環氧乳化瀝青薄層罩面混合料設計及路用性能研究

顏國珍，鄧家喜

(1.廣西北投交通養護科技集團有限公司，廣西 南寧 530026；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

自1988年我國第一條高速公路建成通車以來，我國公路建設事業已取得舉世矚目的成就。據國家統計局數據，至2020年年底，我國高速公路里程已達到16.10萬km，穩居世界第一。早期建成投入使用的瀝青路面高速公路，許多出現了結構功能尚好，但使用功能劣化嚴重的現象，如抗滑性能不足、表面顆粒剝落、坑洞等，亟待進行維修養護。瀝青混合料薄層罩面是目前應用較為廣泛、可快速恢復路面使用性能的養護手段。采用瀝青混合料薄層罩面維修養護時，為了降低對環境的影響及節約能源，一般會采用乳化瀝青作為粘結料進行冷施工[1]。但是，以乳化瀝青作為罩面混合料的粘結料，存在早期強度低、水穩定性差等不足，從而導致乳化瀝青薄層罩面混合料的使用壽命不長，對路面使用性能恢復效果并不理想[2]。因此，本文將從瀝青粘結料、混合料配合比設計及路用性能角度出發，開展環氧乳化瀝青薄層罩面混合料設計研究，以期為環氧乳化瀝青薄層罩面養護技術推廣提供理論指導。

1 原材料

1.1 基質瀝青

基質瀝青采用中石化90#基質瀝青，其主要性能指標見表1。

表1 基質瀝青性能指標表

1.2 乳化劑

乳化劑采用上海龍浮化工生產的陰離子乳化劑，其主要性能指標見表2。

表2 陰離子乳化劑性能指標表

1.3 環氧樹脂與固化劑

環氧樹脂及固化劑采用巴陵石化生產的雙酚A型環氧樹脂、非離子型水溶性常溫固化劑，兩者性能指標見表3。

表3 環氧樹脂與固化劑性能指標表

1.4 礦料

采用針片狀含量低、顆粒棱角分明的抗壓強度高的玄武巖用作薄層罩面集料，其主要性能指標如表4所示。礦粉采用石灰巖磨細礦粉。

表4 薄層罩面用集料性能指標表

1.5 水泥

環氧乳化瀝青中的水分較多，會降低乳化瀝青破乳及環氧樹脂固化速率。因此可添加適量水泥，通過水泥與水的水化反應可降低粘結料中的水分，同時也可提高瀝青混合料的強度[3]。本文水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，對其基本性能進行檢測，結果如表5所示。

表5 水泥基本性能指標檢測結果表

2 環氧乳化瀝青制備

2.1 乳化瀝青制備

乳化瀝青制備過程中主要考慮油水比(瀝青與水比值)及乳化劑用量，參考現有相關研究，本文選用4∶6、5∶4、6∶3、7∶3油水比進行乳化效果研究(乳化劑摻量為2%)，然后選用1.4%、1.8%、2.2%、2.6%乳化劑摻量進行篩上剩余量試驗及存儲穩定性試驗。對不同油水比制備的乳化瀝青外觀進行觀察，結果見表6。

表6 不同油水比乳化瀝青乳化效果分析表

由表6可知，油水比為5∶4時制得的乳化瀝青質量較好，因此以該油水比制備不同乳化劑摻量的乳化瀝青進行篩上剩余量試驗及儲存穩定性試驗，試驗結果見表7。

表7 乳化瀝青篩上剩余量試驗及儲存穩定性試驗結果表

由表7可知，隨乳化劑摻量增加，乳化瀝青的篩上剩余量及儲存穩定性降低，說明乳化劑摻量越高，瀝青的均勻性及穩定性均越好。乳化劑摻量為2.2%時，篩上剩余量<0.1%，1 d及5 d儲存穩定性分別小于1%、5%，均滿足規范要求，且當乳化劑摻量>2.2%時，對乳化瀝青的改善效果開始降低。綜合經濟及技術考慮，本文選用2.2%乳化劑作為乳化瀝青制備摻量。

2.2 固化劑摻量選擇

環氧樹脂粘結強度對提高環氧乳化瀝青粘層材料的粘結性能及強度有較積極的影響，而固化劑摻量是環氧樹脂粘結性能的重要因素。本文根據廠家推薦制備摻比范圍，以環氧樹脂∶固化劑分別為5∶1、4∶1、3∶1制備環氧樹脂乳液，并對其進行拉拔試驗，評價其粘結性能，拉拔試驗結果如表8所示。

表8 環氧乳化瀝青熒光顯微鏡觀察結果表

由表8可知，隨固化劑摻量增加，環氧樹脂的拉拔強度呈先升高后降低趨勢，當環氧樹脂∶固化劑=4∶1時，拉拔強度達到峰值，因此采用該摻比作為環氧樹脂乳液的配制摻比。

2.3 環氧乳化瀝青制備工藝

環氧乳化瀝青屬于環氧樹脂與乳化劑對基質瀝青的復合改性，而環氧樹脂與固化劑混合后在短時間內即開始發生固化，影響瀝青的粘彈性。因此本文先制備乳化瀝青，再加入環氧樹脂攪拌均勻，最后加入固化劑攪拌3 min制得環氧乳化瀝青待用。制備流程如圖1所示。

圖1 環氧乳化瀝青制備工藝流程圖

3 環氧乳化瀝青混合料配合比研究

目前薄層罩面瀝青混合料沒有統一的設計理論，本文采用馬歇爾試驗方法進行環氧乳化瀝青薄層瀝青混合料配合比設計，對環氧樹脂、瀝青用量及水泥用量展開研究。環氧乳化瀝青薄層罩面瀝青混合料級配采用OGFC-5，設計空隙率范圍為18%～25%，其合成級配通過率見表9。

表9 OGFC-5合成級配表

3.1 正交試驗設計

根據現有研究成果及工程實踐經驗，確定環氧樹脂摻量(占瀝青用量的質量百分比)為5%、15%、25%，環氧樹脂∶固化劑=4∶1，油石比為4.5%、5.0%、5.5%，水泥用量(占礦料質量百分比)為1%、2%、3%。采用全因素水平試驗方法，試驗量較大，因此本文采用正交試驗方法對配合比進行研究，水平因素及L9(33)正交試驗設計見表10～11。

表10 正交試驗因素水平表

表11 L9(33)正交試驗設計結果表

3.2 正交試驗結果分析

對制備的9組環氧乳化瀝青混合料進行馬歇爾試驗，分別測量其毛體積密度穩定度、空隙率、瀝青飽和度及礦料間隙率，試驗結果見表12。

均值分析法是對正交試驗相同因素水平的試驗結果取均值，通過均值評價其對試驗結果的影響，對表12結果進行均值分析，并繪制曲線如圖2～6所示。

表12 基于正交試驗設計的馬歇爾試驗結果表

由圖2～6可知：

圖2 毛體積密度變化趨勢圖

(1)隨環氧樹脂摻量增加，毛體積密度、穩定度、瀝青飽和度逐漸增大，空隙率及礦料間隙率減小 ，說明隨環氧樹脂增加，瀝青混合料變得更加密實，強度增加，抵抗外部荷載的能力得到提高。

圖3 穩定度變化趨勢圖

圖4 空隙率變化趨勢圖

(2)隨油石比增加，毛體積密度和瀝青飽和度呈現持續增大趨勢；礦料間隙率變化不明顯；穩定度及呈現單峰變化趨勢，并在油石比為5.0%時取得最大值；空隙率呈現持續減小趨勢，與環氧樹脂摻量增加時空隙率變化趨勢一致，這可能是因為環氧樹脂在混合料中發生固化，填充了集料間的空隙。

圖5 瀝青飽和度變化趨勢圖

圖6 礦料間隙率變化趨勢圖

(3)隨水泥用量增加，毛體積密度、穩定度及空隙率均呈現整體上升趨勢，而瀝青飽和度和礦料間隙率呈現先增大后降低趨勢。

3.3 方差分析

為探究環氧樹脂摻量、油石比及水泥摻量對環氧乳化瀝青混合料各項指標影響的顯著性，采用SPSS對馬歇爾試驗結果的穩定度、空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度進行方差分析，結果見表13。

表13 方差分析結果表(P值)

由表13可知：(1)環氧樹脂摻量對混合料穩定度的P值為0.004，<0.05，為顯著影響，油石比及水泥摻量對各指標影響均不顯著。這可能是因為OGFC混合料為大空隙骨架結構，油石比及水泥摻量的變化并不足以引起體積指標或反映高溫穩定性的穩定度指標大幅度變化。

(2)環氧樹脂摻量對各指標的影響程度排序為穩定度>空隙率>瀝青飽和度>毛體積密度，建議以穩定度取得最大值時的環氧樹脂摻量為推薦值，則環氧樹脂摻量確定為25%。同理，油石比對各指標的影響排序為空隙率>穩定度>毛體積密度>瀝青飽和度，水泥摻量對各因素的影響顯著性排序為穩定度>空隙率>瀝青飽和度>毛體積密度，建議以穩定度取得最大值及設計空隙率取得中值時的油石比及水泥用量為推薦值，則油石比確定為5.0%，水泥用量為3%。

4 環氧乳化瀝青混合料薄層罩面路用性能研究

薄層罩面鋪筑在舊瀝青路面，對路面功能進行恢復，并直接承受行車荷載及自然環境作用，其應具備良好的水穩定性能、抗剝落性能及抗滑性能，因此本文以乳化瀝青薄層罩面為對比組，從上述三個方面對環氧乳化瀝青薄層罩面混合料路用性能展開研究。水穩性能采用浸水馬歇爾試驗評價、抗剝落性能采用浸水飛散試驗評價、抗滑性能采用人工鋪砂構造深度試驗評價(室內成型車轍板作為抗滑性能試驗試件)，試驗結果見表14。

表14 路用性能測試結果表

由表14可知：環氧乳化瀝青混合料的水穩定性能及抗剝落性能均優于乳化瀝青混合料，而兩者的抗滑性能基本相當，這是因為環氧樹脂固化及試件試驗過程中水泥繼續水化，提高了瀝青與集料的粘結性能，從而提高了混合料的水穩定性與抗剝落性能，而OGFC混合料的構造深度大小主要取決于級配，因此受瀝青種類影響較小。

5 結語

通過對環氧乳化瀝青罩面混合料設計及路用性能研究，得出以下結論：

(1)通過環氧乳化瀝青制備及配合比設計研究，本文推薦環氧乳化瀝青制備參數為：乳化劑摻量2.2%、油水比5∶4，環氧樹脂摻量25%、油石比為5.0%，水泥用量3%，環氧樹脂∶固化劑=4∶1。

(2)環氧樹脂摻量對混合料穩定度為顯著影響，而油石比及水泥摻量對其他性能指標影響均不顯著，但油石比及水泥摻量對性能指標影響相對較大的分別為空隙率及穩定度。

(3)環氧乳化瀝青薄層罩面混合料的水穩定性能及抗剝落性能均優于乳化瀝青混合料，而兩者的抗滑性能相當。