反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料制備及性能研究*

喻杰， 李九蘇， 姜舜君， 保安青， 許聰， 荊志偉

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

經濟的快速發展和生活水平的提高，讓人們對城市交通布局及景觀的多樣性、功能性提出了更高要求。彩色瀝青的出現，讓現代化城市的美觀規劃有了更多選擇。與常見黑白色構造的水泥砼及瀝青砼相比，色彩的多變性對于美化城市空間設計和提升道路行駛安全性意義重大。目前工程應用中以熱拌彩色瀝青混合料為主，其施工過程不僅需消耗燃油、溫度要求高、CO2等溫室氣體排放量大，而且會產生危害人體安全的瀝青煙等有害、有毒物質。

彩色瀝青冷拌冷鋪技術在中國發展較晚，創新程度不高，在性能方面存在水穩定性差、顏色耐久性差、初始穩定度不足等問題。提高冷拌彩色瀝青早期強度、提升路用性能成為冷拌彩色瀝青推廣應用的重要手段。Autelitano Federico等提出了一種合理的方法對彩色瀝青路面進行顏色表征，采用透明合成乳液制備的各種稀薄的冷色素高摩擦路面處理方法。Sun Zhilin等提出了一種性能優異液體瀝青的最佳配制方案。Peng Xiaoguang等提出采用混合芳香油、石油樹脂和SBS制備彩色瀝青。李璐等將反應型樹脂預聚體結合一定量降黏劑成功研制了一種高性能反應型常溫瀝青。高明等制備了一種彩色道路瀝青，其路用性能良好，符合重型交通標準。周興望對液體彩色瀝青的常用混合料配合比進行了研究。環氧樹脂可作為輔助溶劑降低瀝青黏度并提高混合料強度，被廣泛應用于道路鋪裝工程中。該文將環氧樹脂與反應型冷拌瀝青技術相結合制備反應型彩色環氧冷拌瀝青，并分析其路用性能。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

采用自主研發的反應型冷拌瀝青技術，以脫色瀝青為基礎材料，紅、黃、綠3種無機色粉為染色劑，不飽和脂肪酸為稀釋劑，復配環氧樹脂及SBS改性劑，充分高速剪切后制備反應型彩色環氧冷拌瀝青。通過大量試驗，確定不飽和脂肪酸的最佳含量為25%、SBS最佳摻量為2%，瀝青在常溫條件下具有良好的流動性。通過YS-180固化劑與不飽和脂肪酸的“火山灰”反應使瀝青迅速獲得早期強度，再加入揮發性低的三亞乙基四胺(環氧樹脂固化劑)，與環氧樹脂反應后生成網狀立體聚合物降低瀝青黏度并進一步提升瀝青的性能。反應型彩色環氧冷拌瀝青的主要技術指標見表1。

表1 反應型彩色環氧冷拌瀝青的主要技術指標

1.1.1 色粉

對于反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料，其顏色帶來的功能性是常見熱拌瀝青混合料所不具備的。不同顏色的瀝青應用在城市機動車道、非機動車道、隧道等公共場所也具有不同的功能，如紅色在隧道口的警示作用、綠色在城市建設中的美化作用及劃分區間作用等。

染色劑分為有機顏料和無機色粉，研究表明，冷拌瀝青采用無機色粉的著色效果比有機顏料更好。冷拌瀝青較常見的熱拌瀝青，色粉更易著色，這是因為顏料中的無機成分受施工時高溫條件的影響會產生一定雜質變性，色澤變差。因此，在瀝青制備的剪切過程中加入瀝青用量3%的氧化鐵紅(Fe2O3H2O)、鈦黃{(TiCrSb)O2}、氧化鉻綠(Cr2O3)，使之充分分散均勻，使瀝青良好著色。

1.1.2 環氧樹脂

環氧樹脂的固化反應機理：雙酚二甘油醚的化學鏈斷裂，生成苯基或甲基甘油醚；環氧樹脂與三亞乙基四胺中的胺鍵反應，在這個過程中，活性氧(環氧)和活性氫(固化劑)之間的反應最終形成碳氧化學鍵連接的大分子。瀝青中摻入一定量環氧樹脂，可降低其黏度，固化后能在集料與瀝青間產生一定的黏結力提升瀝青混合料性能。因此，環氧樹脂用量對反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料路用性能的作用不容忽視。選用昆山南亞生產的BPA型水性環氧樹脂，其主要技術指標見表2。

表2 環氧樹脂的主要技術指標

1.1.3 集料

反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料試驗中，選用S95級玄武巖礦粉，粗、細集料均由堿性石灰巖破碎篩分得到，其各項物理性能均符合規范要求。

1.2 試驗方法

制備反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的工序為將YS-180固化劑和集料在攪拌鍋中拌合60 s至均勻→加入合適比例的反應型彩色環氧冷拌瀝青和三亞乙基四胺拌合60 s→加入礦粉攪拌60 s，得到反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料。通過馬歇爾穩定度試驗評價反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料早期強度及成型馬歇爾穩定度，車轍碾壓試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗評價其高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性，色彩耐久性以RTFOT和PAV試驗前后的R、G、B值來評價。

2 反應型彩色環氧冷拌材料組成設計

2.1 礦料配合比設計

混合料配合比設計步驟為公稱最大粒徑確定、結構類型及礦粉用量確定。空隙率是影響混合料耐久性的重要指標之一，其值越小則環境中氧氣、水分等難以對混合料造成不利影響。考慮到彩色瀝青的功能性及當前應用場所多為城市非機動車道的美化工程，采用細粒式密級配AC-13(見表3)，最大公稱粒徑為13.2 mm。

表3 AC-13的級配

2.2 礦粉摻量的確定

礦粉的加入能顯著提高混合料的黏聚性，這是因為瀝青會與礦粉相互吸附形成薄膜裹附在粗、細集料上，使混合料黏結更緊密。摻加一定量礦粉能提升混合料成型后的防水性和密實性，但過量的礦粉會造成混合料工作性降低，影響拌合施工。根據不同礦粉摻量混合料的馬歇爾初始穩定度及工作性(見表4)確定礦粉用量。

表4 不同礦粉摻量下混合料初始馬歇爾穩定度

從表4可以看出：礦粉含量從2%變化到8%時，瀝青混合料的初始馬歇爾穩定度先增大后減小。摻量為6%時，初始穩定度最大，瀝青混合料的工作性能良好；摻量為2%～6%時，礦粉的增加使礦料表面積增加，更易形成結構瀝青，集料與瀝青的黏結力提高；含量超過6%時，過量的礦粉使瀝青混合物的空隙率增加，可加工性變差。因此，確定礦粉含量為6%。

2.3 瀝青最佳用量的確定

通過馬歇爾試驗確定反應型彩色冷拌瀝青混合料的最佳瀝青用量OAC。分別測定梯度為0.5%的不同瀝青用量下AC-13瀝青混合料試件的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、馬歇爾穩定度和流值，根據空隙率和礦料間隙率計算飽和度。設馬歇爾穩定度和毛體積密度最大值分別為a1、a2，空隙率和飽和度中值分別為a3、a4，由下式計算OAC1：

OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4

(1)

以符合技術標準的各項指標的瀝青用量范圍最小值OACmin與最大值OACmax的中值計算瀝青最佳用量，由下式計算OAC2：

OAC2=(OACmin+OACmax)/2

(2)

根據OAC1和OAC2由下式確定最佳瀝青用量OAC：

OAC=(OAC1+OAC2)/2

(3)

反應型環氧彩色冷拌瀝青馬歇爾試驗結果見表5，最佳瀝青用量為5.0%。

表5 反應型環氧彩色冷拌瀝青馬歇爾試驗結果

3 反應型彩色環氧冷拌瀝青路用性能評價

3.1 馬歇爾穩定度

采用標準馬歇爾方法分別成型0、5%、10%、15%環氧樹脂摻量的混合料試件，置于60 ℃水浴恒溫箱中30 min后進行初始馬歇爾穩定度(2 h)及成型馬歇爾穩定度(12 h)測定，評估反應型環氧彩色冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩定度是否符合規范要求，測試結果見表6。

表6 不同環氧樹脂摻量下反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩定度

由表6可知：僅依靠YS-180與不飽和脂肪酸固化反應形成的早期強度遠遠無法滿足施工規范要求。隨著環氧樹脂含量的增加，初始馬歇爾穩定度和成型馬歇爾穩定度迅速增長，環氧樹脂含量超過10%后增長速率變緩。10%環氧樹脂摻量的冷拌瀝青混合料成型馬歇爾穩定度超過施工規范規定值(8 kN)，初始馬歇爾穩定度、成型馬歇爾穩定度比不摻環氧樹脂混合料分別提高2.5、2.7倍，說明環氧樹脂能顯著提升混合料強度。樹脂摻量10%與15%時試件的初始馬歇爾穩定度差異較小，原因是隨著環氧樹脂的增加，其與固化劑的反應時間增長，固化過程完成緩慢。

為分析色粉的加入對瀝青混合料強度的影響，以10%環氧樹脂摻量的反應型彩色環氧冷拌瀝青，采用標準馬歇爾方法成型未染色(即反應型脫色環氧冷拌瀝青混合料)及摻入3%色粉的紅色、黃色、綠色馬歇爾試件，對比其馬歇爾穩定度變化情況，試驗結果見圖1。

圖1 各顏色反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩定度對比

由圖1可知：不同顏色色粉的加入對反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料馬歇爾穩定度的影響很小，因為色粉摻量少，且在瀝青制備階段剪切加入，均勻分散在瀝青中，并不會代替礦粉的作用。在反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料應用中，不同顏色色粉對道路性能的影響可忽略不計。

3.2 高溫穩定性

動穩定度試驗中，試件采用輪碾法得到。由于瀝青材料的感溫性，在高溫與荷載的共同作用下會產生永久變形，進而形成車轍，故通過車轍試驗驗證混合料的高溫穩定性。分別對環氧樹脂摻量為0、5%、10%、15%的反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料試件進行車轍試驗，分析其高溫穩定性。試驗前室溫放置時間為48 h，試驗溫度為(60±1) ℃，碾壓胎壓符合標準要求，試件為標準車轍試塊。試驗結果見圖2。

圖2 不同環氧樹脂摻量與動穩定度的關系

由圖2可知：隨著環氧樹脂摻量的增加，冷拌料的高溫穩定性提高。摻量為10%時的動穩定度為4 223次/mm，比不摻環氧樹脂時提高1.5倍左右；摻量增加到15%時，動穩定度提升幅度有所削弱。這是因為環氧樹脂固化后生成碳氧大分子，將瀝青與集料黏結得更緊密，從而大大提升其強度；瀝青與YS-180粉末接觸后發生固化聯結反應，內部形成網狀結構，將集料良好地包裹起來，反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的高溫穩定性出現質的提升。

3.3 低溫抗裂性

瀝青路面在低溫與荷載的耦合作用下易發生低溫脆裂現象。在室溫下成型不同環氧樹脂含量的反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料車轍板，48 h后切割成小梁試件，采用LWWL-2型試驗系統進行小梁彎曲試驗，試驗溫度為(-10±0.5) ℃，加載速度為50 mm/min。試驗結果見表7。

由表7可知：隨著環氧樹脂用量的增加，反應型冷拌彩色瀝青混合料的彎曲強度增大，最大彎曲應變先增大再減小，10%樹脂摻量為轉折點，不同摻量環氧樹脂的反應型冷拌彩色瀝青混合料的最大彎拉應變均符合規范要求。說明環氧樹脂的摻入使混合料的低溫抗裂性能有一定提高，勁度模量逐步增大。

表7 不同環氧樹脂摻量下反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料小梁彎曲試驗結果

但改善程度有限，因為環氧樹脂摻量增大，瀝青變得硬脆的同時，低溫撓度逐漸減小，瀝青混合料更易出現彎拉變形。

3.4 水穩定性

分別采用常規浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對不同環氧樹脂含量的反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的水穩定性進行測試，結果見表8。

表8 不同環氧樹脂摻量下反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料水穩定性試驗結果 %

由表8可知：隨著環氧樹脂用量的增加，反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的水穩定性指標上升。這是因為環氧樹脂本身耐水性較強，固化后在瀝青內部生成碳氧化學鍵的大分子，提高了瀝青與骨料的黏附力，降低了瀝青混合料的剝落風險，避免了因空氣中水分子引起混合料松散的問題。反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料水穩定性的提高較依賴于環氧樹脂用量。

3.5 色彩耐久性

彩色瀝青因其獨特的色彩多變性被應用于城市空間設計中，色彩耐久性對其功能的實現至關重要。目前，對于彩色瀝青的色彩耐久性表征并沒有系統的規范和試驗體系，多數以研究路面性能為主。針對所采用的紅、黃、綠3種色型彩色環氧冷拌瀝青，通過RTFOT和PAV試驗對比瀝青經過短期和長期老化后的R、G、B值，用圖像處理軟件測試老化試驗前后圖像顏色參數的變化，評價反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的色彩耐久性。純紅、純黃、純綠3種顏色的R、G、B值見表9。

表9 純色色彩的R、G、B值

為直觀反映瀝青的色彩耐久性，引入色度指數Q。原始色度指數越大，表明該瀝青顏色較顯著，且越接近純色；老化后色度指數變化大，說明瀝青老化程度大、色彩耐久性不佳。Q按下式計算：

(4)

式中：Z為3種色彩的彩色環氧冷拌瀝青老化前后的R、G、B值。

老化試驗前后瀝青R、G、B值的變化及按式(4)計算的色度指數見表10。

表10 RTFOT和PAV老化前后的R、G、B值對比

由表10可知：經RTFOT和PAV試驗后，3種顏色反應型冷拌環氧彩色瀝青的色度指數均不同程度下降，削弱程度為黃色>紅色>綠色。黃色瀝青RTFOT短期老化、PAV長期老化后色度指數分別下降1.6%和10%，黃色瀝青色澤下降主要集中在長期老化過程中，需在路面使用期間減少光、熱等對黃色瀝青的影響。綠色瀝青短期老化、長期老化后色度指數分別下降4.7%和1.6%，綠色瀝青短期老化比長期老化更嚴重，應注重其最初階段的施工及養護。綠色瀝青的色彩耐久性優于紅色和黃色瀝青，黃色瀝青的色彩耐久性最差。

4 結論

(1) 同一摻量的不同顏色色粉在瀝青中剪切后染色效果良好，且對反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩定度的影響在可控范圍，可忽略。

(2) 環氧樹脂可顯著提升反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的初始馬歇爾穩定度、成型馬歇爾穩定度和動穩定度，摻量10%時混合料初始馬歇爾穩定度、成型馬歇爾穩定度和動穩定度比不摻環氧樹脂時分別提升2.5、2.7、1.5倍，15%摻量環氧樹脂混合料的性能相對于10%摻量提升不大。說明環氧樹脂可使混合料的高溫性能得到較大提升，但過多環氧樹脂會降低性價比。

(3) 反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料的彎曲強度因環氧樹脂的摻入逐漸增大，但其最大彎曲應變先增大后減小，以10%樹脂摻量為轉折點，說明過大的環氧樹脂摻量會使瀝青混合料的抗彎拉變形能力降低。隨環氧樹脂摻量的增加，混合料水穩定性指標呈上升趨勢，水穩定性穩步提高。

(4) 環氧樹脂的最佳摻量為10%，此時反應型彩色環氧冷拌瀝青混合料具有較好的綜合路用性能，初始穩定度(2 h)及成型穩定度(12 h)分別為4.95、9.24 kN，動穩定度為4 223 次/mm，殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別達到86.9%、80.6%，小梁試驗中最大彎拉應變為2 439.52 με。

(5) RTFOT和PAV老化試驗后，3種顏色反應型冷拌環氧彩色瀝青的色度指數削弱程度為黃色>紅色>綠色。