樣瀝青膜較厚。結(jié)果顯示，在整個(gè)老化時(shí)間內(nèi)，瀝青膜的形態(tài)發(fā)生了很大改變，這說明瀝青膜的厚度是決定瀝青膜耐久性的主要因素，如果瀝青膜較薄，那么瀝青混合料的老化程度也就越大。

2.2"" 車轍試件制作

車轍試件制作的主要步驟：用長300 mm、寬300 mm、厚50～100 mm的板形試件成形，試件密度必須達(dá)到馬歇爾擊實(shí)樣試件1%。用上述板形試件，配合集料的最大公稱粉粒度不大于19 mm，混合料集料的最大公稱量不大于26.5 mm，由此完成車轍試件制作。

2.2.1"" 儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器設(shè)備使用輪碾成型機(jī)，該機(jī)器的磨盤寬度為300 mm，磨盤壓力為300 N/cm，磨盤沖程為磨盤的長度。一般情況下， 12次往返即可滿足碾壓要求。在正式壓實(shí)之前，對制備的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)。將試樣放入車轍試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，以被測車輪為中心，讓試驗(yàn)輪來回運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，或者當(dāng)最大變形值到達(dá)25 mm時(shí)為止。

瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度，可用式（7）表示：

[D=（t2-t1）?Vk2-k1]""""""""""""""""""""""""""" （7）

式中： [t2、t1]分別表示2個(gè)變形量所對應(yīng)的時(shí)間；[V]表示輪碾成型機(jī)往返碾壓速度，使用4個(gè)試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)度試驗(yàn)分析。

2.2.2"" 對比分析

使用納米SiO2改性瀝青混合料制備方法、干法TPCB改性瀝青AC-13混合料制備方法、基于反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)和灰關(guān)聯(lián)分析的方法，對比分析動(dòng)穩(wěn)定度，如圖2所示。

由圖2可知，使用納米SiO2改性瀝青混合料制備方法瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大值為67%，與其余兩種方法相比相對較?。皇褂酶煞═PCB改性瀝青AC-13混合料制備方法瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大值為78%，使用基于反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)和灰關(guān)聯(lián)分析的方法瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大值為98%。由此可知，使用所研究方法瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大。

將瀝青混合料置于紫外線老化箱中4 d，通過紅外光譜的吸光度測試不同方法下瀝青混合料的老化程度，如圖3所示。

由圖3可知，使用納米SiO2改性瀝青混合料制備方法吸光度與實(shí)際值存在一定差別，在波數(shù)為1 598 cm-1時(shí)，吸光度達(dá)到最低，對應(yīng)的數(shù)值為0.927；使用干法TPCB改性瀝青AC-13混合料制備方法與實(shí)際值不一致，在波數(shù)為1 600 cm?1時(shí)，吸光度達(dá)到最低，對應(yīng)的數(shù)值為0.948；使用基于反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)和灰關(guān)聯(lián)分析的方法與實(shí)際值基本一致，僅與實(shí)際值存在最大為0.01誤差。由此可知，使用所研究方法瀝青混合料老化程度紅外光譜分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差最小。

3"" 結(jié)語

（1）通過使用馬歇爾試驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中嚴(yán)格把控瀝青混合料瀝青用量；

（2）應(yīng)用VHX-7000系列數(shù)碼顯微系統(tǒng)，分析瀝青膜剝落面積隨時(shí)間變化規(guī)律，從而確定瀝青膜較厚的瀝青混合料老化程度較??；

（3）通過車轍試驗(yàn)證明，該混合料具有很高的動(dòng)穩(wěn)定性，并可明顯提高其耐老化能力。

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