含有鋼渣的水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的性能

季 節，王 哲，苑志凱，李 輝，張艷君

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044; 2.北京未來城市設計高精尖創新中心， 北京 100044;3.齊魯交通建設集團股份有限公司，山東 濟南 250101; 4交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

傳統的熱拌瀝青路面技術在生產和施工過程中不僅消耗大量的燃油而且還會釋放致癌物苯并吡等有害氣體[1]，是一種典型的“高能耗、高排放、高污染”技術。隨著人們對環保和節約資源意識的不斷加強，道路建造的一些新技術也應運而生。乳化瀝青混合料克服了熱拌瀝青混合料在生產和施工過程中對高溫的要求，在常溫下實現拌和、攤鋪、碾壓，是一種“低能耗、低排放、低污染”技術。與傳統熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青混合料不僅能節約能源，改善施工條件，還能降低工程造價。但目前常見的各類乳化瀝青混合料卻存在很多缺點，如早期強度低，儲存穩定性差，與礦料之間的黏附性弱等，從而限制了其大規模推廣使用，尤其是在高等級道路中的應用。因此，研究高性能乳化瀝青混合料具有十分重要的科學意義和應用價值。

目前國內外一般使用SBR，SBS等對乳化瀝青進行改性以提高其性能，但SBR改性乳化瀝青的高溫和黏附性較差[2-3]。SBS改性乳化瀝青雖然具有優異的和易性、早期強度和路用性能，但卻存在乳化難度高、容易破乳、不能長時間穩定儲存、生產工藝復雜等問題[4]。因此，尋找一種改性效果好且生產工藝簡單的改性乳化瀝青技術十分必要。水性環氧樹脂是以環氧樹脂微粒為分散相、以水為連續相的液相體系材料，可在室溫及潮濕環境下固化，具有熱穩定性好、強度高和黏結力強的特點[5-7]。將水性環氧樹脂用于乳化瀝青的改性，可使乳化瀝青的高溫、黏附性等得到提高，且工藝簡單可行，能彌補傳統SBS和SBR改性乳化瀝青的技術缺點，拓展乳化瀝青的應用范圍[[8-9]。Min[10]利用熒光顯微鏡和動態力學分析法，分析了水性環氧樹脂改性乳化瀝青力學性能和相行為，得出當瀝青體積分數高于40%時，樹脂基體相將會轉變為瀝青基體相，同時其力學性能迅速降低。Cong等[11]、張慶等[12]、周啟偉等[13]研究了水性環氧樹脂改性乳化瀝青性能與水性環氧樹脂摻量之間的關系，發現改性后乳化瀝青的黏彈性、黏度等會隨著水性環氧樹脂摻量的增加而提高，當水性環氧樹脂摻量為4%時，改性乳化瀝青的儲存穩定性最佳。呂建偉等[14]、季節等[15]研究了水性環氧樹脂摻量對SBR乳化瀝青混合料性能的影響，發現水性環氧樹脂可明顯改善混合料的高溫穩定性，但對低溫性能卻有不利影響，當水性環氧樹脂摻量為6%時，混合料的抗車轍能力、耐磨耗性能、抗水損性能最好。季節等[16]采用先乳化后改性的方法制備水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料并與熱拌瀝青混合料性能相比，發現混合料的高溫性能優越，但低溫性能和疲勞性能不足，水穩定性能基本保持一致。通過上述研究可知，加入水性環氧樹脂可以提高瀝青及混合料的強度和高溫性能，但低溫性能會有所降低。

鋼渣作為煉鋼的副產品，以顆粒形式排放，具有耐磨、孔隙率大、水硬性好、多棱角等特點，是一種潛在的優良路用性能的建筑材料[17]。高振鑫等[18]、申愛琴等[19]、Hesami等[20]對不同鋼渣摻量的熱拌及溫拌瀝青混合料水穩定性進行評價，并借助掃描電鏡試驗等分析了鋼渣對混合料水穩定性的影響機理，結果表明鋼渣呈超堿性，表面多孔隙，增大了其與瀝青間的有效接觸面積，提高了黏結性，可顯著改善混合料的水穩定性。李偉等[21]通過室內直剪試驗，發現鋼渣瀝青路面的層間抗剪強度均高于傳統瀝青路面的抗剪強度。Ali等[22]利用鋼渣作為粗集料制備混合料并評價了其路用性能，發現鋼渣瀝青混合料的性能均優于同類型的石灰巖混合料。由此可見，鋼渣作為瀝青混合料中的粗骨料可明顯改善混合料的路用性能尤其是水穩定性能，但由于鋼渣細集料含有極易膨脹的游離CaO和MgO等多種氧化物，在一定環境下會發生電解水化反應，體積穩定性不良，其混合料的耐久性能有待改善，因此鋼渣在瀝青混凝土中通常被用作粗集料[23]。

國內外大多數的研究集中在水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料或鋼渣瀝青混合料的性能上，卻很少研究將鋼渣作為細集料用于改性乳化瀝青混合料中。本研究利用鋼渣自身的高強度和高吸水性，將其作為改性乳化瀝青混合料中的細骨料使用，研究其對混合料性能的影響規律，為含有鋼渣的水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的推廣應用提供理論和技術支持。

1 試驗方案與材料

1.1 試驗方案及方法

1.1.1 試驗方案

首先，采用不同的乳化劑制備乳化瀝青，利用水性環氧樹脂對乳化瀝青進行改性，得到高性能的水性環氧樹脂改性乳化瀝青。其次，利用馬歇爾設計方法設計AC-16型含有鋼渣的水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料，通過土工擊實試驗和試拌法優選乳化瀝青類型及外摻水用量，利用失水率和馬歇爾穩定度確定水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的最佳擊實時間、養生方式以及最佳水性環氧樹脂摻量。最后，評價含有鋼渣水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的性能，并與改性乳化瀝青混合料(不含鋼渣)和普通乳化瀝青混合料(含鋼渣/不含鋼渣)進行性能對比。

1.1.2 試驗方法

(1)水穩定性

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[24]中的相關規定進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。浸水馬歇爾試驗對照組和浸水組各成型4個馬歇爾試件，試件采用二次擊實法成型，具體過程：第1次擊實50次，常溫養生 24 h，第2次擊實25次，常溫靜置48 h后進行試驗，試驗結果取平均值。凍融劈裂試驗對照組和凍融組各成型4個馬歇爾試件，試件采用二次擊實法成型，具體過程：第1次擊實35次，常溫養生 24 h，第2次擊實15次，常溫靜置48 h后進行試驗，試驗結果取平均值。

(2)高溫穩定性

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中的相關規定進行車轍試驗。成型4個車轍試件，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，分2次壓實養生成型。具體過程：裝料后首先碾壓 2 次，轉換方向繼續碾壓 12次，常溫養生 24 h，第2次在碾壓 12 次的方向繼續碾壓 6 次，將其置于室溫下 48 h后進行試驗，試驗結果取平均值。

(3)低溫抗裂性

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中的相關規定進行低溫小梁彎曲試驗。成型4個低溫小梁試件，試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，試驗結果取平均值。

1.2 試驗材料

1.2.1 基質瀝青

采用70#瀝青，其性能見表1。

表1 70#瀝青的性能Tab.1 Properties of asphalt No.70

1.2.2 乳化劑、水性環氧樹脂與固化劑

選取2種不同乳化劑(陽離子和陰離子乳化劑)和1種水性環氧樹脂與固化劑，其性能見表2～表3。

表2 乳化劑性能Tab.2 Properties of emulsifier

表3 水性環氧樹脂與固化劑性能Tab.3 Properties of waterborne epoxy resin and curing agent

1.2.3 集料

粗集料采用石灰巖，其性能見表4。細集料采用唐山地區的轉爐鋼渣(唐山的鋼產量約占國內鋼鐵總產量的12.5%左右[25])。其主要化學成分為CaO，Fe2O3，MgO，SiO2，Al2O3等[26]其性能依據《道路用鋼渣》(GB/T 25824—2010)[27]中的技術規定，見表5。

表4 粗集料性能Tab.4 Properties of coarse aggregates

表5 鋼渣性能Tab.5 Properties of steel slags

1.2.4 水泥

選用普通42.5#硅酸鹽水泥，對其進行了性能測試，見表6。

表6 水泥性能Tab.6 Properties of cement

2 結果與討論

2.1 改性乳化瀝青混合料的設計

2.1.1 水性環氧樹脂改性乳化瀝青的制備

根據課題組前期研究成果[15-16,28]，室內采用先乳化后改性的方法制備水性環氧樹脂改性乳化瀝青，其中水性環氧樹脂的摻量為4%，水性環氧樹脂與固化劑的比例為1∶1.25。首先將乳化劑、穩定劑和水按比例混合成皂液，將皂液加熱到60 ℃，并用少許試劑(HCl/NaOH)調整皂液的 pH值，在剪切儀下以2 000 r/min的速度剪切5 min。其后將135 ℃瀝青按比例緩緩加入到皂液中并保持溫度為60 ℃，以4 000 r/min的速度剪切30 min，之后冷卻到室溫。最后將水性環氧樹脂乳液和固化劑按比例緩緩加入到乳化瀝青中，在室溫下以2 000 r/min 的速度剪切5 min，制備出水性環氧樹脂改性乳化瀝青，見圖1。

圖1 水性環氧樹脂改性乳化瀝青的制備過程Fig.1 Preparation process of waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt

2.1.2 改性乳化瀝青混合料的設計

改性乳化瀝青混合料采用AC-16型，其中粗、細集料的比例為61.9∶34.1(細骨料全部用鋼渣替代)，礦粉摻量為4.0%，礦粉由2.5%石灰巖礦粉和1.5%水泥組成(水泥用來提高混合料的早期強度)。通過馬歇爾設計方法確定混合料的最佳油石比為7.2%，空隙率為4.1%。

2.1.3 改性乳化瀝青混合料的拌和工藝

根據前期研究成果[15-16,28]，確定改性乳化瀝青混合料的拌和工藝。首先將干燥集料、水泥加入到拌和鍋中常溫拌和10 s，其次加入最佳用量的水常溫拌和30 s，再加入最佳摻量的改性乳化瀝青常溫拌和45 s，最后加入礦粉，常溫拌和45 s，見圖2。

2.1.4 乳化瀝青類型及最佳外摻水用量的篩選與優化

采用陽離子乳化劑LBP1設計3種不同乳化劑摻量下的乳化瀝青，其中油水比為50∶50，皂液pH值為4.0，對其蒸發殘留物進行性能測試，結果見表7。

圖2 瀝青混合料的拌和工藝Fig.2 Mixing process of asphalt mixture

由表7可知，制備的3種乳化瀝青各項技術指標均符合規范要求。基于前期研究，利用土工擊實試驗，初步確定外摻水用量在1.0%～2.0%之間。根據設計出的改性乳化瀝青混合料的級配和最佳油石比，配制1.5 kg左右的混合料，通過試拌法篩選與優化最佳外摻水用量，其中以瀝青混合料的拌和狀態(混合料的和易性和干濕狀態良好、無漿體析出和氣泡產生、無花白料出現、集料與瀝青裹附性好、粗集料表面裹附均勻的細集料等)為控制目標，對上述3種乳化瀝青在1.0%外摻水用量下進行試拌。

表7 不同乳化瀝青的性能Tab.7 Properties of different emulsified asphalts

第1次試拌結果發現，利用3種不同乳化瀝青拌制的混合料多為花白料，集料與瀝青裹附性不均勻，混合料呈松散狀態，偏干。一方面可能是外摻水用量太少，另一方面由于乳化瀝青呈酸性(pH值為4.0)，可能與鋼渣集料發生反應，導致瀝青破乳速度過快。因此，增加外摻水用量至1.5%，調整瀝青的酸堿性pH值至7.0，重新拌制混合料，表8為調整后乳化瀝青的性能。

表8 不同乳化瀝青的性能Tab.8 Properties of different emulsified asphalts

由表8可知，制備的3種乳化瀝青各項技術指標均符合規范要求。第2次試拌結果發現，利用3種不同乳化瀝青拌制的混合料中有明顯的漿體析出和大量的氣泡產生，一方面可能是由于外摻水用量過多，另一方面也可能是乳化瀝青的酸堿性影響混合料的拌制效果。因此，為進一步驗證乳化瀝青的酸堿性是否會對混合料的拌制效果產生影響，保持外摻水用量不變(1.5%)，將乳化瀝青的酸堿性pH值調整至9.5，重新拌制混合料，表9為調整后乳化瀝青的性能。

表9 不同乳化瀝青的性能Tab.9 Properties of different emulsified asphalts

由表9可知，制備的3種乳化瀝青的各項技術指標均符合規范要求。第3次試拌結果發現，利用3種不同乳化瀝青拌制的混合料中仍有明顯的漿體析出和大量氣泡產生。這說明調整乳化瀝青的酸堿性和外摻水用量均不能達到良好的拌和效果，這極可能與乳化劑的類型有關，即乳化劑類型與水性環氧樹脂之間存在著一定的配伍性。因此，將原來采用的陽離子乳化劑調整為陰離子乳化劑。本研究采用A3T1型陰離子乳化劑，按其產品要求配制乳化瀝青，其中乳化劑摻量為3.5%，油水比為62∶38，皂液pH值為12.0，對其蒸發殘留物的性能測試結果見表10。

表10 乳化瀝青的性能Tab.10 Physical properties of emulsified asphalt binder

由表10可知，制備的乳化瀝青的各項技術指標均符合規范要求。對上述制備陰離子乳化瀝青分別在1.0%，1.5%，2.0%外摻水用量條件下進行試拌。第4次試拌結果表明：

(1)當外摻水用量為1.0%時，混合料多為花白料，整體偏干，呈松散狀態，說明外摻水用量太低，集料難以潤濕，導致集料與瀝青裹附不均勻。而當外摻水用量為2.0%時，混合料中有明顯的漿體析出和大量氣泡產生，說明外摻水用量偏高，部分自由水會與水泥或鋼渣發生水化反應。

(2)當外摻水用量為1.5%時，混合料無漿體析出和氣泡產生，集料與瀝青裹附性好，粗集料表面裹附均勻的細集料，說明此狀態下的混合料外摻水量最佳。這是因為適當的外摻水在濕潤集料時能保證與瀝青的黏附。同時，由于采用強堿性(pH值為12.0)陰離子乳化瀝青，一方面與水性環氧樹脂之間的配伍性好，可減緩乳化瀝青的破乳速度，另一方面不會與鋼渣發生反應。因此，通過試拌法最終優選出的乳化瀝青為強堿性陰離子乳化瀝青，最佳外摻水用量為1.5%。

2.1.5 擊實時間及養生方式的確定

為了合理確定瀝青混合料的兩次擊實時間及養生方式，選擇4種不同時間(50，90，130，220 min)進行擊實。第1次擊實后，放置在常溫條件下養生一定時間后進行第2次擊實成型。其中，第2次擊實時間的確定是以失水率為控制指標，控制瀝青混合料的失水率在30%～40%之間。結合前期研究，通過對拌和狀態的目測，確定混合料的第1次擊實時間為拌和后130 min，第2次擊實時間一般控制在第1次擊實時間后的24 h，第1次和第2次擊實之間采用常溫養生。

2.1.6 最佳水性環氧樹脂摻量的確定

根據前期研究成果，推薦的水性環氧樹脂摻量為4%，水性環氧樹脂乳液與固化劑的比例為1∶1.25，但按此比例配制的改性乳化瀝青混合料在常溫養生48 h后的馬歇爾穩定度在4 kN左右。為提高混合料的早期強度，進一步調整水性環氧樹脂摻量和水性環氧樹脂與固化劑的比例(調整至1∶1)。表11是水性環氧樹脂摻量為8%和12%摻量下的混合料進行養生24，48，72，96 h后的失水率和馬歇爾穩定度測試結果。

表11 瀝青混合料在不同養生時間下的失水率和馬歇爾穩定度Tab.11 Water loss rates and Marshall stabilities of asphalt mixture under different curing time

注：將水性環氧樹脂乳液與固化劑的比例由1∶1.25調整為1∶1。

從表11可知：

(1)相同摻量下的改性乳化瀝青混合料，其馬歇爾穩定度和失水率隨養護時間的增加而增加，失水率越大，其馬歇爾穩定度值也越高，但相對而言馬歇爾穩定度增長幅度不大。當水性環氧樹脂摻量為8%、混合料從24 h養生到96 h時，失水率增加幅度約30%左右，而馬歇爾穩定度的增長幅度卻僅有10%左右，最大值為4.96 kN。當水性環氧樹脂摻量增加到12%、混合料從24 h養生到96 h時，失水率增加幅度為30%左右，馬歇爾穩定度增長幅度為20%左右，最大值為7.21 kN。由此可見，提高水性環氧樹脂的摻量可增強混合料的早期強度，這與學者研究結果一致[29-30]，即水性環氧樹脂摻量越高，混合料的力學性能增強越明顯，但此時養生時間長達到96 h，不利于開放交通。

(2)在保持水性環氧樹脂摻量不變(12%)的情況下，調整水性環氧樹脂與固化劑的比例，由原來的1∶1.25調整為1∶1，進一步進行失水率和馬歇爾穩定度的測試。發現隨養護時間的增加，如從24 h 增加到96 h時，混合料的失水率和馬歇爾穩定度的增長幅度分別提高到40%和30%左右，當養生時間為48 h時，馬歇爾穩定度已經達到7.13 kN，可開放交通。因此，在其他條件不變的情況下，確定水性環氧樹脂最佳摻量為12%，水性環氧樹脂與固化劑的比例為1∶1，進一步進行改性乳化瀝青混合料的性能評價。

2.2 改性乳化瀝青混合料性能評價

分別制備含鋼渣和不含鋼渣的改性乳化瀝青混合料和普通乳化瀝青混合料，對4種瀝青混合料進行高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性試驗，結果見表12。

表12 瀝青混合料路用性能Tab.12 Pavement performance of asphalt mixtures

由表12可知：

(1)綜合考慮混合料的高、低溫性能和水穩定性能，含鋼渣的改性乳化瀝青混合料性能最優，其次為不含鋼渣的改性乳化瀝青混合料和含鋼渣的普通乳化瀝青混合料，不含鋼渣的普通乳化瀝青混合料的性能最差。

(2)相對于其他3種瀝青混合料，只有含鋼渣的改性瀝青混合料的性能達到熱拌瀝青混合料的性能要求，這主要是水性環氧樹脂中高活性的環氧基團與固化劑中的活潑氫極易發生反應，在瀝青中形成牢固的三維立體網狀結構，加之鋼渣集料表面多孔，具有更為豐富的棱角性，使得瀝青能更有效地黏附在鋼渣集料表面，大大增強了瀝青與集料界面之間的黏附性，從而提高混合料的高、低溫性能和水穩定性能。

(3)不含/含鋼渣的普通乳化瀝青混合料除高溫性能滿足熱拌瀝青混合料的性能要求外，其余的性能均不滿足要求，這主要是因為普通乳化瀝青混合料中瀝青與集料之間的黏附性較差，在試驗過程中也發現普通乳化瀝青混合料在低溫小梁試件制作和浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂強度試驗過程中很容易出現斷裂、松散等現象，無法成型進行下一步試驗。

3 結論

(1)以改性乳化瀝青混合料的拌和工作狀態為控制目標，通過試拌法優選出適用于含有鋼渣骨料混合料的乳化劑類型為陰離子型，且制備乳化瀝青時應將其酸堿度調節到偏堿性，以減少乳化瀝青與鋼渣之間的反應。

(2)以失水率和馬歇爾穩定度作為控制指標，確定混合料的最佳擊實時間、養生方式及最佳水性環氧樹脂摻量。第1次擊實時間為拌和后的 130 min，第2次擊實時間一般控制在第1次擊實時間后24 h(此時失水率一般在30%～40%之間)，養生方式為常溫養生。最佳水性環氧樹脂摻量為12%。

(3)通過加入一定劑量水泥和提高水性環氧樹脂摻量可保證混合料具有良好的早期強度和性能。相對于其他3種乳化瀝青混合料，只有含鋼渣的改性乳化瀝青混合料的性能達到了熱拌瀝青混合料的性能要求。

(4)含有鋼渣的改性乳化瀝青混合料的疲勞性能和耐磨性還需進一步測試。