反應(yīng)型彩色環(huán)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(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的提高，讓人們對(duì)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(xiàn)，讓現(xiàn)代化城市的美觀規(guī)劃有了更多選擇。與常見黑白色構(gòu)造的水泥砼及瀝青砼相比，色彩的多變性對(duì)于美化城市空間設(shè)計(jì)和提升道路行駛安全性意義重大。目前工程應(yīng)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(huì)產(chǎn)生危害人體安全的瀝青煙等有害、有毒物質(zhì)。

彩色瀝青冷拌冷鋪技術(shù)在中國(guó)發(fā)展較晚，創(chuàng)新程度不高，在性能方面存在水穩(wěn)定性差、顏色耐久性差、初始穩(wěn)定度不足等問題。提高冷拌彩色瀝青早期強(qiáng)度、提升路用性能成為冷拌彩色瀝青推廣應(yīng)用的重要手段。Autelitano Federico等提出了一種合理的方法對(duì)彩色瀝青路面進(jìn)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(yōu)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(yīng)型樹脂預(yù)聚體結(jié)合一定量降黏劑成功研制了一種高性能反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。周興望對(duì)液體彩色瀝青的常用混合料配合比進(jìn)行了研究。環(huán)氧樹脂可作為輔助溶劑降低瀝青黏度并提高混合料強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于道路鋪裝工程中。該文將環(huán)氧樹脂與反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)相結(jié)合制備反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青，并分析其路用性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

采用自主研發(fā)的反應(yīng)型冷拌瀝青技術(shù)，以脫色瀝青為基礎(chǔ)材料，紅、黃、綠3種無機(jī)色粉為染色劑，不飽和脂肪酸為稀釋劑，復(fù)配環(huán)氧樹脂及SBS改性劑，充分高速剪切后制備反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青。通過大量試驗(yàn)，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(dòng)性。通過YS-180固化劑與不飽和脂肪酸的“火山灰”反應(yīng)使瀝青迅速獲得早期強(qiáng)度，再加入揮發(fā)性低的三亞乙基四胺(環(huán)氧樹脂固化劑)，與環(huán)氧樹脂反應(yīng)后生成網(wǎng)狀立體聚合物降低瀝青黏度并進(jìn)一步提升瀝青的性能。反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.1 色粉

對(duì)于反應(yīng)型彩色環(huán)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(yīng)用在城市機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道、隧道等公共場(chǎng)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(shè)中的美化作用及劃分區(qū)間作用等。

染色劑分為有機(jī)顏料和無機(jī)色粉，研究表明，冷拌瀝青采用無機(jī)色粉的著色效果比有機(jī)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?yàn)轭伭现械臒o機(jī)成分受施工時(shí)高溫條件的影響會(huì)產(chǎn)生一定雜質(zhì)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(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)機(jī)理：雙酚二甘油醚的化學(xué)鏈斷裂，生成苯基或甲基甘油醚；環(huán)氧樹脂與三亞乙基四胺中的胺鍵反應(yīng)，在這個(gè)過程中，活性氧(環(huán)氧)和活性氫(固化劑)之間的反應(yīng)最終形成碳氧化學(xué)鍵連接的大分子。瀝青中摻入一定量環(huán)氧樹脂，可降低其黏度，固化后能在集料與瀝青間產(chǎn)生一定的黏結(jié)力提升瀝青混合料性能。因此，環(huán)氧樹脂用量對(duì)反應(yīng)型彩色環(huán)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(chǎn)的BPA型水性環(huán)氧樹脂，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 環(huán)氧樹脂的主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 集料

反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料試驗(yàn)中，選用S95級(jí)玄武巖礦粉，粗、細(xì)集料均由堿性石灰?guī)r破碎篩分得到，其各項(xiàng)物理性能均符合規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方法

制備反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的工序?yàn)閷S-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(yīng)型彩色環(huán)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(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料。通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)評(píng)價(jià)反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料早期強(qiáng)度及成型馬歇爾穩(wěn)定度，車轍碾壓試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性，色彩耐久性以RTFOT和PAV試驗(yàn)前后的R、G、B值來評(píng)價(jià)。

2 反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌材料組成設(shè)計(jì)

2.1 礦料配合比設(shè)計(jì)

混合料配合比設(shè)計(jì)步驟為公稱最大粒徑確定、結(jié)構(gòu)類型及礦粉用量確定?？障堵适怯绊懟旌狭夏途眯缘闹匾笜?biāo)之一，其值越小則環(huán)境中氧氣、水分等難以對(duì)混合料造成不利影響?？紤]到彩色瀝青的功能性及當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)所多為城市非機(jī)動(dòng)車道的美化工程，采用細(xì)粒式密級(jí)配AC-13(見表3)，最大公稱粒徑為13.2 mm。

表3 AC-13的級(jí)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?yàn)闉r青會(huì)與礦粉相互吸附形成薄膜裹附在粗、細(xì)集料上，使混合料黏結(jié)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(shí)性，但過量的礦粉會(huì)造成混合料工作性降低，影響拌合施工。根據(jù)不同礦粉摻量混合料的馬歇爾初始穩(wěn)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(wěn)定度

從表4可以看出：礦粉含量從2%變化到8%時(shí)，瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小。摻量為6%時(shí)，初始穩(wěn)定度最大，瀝青混合料的工作性能良好；摻量為2%～6%時(shí)，礦粉的增加使礦料表面積增加，更易形成結(jié)構(gòu)瀝青，集料與瀝青的黏結(jié)力提高；含量超過6%時(shí)，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(yàn)確定反應(yīng)型彩色冷拌瀝青混合料的最佳瀝青用量OAC。分別測(cè)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(wěn)定度和流值，根據(jù)空隙率和礦料間隙率計(jì)算飽和度。設(shè)馬歇爾穩(wěn)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(jì)算OAC1：

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

(1)

以符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)的瀝青用量范圍最小值OACmin與最大值OACmax的中值計(jì)算瀝青最佳用量，由下式計(jì)算OAC2：

OAC2=(OACmin+OACmax)/2

(2)

根據(jù)OAC1和OAC2由下式確定最佳瀝青用量OAC：

OAC=(OAC1+OAC2)/2

(3)

反應(yīng)型環(huán)氧彩色冷拌瀝青馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5，最佳瀝青用量為5.0%。

表5 反應(yīng)型環(huán)氧彩色冷拌瀝青馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青路用性能評(píng)價(jià)

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度

采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾方法分別成型0、5%、10%、15%環(huán)氧樹脂摻量的混合料試件，置于60 ℃水浴恒溫箱中30 min后進(jìn)行初始馬歇爾穩(wěn)定度(2 h)及成型馬歇爾穩(wěn)定度(12 h)測(cè)定，評(píng)估反應(yīng)型環(huán)氧彩色冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度是否符合規(guī)范要求，測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 不同環(huán)氧樹脂摻量下反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度

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

為分析色粉的加入對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響，以10%環(huán)氧樹脂摻量的反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾方法成型未染色(即反應(yīng)型脫色環(huán)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(duì)比其馬歇爾穩(wěn)定度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 各顏色反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度對(duì)比

由圖1可知：不同顏色色粉的加入對(duì)反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的影響很小，因?yàn)樯蹞搅可?，且在瀝青制備階段剪切加入，均勻分散在瀝青中，并不會(huì)代替礦粉的作用。在反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料應(yīng)用中，不同顏色色粉對(duì)道路性能的影響可忽略不計(jì)。

3.2 高溫穩(wěn)定性

動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生永久變形，進(jìn)而形成車轍，故通過車轍試驗(yàn)驗(yàn)證混合料的高溫穩(wěn)定性。分別對(duì)環(huán)氧樹脂摻量為0、5%、10%、15%的反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，分析其高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)前室溫放置時(shí)間為48 h，試驗(yàn)溫度為(60±1) ℃，碾壓胎壓符合標(biāo)準(zhǔn)要求，試件為標(biāo)準(zhǔn)車轍試塊。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同環(huán)氧樹脂摻量與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

由圖2可知：隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，冷拌料的高溫穩(wěn)定性提高。摻量為10%時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度為4 223次/mm，比不摻環(huán)氧樹脂時(shí)提高1.5倍左右；摻量增加到15%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度有所削弱。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂固化后生成碳氧大分子，將瀝青與集料黏結(jié)得更緊密，從而大大提升其強(qiáng)度；瀝青與YS-180粉末接觸后發(fā)生固化聯(lián)結(jié)反應(yīng)，內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將集料良好地包裹起來，反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性出現(xiàn)質(zhì)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(fā)生低溫脆裂現(xiàn)象。在室溫下成型不同環(huán)氧樹脂含量的反應(yīng)型彩色環(huán)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(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為(-10±0.5) ℃，加載速度為50 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可知：隨著環(huán)氧樹脂用量的增加，反應(yīng)型冷拌彩色瀝青混合料的彎曲強(qiáng)度增大，最大彎曲應(yīng)變先增大再減小，10%樹脂摻量為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，不同摻量環(huán)氧樹脂的反應(yīng)型冷拌彩色瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均符合規(guī)范要求。說明環(huán)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(huán)氧樹脂摻量下反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

但改善程度有限，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂摻量增大，瀝青變得硬脆的同時(shí)，低溫?fù)隙戎饾u減小，瀝青混合料更易出現(xiàn)彎拉變形。

3.4 水穩(wěn)定性

分別采用常規(guī)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)不同環(huán)氧樹脂含量的反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表8。

表8 不同環(huán)氧樹脂摻量下反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果 %

由表8可知：隨著環(huán)氧樹脂用量的增加，反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)上升。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂本身耐水性較強(qiáng)，固化后在瀝青內(nèi)部生成碳氧化學(xué)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(fēng)險(xiǎn)，避免了因空氣中水分子引起混合料松散的問題。反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的提高較依賴于環(huán)氧樹脂用量。

3.5 色彩耐久性

彩色瀝青因其獨(dú)特的色彩多變性被應(yīng)用于城市空間設(shè)計(jì)中，色彩耐久性對(duì)其功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。目前，對(duì)于彩色瀝青的色彩耐久性表征并沒有系統(tǒng)的規(guī)范和試驗(yàn)體系，多數(shù)以研究路面性能為主。針對(duì)所采用的紅、黃、綠3種色型彩色環(huán)氧冷拌瀝青，通過RTFOT和PAV試驗(yàn)對(duì)比瀝青經(jīng)過短期和長(zhǎng)期老化后的R、G、B值，用圖像處理軟件測(cè)試?yán)匣囼?yàn)前后圖像顏色參數(shù)的變化，評(píng)價(jià)反應(yīng)型彩色環(huán)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(shù)Q。原始色度指數(shù)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(shù)變化大，說明瀝青老化程度大、色彩耐久性不佳。Q按下式計(jì)算：

(4)

式中：Z為3種色彩的彩色環(huán)氧冷拌瀝青老化前后的R、G、B值。

老化試驗(yàn)前后瀝青R、G、B值的變化及按式(4)計(jì)算的色度指數(shù)見表10。

表10 RTFOT和PAV老化前后的R、G、B值對(duì)比

由表10可知：經(jīng)RTFOT和PAV試驗(yàn)后，3種顏色反應(yīng)型冷拌環(huán)氧彩色瀝青的色度指數(shù)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(zhǎng)期老化后色度指數(shù)分別下降1.6%和10%，黃色瀝青色澤下降主要集中在長(zhǎng)期老化過程中，需在路面使用期間減少光、熱等對(duì)黃色瀝青的影響。綠色瀝青短期老化、長(zhǎng)期老化后色度指數(shù)分別下降4.7%和1.6%，綠色瀝青短期老化比長(zhǎng)期老化更嚴(yán)重，應(yīng)注重其最初階段的施工及養(yǎng)護(hù)。綠色瀝青的色彩耐久性優(yōu)于紅色和黃色瀝青，黃色瀝青的色彩耐久性最差。

4 結(jié)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(duì)反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度的影響在可控范圍，可忽略。

(2) 環(huán)氧樹脂可顯著提升反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度、成型馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度，摻量10%時(shí)混合料初始馬歇爾穩(wěn)定度、成型馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度比不摻環(huán)氧樹脂時(shí)分別提升2.5、2.7、1.5倍，15%摻量環(huán)氧樹脂混合料的性能相對(duì)于10%摻量提升不大。說明環(huán)氧樹脂可使混合料的高溫性能得到較大提升，但過多環(huán)氧樹脂會(huì)降低性價(jià)比。

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

(4) 環(huán)氧樹脂的最佳摻量為10%，此時(shí)反應(yīng)型彩色環(huán)氧冷拌瀝青混合料具有較好的綜合路用性能，初始穩(wěn)定度(2 h)及成型穩(wěn)定度(12 h)分別為4.95、9.24 kN，動(dòng)穩(wěn)定度為4 223 次/mm，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別達(dá)到86.9%、80.6%，小梁試驗(yàn)中最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 439.52 με。

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