水性环氧树脂改性乳化沥青混合料路用性能研究.pdf

引言在沥青路面施工中的沥青混合料主要是热拌沥青混合料（Hot Mix Asphalt，HMA），但HMA在拌和、施工过程中不仅耗费大量能源，而且会造成环境污染1。乳化沥青混合料作为一种较为安全、环保的道路材料，在路面铺筑中逐步受到关注，但存在强度低、自身质量不稳定、耐久性不足等问题2。目前，相关工作者对于改性乳化沥青已经展开了各种研究。何远航等人将2%的水性环氧与固化剂掺加一起制备改性乳化沥青，发现其基本性能指标满足要求，且将其用作路面稀浆封层或透层具有良好效果3；邓爱民等人将自制的环氧树脂乳液与SBS乳化沥青按照不同的掺量复合在一起，发现其黏结度以及低温柔韧性随着环氧树脂乳液掺量的增加而增加4；丁庆军等人通过将环氧树脂改性沥青应用于钢桥面铺装，研究发现其性能良好5；赵亚萍将自制的改性乳化沥青作为沥青路面的应力吸收层，对其进行疲劳加载试验，研究发现其抗反射裂缝能力提高6；殷立文通过剪切拉拔仪研究了不同配比下的水性环氧沥青的黏结强度，发现添加环氧树脂后其黏结度升高7；杨帆等通过荧光扫描试验发现环氧掺量越高时，水性环氧树脂乳化沥青的网状结构越明显8；Zhang等人对五种不同掺量的水性环氧树脂乳化沥青进行低温小梁弯曲试验，研究发现，随着水性环氧树脂用量的增大，其低温弯拉应变呈先增大后减小趋势，在环氧树脂掺量为15%时，弯拉应变最大9；余定洋等利用斜剪试验对自制的水性环氧树脂改性乳化沥青进行了抗剪性能研究，发现抗剪性能较好10。综上所述，目前国内外研究者已通过相应试验研究了水性环氧树脂乳化沥青的性能，且普遍认为乳化沥青在添加了环氧树脂后其强度提升，但对于其混合料的耐久性尚不清楚。因此，本文通过制备水性环氧树脂改性乳化沥青，设计了AC-13C型沥青混合料，利用室内试验研究其路用性能，并与相同级配的乳化沥青混合料、基质沥青混合料进行对比。1 原材料及级配1.1 乳化沥青本文选用东海牌阳离子乳化沥青，其具体性能见表1。表1 阳离子乳化沥青技术性能指标破乳速度粒子电荷1.18mm筛上剩余物（%）乳化沥青固含量（%）残留物针入度（25）/（0.1mm）残留物软化点/残留物延度（15）/cm与水混合稳定性与矿料拌和常温储存稳定性（%）1 d5 d要求范围慢裂或中裂+0.1554515040均匀均匀15测试结果慢裂+0.0559.27542.7100均匀均匀0.63.4试验方法T0658T0653T0652T0651T0604T0606T0605T0665T0659T0655T06551.2 水性环氧树脂及固化剂选用的水性环氧树脂类型为 HY-R 型，基本性能收稿日期：2023-05-11作者简介：刘怡美（1995），女，助理工程师，从事道路工程材料研究工作。基金项目：国家自然科学基金项目（51978086）；河北省交通运输厅科技项目（JX-202012）水性环氧树脂改性乳化沥青混合料路用性能研究刘怡美（河北省高速公路京雄筹建处，河北 保定 071700）摘要：为研究水性环氧树脂改性乳化沥青的掺入对沥青混合料性能的影响变化，首先对改性乳化沥青进行针入度、软化点、延度测试，确定了水性环氧树脂的最佳掺量为10%；然后采用修正马歇尔实验对AC-13C型混合料进行配合比设计，确定乳液最佳用量为9.0%；最后制备了水性环氧树脂乳化沥青混合料，利用室内试验研究其路用性能，并与相同级配的乳化沥青混合料、基质沥青混合料进行对比，发现水性环氧树脂改性乳化沥青混合料具有良好的路用性能和耐久性。关键词：水性环氧树脂；改性乳化沥青；混合料；耐久性；最佳掺量中图分类号：U414文献标识码：B32交通世界TRANSPOWORLD见表2。表2 水性环氧树脂的性能指标品种固含量（%）外观环氧当量储存期pH值水性环氧树脂（A组分）柔性50白色黏稠状液体38040012个月68固化剂（B组分）常温固化剂淡黄色液体4852791.3 集料本文所用粗集料、细集料均为石灰岩碎石，其主要技术性能见表3。表3 粗集料主要技术指标材料粒径/mm13.29.54.752.361.180.60.30.150.075表观相对密度2.7502.7512.7502.7432.7092.7272.7452.7232.711表干相对密度2.7112.7162.7202.6872.6712.6822.7052.7002.689毛体积相对密度2.6902.6952.7042.6592.6532.6622.6892.6872.678吸水率（%）0.710.750.681.021.4 矿粉本文所选用的矿粉为石灰岩磨细的产物，其基本物理性能见表4。表4 石灰岩矿粉试验结果试验项目表观密度/（g/cm3）粒度范围（%）含水量（%）塑性指数亲水系数外观0.6 mm0.15 mm0.075 mm试验结果2.71710095.5870.4030.5无团粒结块规范要求2.501009010075100141无团粒结块2 水性环氧树脂改性乳化沥青的配制为确定水性环氧树脂的最佳掺量，制备0%、5%、10%、15%、20%五种不同水性环氧树脂掺量下的改性乳化沥青。按照配比要求，采用的固化剂质量比为水性环氧树脂质量的1/10，并通过三大指标（针入度、软化点、延度）试验测试其常规物理性能。由试验结果可知，加入水性环氧树脂后，乳化沥青的针入度、软化点和延度都发生了突变。随着水性环氧树脂掺量的增加，针入度继续逐渐降低、软化点逐渐增加、延度降低，且5 延度测试结果不能满足施工规范要求。究其原因，水性环氧树脂是一种热固性材料，添加乳化沥青后，可以很大程度上决定改性乳化沥青的性能。另一方面，当水性环氧树脂掺量大于10%后，改性乳化沥青的软化点以及延度变化趋于稳定，因此，确定其最佳掺量为10%。3 水性环氧树脂改性乳化沥青混合料配合比设计本文选用阳离子乳化沥青和10%掺量的水性环氧树脂作为乳液，参照公路沥青路面施工技术规范（JTGF402004）要求，采用公式（1）计算初始乳液用量。P=0.06A+0.12B+0.2C（1）式中：P为乳液与矿料干质量的百分比（%）；A为粒径在2.36 mm以上的矿料与矿料总量的百分比（%）；B为2.360.075 mm粒径的矿料与矿料总量的百分比（%）；C为矿料占全部矿料总量的百分率（%）。按照水性环氧树脂改性乳化沥青混合料AC-13C的级配曲线中的级配，采用上述公式得到乳液用量为8.6%，将8.6%定为基准用量，然后通过加/减0.5%，确定最终7.6%、8.1%、8.6%、9.1%、9.6%五组乳液用量，采用二次击实法成型马歇尔试件，室温养护不少于48 h后，进行马歇尔试验，最后，根据试件的体积参数及力学性能随乳液用量的变化，确定出水性环氧树脂改性乳化沥青混合料AC-13C的最佳乳液用量为9.0%。4 路用性能对比研究根据级配和水性环氧树脂最佳掺量，按照二次成型法，成型改性乳化沥青混合料AC-13C的试件，并对其进行室内试验测试其路用性能，然后与相同级配的乳化沥青混合料、基质沥青混合料进行对比。4.1 高温稳定性采用车辙试验对比研究不同沥青混合料的高温性能。水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的车辙板试件采用二次碾压方式成型：混合料拌制均匀后，装入试模中，首先碾压2次，转换方向继续碾压16次，然后放进60 的烘箱中养生1 d，取出后再碾压8次，最后静置48 h以上后进行车辙试验。通过试验得知，水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的动稳定度最大，是基质沥青混合料以及乳化沥青混合料的次数约2.2倍、5.2倍。另外，其车辙深度最小，仅为1.83 mm，这说明水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的高温稳定性最佳，乳化沥青混合料高温抗变形能力最差。这是因为环氧树脂为热固性材料，固化后，生成了空间网状结构，沥青吸附在这些空间网状结构上，与环氧树脂分子相互交联，从而提高抗变形能力。4.2 低温抗裂性能根据规范成型车辙板试件，然后切割成250 mm3033总651期2023年第21期（7月 下）mm35 mm 的小梁，对其进行低温弯曲试验。温度为-10，加载速率 50 mm/min。由于乳化沥青混合料的车辙板试件强度较低，在切割小梁时产生破碎，因此未进行低温性能试验。由试验结果可知，水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变均小于作为对比材料的热拌沥青混合料，表明其低温抗裂性能相对较差，但仍满足规范要求。4.3 水稳定性通过试验结果可知，与乳化沥青AC-13C相比，环氧乳化沥青具有更高的浸水残留稳定度与冻融劈裂强度比，而浸水飞散损失降低，表明其水稳定性得到了大幅提高；但仍比普通热拌AC-13C型沥青混合料的水稳定性差。这是由于在试件制备时，水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的空隙率高于基质沥青混合料，长期浸泡于水中后，水将进入试件空隙，导致黏结力降低。而且由于乳化沥青中含有乳化剂、稳定剂等，在水侵蚀作用下，也会对混合料的水稳定性带来负面作用。4.4 疲劳性能根据规范要求进行四点弯曲疲劳试验，试件由成型的车辙板切割成尺寸为 300 mm50 mm50 mm 的小梁。试验温度为15，加载速率为50 mm/min，频率为10 Hz，波形为正弦波。因只需对比混合料的疲劳性能，所以试验中采用统一的疲劳荷载幅值F=300 N。试验结果见图1（因乳化沥青混合料的强度较低，车辙板试件锯切成小梁时，试件发生破坏，所以没有疲劳数据）。图1 沥青混合料四点弯曲疲劳寿命由图1可知：水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的疲劳寿命要明显低于热拌AC-13C型，与乳化沥青混合料相比，疲劳性能有明显提升。这可能是由于水性环氧树脂固化后，生成了空间网状结构，沥青吸附在这些空间网状结构上，整体性提高，从而提高疲劳寿命。5 结论本文通过制备水性环氧树脂改性乳化沥青，设计了AC-13C型沥青混合料，利用室内试验研究其路用性能，并与相同级配的乳化沥青混合料、基质沥青混合料进行对比，取得了如下研究结论：1）设计的水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性、抗疲劳性能均优于乳化沥青混合料，且与普通的热拌沥青混合料的性能相当。2）根据水性环氧树脂乳化沥青混合料试件的体积参数及力学性能随乳液用量的变化，确定了沥青混合料AC-13C中乳液的最佳用量为9.0%，乳化沥青中水性环氧树脂的最佳掺量为10%。3）采用二次碾压成型法（先碾压18次，在60 养生24 h后，再碾压8次）制作的普通乳化沥青混合料车辙板试件，在室温养生48 h后，仍不能顺利切割出小梁试件，说明普通乳化沥青混合料的整体性较差、强度较低。参考文献：1 虎增福.道路用乳化沥青的生产与应用M.北京：人民交通出版社，2012.2 交通部公路科学研究院.微表处和稀浆封层技术指南M.北京：人民交通出版社，2006.3 何远航，张荣辉.水性环氧树脂改性乳化沥青在公路养护中的应用J.新型建筑材料，2007（5）：37-40.4 邓爱民，季翠华，张庆杰.路面裂缝修复用环氧-沥青乳液粘合剂的研究J.沈阳理工大学学报，2010，29（5）：68-71.5 全国混凝土标准化技术委员会.特种混凝土与沥青混凝土新技术及工程应用M.北京：中国建材工业出版社，2012.6 赵亚萍.环氧乳化沥青粘层材料的研究D.西安：长安大学，2012.7 殷立文.水性环氧沥青在沥青坑槽修补技术的中的应用J.公路交通科技（应用技术版），2013，9（11）：194-196.8 杨帆，何丽红，田春玲，等.水性环氧乳化沥青混凝土路面冷补材料制备及性能研究J.公路，2017，62（6）：286-290.9 Zhang Q,Xu YH,Wen ZG.Influence of water-borne ep-oxy resin content on performance of waterborne epoxyresin compound SBR modified emulsified asphalt fortack coatJ.Construction and Building Materials,2017(153):774-782.10 余定洋，何兆益，李兴富，等.水性环氧乳化沥青的制备及混合料路用性能研究J.中外公路，2018，38（2）：313-317.34