水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青混合料性能的影響研究

謝鵬達

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

為了降低熱拌瀝青混合料拌和、攤鋪時有害氣體的排放，本文擬研究一種既可冷拌施工又可達到熱拌瀝青混合料的性能，同時還可用于新建、改建、加鋪、修補等工程的一種材料[1]。國外研究認為[2]，水性環(huán)氧樹脂（WER）可以明顯提升混合料的高溫、常溫力學強度和水穩(wěn)定性，同時采用水性環(huán)氧樹脂可與瀝青產(chǎn)生更好的相容。趙富強等人認為[3]，水性環(huán)氧樹脂用于坑槽等作為冷補材料時，可對冷補材料的強度、水穩(wěn)定性能、黏結性能改善顯著，但對低溫會產(chǎn)生不利的影響。因此，應根據(jù)需求選擇合理的水性環(huán)氧樹脂摻量。呂建偉[4]等人研究表明，WER對混合料高溫性能提升明顯，當WER摻量到6%時，提升效果變緩，但延度下降明顯。本文旨在乳化瀝青中添加WER，拌和得混合料在特定的成型方式下，以熱拌瀝青混合料評價方法為基礎，對比研究WER改性乳化瀝青混合料（Water based epoxy modified emulsified asphalt mixture，簡稱WEEA）的性能提升效果。

1 原材料

改性用普通瀝青為A級SK90，SK90號瀝青的性能滿足規(guī)范[5]要求。乳化劑型號為EM-580，本文采用自制WER改性乳化瀝青，油水比為65%∶35%，乳化劑摻量為乳化瀝青質量的1.4%，WER改性劑摻量為普通乳化瀝青質量的4%，固化劑采用水性環(huán)氧樹脂用量10%的三乙烯四胺。采用先乳化后改性的措施生產(chǎn)改性乳化瀝青。WER改性乳化瀝青性能見表1。粗細集料、礦粉均采用石灰?guī)r加工而成，集料、礦粉篩分結果見表2。合成級配見表3。

表1 WER改性乳化瀝青性能指標

表2 集料、礦粉篩分結果

表3 合成級配

2 試驗方案

2.1 確定最佳含水量、最佳油石比

混合料擊實試驗時，采用重型擊實法。混合料悶料時，集料中添加預估用水量為1%～5%，間隔1%。將集料中添加不同用量的水，悶料24 h后，在拌和鍋中拌和30 s，加入預估用量6.2%的水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青，拌和30 s，最后加入礦粉，再拌和30 s，即為 WEEA。

確定乳化瀝青最佳用量時，采用小型馬歇爾擊實法。試件采用雙面常溫擊實50次后，110℃養(yǎng)生24 h，再雙面擊實25次，常溫靜置24 h，脫膜試驗[7]?；旌狭闲阅茉u價指標為熱拌瀝青混合料指標。

2.2 混合料性能評價

WEEA性能采用高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性能、疲勞性能、經(jīng)濟性能與熱拌瀝青混合料比較。高溫性能采用標準動穩(wěn)定度試驗，試件厚度采用30 cm×30 cm×5 cm厚車轍板試驗，試件成型采用第1次輪碾16次，110℃烘箱中養(yǎng)生24 h，第2次輪碾8次，室溫冷卻24 h。低溫性能試驗采用標準小梁試件試驗，小梁試件從車轍板上切取。水穩(wěn)定性按照小型馬歇爾擊實方法成型，養(yǎng)生方式同2.1要求。疲勞試件采用剪切壓實儀成型380 mm×63.5 mm×50 mm的小梁試件，養(yǎng)生方法為在110℃的烘箱中養(yǎng)生24 h，室內(nèi)靜置24 h。疲勞試驗控制應變采用偏正弦加載模式，應變水平選用200×10-6，加載頻率10 Hz，試驗溫度15℃[7]。

3 試驗結果與分析

3.1 最佳含水量、最佳油石比結果分析

含水量及密度關系見圖1。

圖1 干密度與含水率關系

從圖1可知，干密度隨含水率的增加呈先增加后減小的變化。最佳含水率為5.36%，其中WER改性乳化瀝青中水占混合集料的2.17%，去除此部分水后，最佳含水量為3.19%。

3.2 最佳瀝青用量確定

采用小型馬歇爾擊實儀對不同瀝青用量WER混合料試驗，計算最佳瀝青用量。測試結果見圖2。

圖2 混合料指標與乳化瀝青用量關系

從圖2可知，穩(wěn)定度最大時對應的乳化瀝青用量為5.9%；毛體積密度最大時對應的乳化瀝青用量為6.1%；以混合料空隙率4.5%為基準，乳化瀝青最佳用量為6.86%。OAC1計算得6.3%。以上指標均滿足要求時，OAC2為6.6%。最終WEEA的最佳乳化瀝青用量為6.4%。

3.3 高溫性能結果分析

兩種混合料的車轍試驗結果見表4。

表4 車轍試驗結果

表4可知，WEEA的抗車轍性能遠大于規(guī)范技術要求及AC-13 SBS改性熱拌混合料，其值是AC-13 SBS改性熱拌混合料動穩(wěn)定度值的2.5倍。主要原因為水性環(huán)氧樹脂中環(huán)氧活性基團，在固化劑中活潑氫的激活下，環(huán)氧基團開鏈，與帶活潑氫的官能團反應，同時在乳化瀝青體系的阻滯下，形成強度高、范圍廣的三維網(wǎng)狀結構，一方面加強了瀝青混合料的抗變形能力，另一方面對瀝青的變形起到約束限制作用，最終表現(xiàn)為混合料的抗剪切流動性變形能力增強。

3.4 水穩(wěn)定性能結果分析

按照熱拌瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗方法，對WEEA及熱拌瀝青混合料試驗，試驗結果見表5。

表5 水穩(wěn)定性試驗結果

從表5可知，兩種混合料的抗水損壞性能均符合要求，且均處于一個較高水平。所以，WEEA的抗水損壞性能是可以接受的。

3.5 低溫性能結果分析

低溫彎曲試驗結果見表6。

表6 低溫彎曲試驗結果

表6可知，偏硬的WEEA的低溫彎曲性能尚沒有AC-13 SBS改性熱拌混合料性優(yōu)，但性能與AC-13 SBS改性熱拌瀝青混合料較為接近。主要原因為低溫情況下，本來剛性較大的環(huán)氧樹脂已表現(xiàn)出較強的抗彎曲破壞能力。在微小應變時，WEEA將會發(fā)生近于脆性斷裂。

3.6 疲勞性能結果分析

四點彎曲疲勞試驗結果見表7。

表7 疲勞試驗結果

從表7可知，AC-13 SBS改性熱拌瀝青混合料的疲勞性能遠優(yōu)于WEEA。從能量角度及疲勞次數(shù)來看，WEEA的疲勞性能只是熱拌混合料的5%和11%。表明單獨使用環(huán)氧樹脂改性的乳化瀝青混合料用于瀝青路面的攤鋪尚還不成熟，主要原因為WEEA的剛性、脆性在疲勞方面尚不占優(yōu)勢，相同的應變條件下，熱拌瀝青混合料的韌性表現(xiàn)更占優(yōu)勢，小變形情況下，混合料將會在較短的時間內(nèi)恢復變形，而偏剛性材料的WEEA在相同的變形時，環(huán)氧樹脂材料固化產(chǎn)成的剛性網(wǎng)狀骨架逐漸脆斷，形成明顯的內(nèi)部微觀缺陷，該缺陷逐漸在疲勞作用次數(shù)的作用下，逐漸增加、合并、沿著銀紋方向擴大，導致宏觀方面表現(xiàn)為裂縫加長加寬，最終偏向脆斷的方向斷裂。

3.7 經(jīng)濟性能分析

本文比較了AC-13 SBS改性熱拌瀝青混合料、WEEA的經(jīng)濟性能，比較時只對生產(chǎn)材料的價格比較，忽略加工費。比較結果見表8。

表8 經(jīng)濟效益分析

表8可知，從瀝青單價角度分析，乳化瀝青類的WER改性乳化瀝青略高于SBS改性乳化瀝青，但遠低于SBS改性瀝青。從成品混合料單價分析，SBS改性瀝青的價格是兩種乳化瀝青價格的2倍，WEEA的單價略高于SBS改性乳化瀝青混合料。所以，WEEA與熱拌瀝青混合料在市場應用中具有很強的市場競爭力。

4 結論

a）確定WER改性乳化瀝青混合料的最佳含水量為5.36%，去除WER改性乳化瀝青中水后，最佳含水量為3.19%。最佳乳化瀝青用量為6.4%。

b）高溫方面，WEEA的抗車轍性能是AC-13 SBS改性熱拌瀝青混合料的2.5倍。水穩(wěn)定性、低溫性能方面，WER改性乳化瀝青性能略低于AC-13 SBS改性熱拌混合料，但均在合格、可接受范圍內(nèi)。疲勞性能方面，從能量角度及疲勞次數(shù)來看，WEEA的疲勞性能只是熱拌混合料的5%和11%，遠不及熱拌瀝青混合料。所以，水性環(huán)氧樹脂對混合料的貢獻主要表現(xiàn)為高溫性能的提升，主要是其熱固性環(huán)氧樹脂對混合料剛性三維加筋、三維限位的作用，使混合料的高溫性能得到大幅度的提高，而在低溫、疲勞方面，其脆性嚴重影響了混合料的性能，尤其是抗疲勞性能。所以，進一步改進WEEA的性能勢在必行，提高混合料的抗疲勞性能、低溫性能、抗水損壞性能是下一步主要研究方向。

c）從性價比講，WEEA的單價略高于SBS改性乳化瀝青混合料，但遠低于熱拌瀝青混合料。從市場應用來講，WEEA的性能改進還有很大的空間。