水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層設計與性能研究

摘 要：【目的】研究水性環(huán)氧瀝青混合料在瀝青混凝土路面表層的應用效果。【方法】以水性環(huán)氧瀝青作為膠結料，從原材料質量要求、級配、最佳油石比設計、拌和工藝，以及擊實、養(yǎng)生方式等方面進行設計，得出水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的最優(yōu)配合比和制備方法；按照JTG E20—2011規(guī)范對其混合料試件的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性等相關路用性能進行研究?！窘Y果】結果表明：當油石比為7.5%時，瀝青混合料表現(xiàn)出良好的抗車轍性能和抗水損害性能?！窘Y論】研究成果可水性環(huán)氧瀝青在路面表層的應用提供依據，但其抗低溫開裂性較差、韌性不足，若要應用于嚴寒地區(qū)仍需進一步改善。

關鍵詞：水性環(huán)氧瀝青；超薄磨耗層；配合比設計；路用性能

中圖分類號：TU535 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）21-0073-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.015

Design and Performance Study of OGFC Ultra-thin Wear Layer for Waterborne Epoxy Asphalt

DING Lin

（Zhejiang Baihong Construction Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310057， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the application effect of waterborne epoxy asphalt mixture on the surface of asphalt concrete pavement. [Methods] This article uses waterborne epoxy asphalt as teb202b6c521be465447bdb1fe5d66684he binder， and designs the optimal mix ratio and preparation method for waterborne epoxy asphalt OGFC ultra-thin wear layer mixture from the aspects of raw material quality requirements， gradation and optimal oil stone ratio design， mixing process， compaction and curing methods; meanwhile， according to JTG E20—2011， the high-temperature stability， water stability， and low-temperature crack resistance related road performance of the mixed material specimens were studied. [Findings] The test results show that when the oil stone ratio is 7.5%， the asphalt mixture exhibits good resistance to rutting and water damage. [Conclusions] The research results provide a basis for the application of waterborne epoxy asphalt in road surface layers， but since its low temperature cracking resistance and toughness are poor further improvement is needed for its application in cold regions.

Keywords： waterborne epoxy asphalt; ultra-thin wear layer; mix proportion design;pavement performance

0 引言

乳化瀝青混合料因其常溫可拌和性、施工便捷性和環(huán)保特性，廣泛應用于修補路面坑洼、稀漿封層和微表處理等領域。然而，與熱拌瀝青混合料相比，乳化瀝青混合料存在黏結性能差、強度形成速度緩慢、整體強度較弱等缺點，對其應用范圍產生了限制［1-2］，因此，需要對乳化瀝青進行改性，從而提高瀝青混合料的黏接強度、整體強度、高溫性質及抗變形能力。水性環(huán)氧樹脂與固化劑體系在常溫或潮濕環(huán)境下能有效固化，固化后的產物具有高交聯(lián)密度和優(yōu)秀的化學穩(wěn)定性，將其融入乳化瀝青不僅能提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性和耐高溫能力，還能讓混合料展現(xiàn)早期強度優(yōu)勢［3］。余定洋［4］對水性環(huán)氧改性乳化瀝青的流變性進行了研究，通過流變學原理解釋了水性環(huán)氧的改性作用，結果表明當水性環(huán)氧樹脂含量為15%時有助于混合料強度和高溫性能的進一步提升；Zhang［5］通過剪切強度測試和黏度測試，對瀝青黏接層的材料特性進行了評估。試驗數(shù)據顯示，通過引入丁苯膠乳和水性環(huán)氧樹脂能顯著優(yōu)化黏接層的高溫、低溫性能和抗剪切能力。李亞菲［6］采用加速加載與疲勞試驗方法，研究了水性環(huán)氧乳化瀝青冷再生混合料的道路應用性能。研究發(fā)現(xiàn)，加入2.5%的水性環(huán)氧樹脂后，混合料的早期強度、耐高低溫性能和耐久性顯著增強。

本研究通過對原料的品質標準、混合料的級配優(yōu)化與油石比例的最佳設定、拌和過程中的技術要點，以及混合料的擊實、養(yǎng)護方法等方面進行探究，確定了水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的最佳配比及其制備工藝。依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對該混合料在道路使用中的性能進行了研究，以期開發(fā)出一種既具有高強度、優(yōu)異的黏結性能和高溫穩(wěn)定性，又滿足環(huán)保要求的水性環(huán)氧瀝青混合料。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 水性環(huán)氧瀝青及固化劑。瀝青的選取對瀝青路面的性能和使用壽命至關重要。開級配排水式瀝青磨耗層（OGFC）具有較大的空隙結構，因此，采用的瀝青膠結料必須具有較好的黏結性。本研究選用水性環(huán)氧瀝青，其主要性能指標見表1。

1.1.2 粗集料。OGFC中，粗集料需具有堅固的質地、良好的耐磨性、相對清潔且不包含任何風化的優(yōu)質石料顆粒，如玄武巖等均可選用，其性能指標須滿足JTG F40—2004技術規(guī)范的要求，具體見表2。

1.1.3 細集料。細骨料應采用耐磨性好、硬度高的圓形或多棱形的天然砂或機制砂且粒徑分布在一定范圍內。其技術性能指標應符合JTG F40—2004技術規(guī)范的要求，具體見表3。

1.1.4 礦粉。本研究選用石灰?guī)r礦粉作為填料，用于填充瀝青混合料中的空隙，提高混合料的密實性，增加路面的穩(wěn)定性，其技術性能指標見表4。

1.2 試驗方法

1.2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗。將成型并養(yǎng)護好的馬歇爾試件置于DF-3數(shù)顯全自動馬歇爾穩(wěn)定度測定儀的上下壓頭中，設定加載速率為50 mm/min，啟動設備，使試件承受荷載，讀取穩(wěn)定度和流值。

1.2.2 肯特堡飛散試驗。將養(yǎng)護好的試件取出并稱量試件的初始重量，然后放入洛杉磯試驗機中，不加鋼球，蓋緊蓋子啟動試驗機，以30～33 r/min的速度轉300轉，打開蓋子稱取試件質量和碎石質量，計算出飛散損失。

1.2.3 車轍試驗。采用HYCX-1車轍試樣成型機制備出300 mm×300 mm×50 mm的混凝土車轍板，并通過瀝青混合料車轍試驗機進行車轍試驗。

1.2.4 浸水馬歇爾試驗。根據試驗要求將制備好的試件分為兩組，一組在60 ℃恒溫水箱中養(yǎng)護30 min，另外一組養(yǎng)護2 d，分別對兩組試件進行穩(wěn)定度試驗。

1.2.5 凍融劈裂試驗。按照JTG E20—2011規(guī)范要求，將試件分為兩組，一組不做處理，另一組進行真空保水試驗和水浴養(yǎng)護。利用凍融劈裂試驗儀分別測出兩組試件的劈裂抗拉強度，計算得出劈裂抗拉強度比。

1.2.6 低溫彎曲試驗。將成型好的車轍板切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁，在-10 ℃±0.5 ℃的試驗條件下，利用瀝青混合料低溫彎曲試驗機進行試驗。

2 配合比設計

排水瀝青路面磨耗層空隙率普遍較大，有助于將路表積水引至下面層，最終通過道路邊緣排出，同時也能起到降噪、抗滑的作用，但空隙過大會影響混凝土密實度，導致飛散損失。因此，需要通過降低級配的空隙率以保證薄層具有良好的抗飛散能力。綜合考慮瀝青路面的結構穩(wěn)定性與使用性，目標孔隙率設計為16%最適宜。

2.1 礦料級配確定

本研究以OGFC-10開級配作為設計研究對象，首先對礦料進行篩分，見表5。根據篩分結果和目標空隙率合成最終級配，結果見表6和圖1。

2.2 混合料拌和工藝及外加水的確定

經拌和試驗可以發(fā)現(xiàn)，僅靠水性環(huán)氧瀝青自身的水分對集料進行拌和遠遠不夠，需要通過外加水對集料進行預潤濕，從而提高拌和物的工作度，但水不宜多加，加水過多會密閉在混合料內部，影響成型試件的早期強度［7］。此外，礦粉的添加順序也會對和易性和馬歇爾試件成型效果產生影響。本研究選擇以下兩種拌和方式（先加礦粉、后加礦粉），對不同外加水量（礦料質量的1%、1.5%、2%）混合料拌和時狀態(tài)（如圖2所示）及成型馬歇爾試件穩(wěn)定度（60 ℃養(yǎng)生3 d）進行測試評價，試驗結果見表7。其中水性環(huán)氧瀝青添加量是根據《陽離子乳化瀝青》（SH/T 0624—1995）中推薦的添加量計算公式所得，初始摻量為7.0%［8］。

方式1：按照配比將事先稱量好的集料、礦粉和水預先拌和，再加入瀝青膠結料攪拌至均勻，成型馬歇爾試件（一次性雙面各擊實50次）。

方式2：首先將稱量好的集料和水加入攪拌機中與分散，其次加入瀝青膠結料進行攪拌，最后加入礦粉攪拌至均勻，成型馬歇爾試件（一次性雙面各擊實50次）。

從表7和圖2可以看出，外加水量能明顯改善混合料拌和時的和易性和流動性，使得混合料表面濕潤，延緩乳化瀝青的破乳且選用后加礦粉的拌和方式制備出的馬歇爾試件穩(wěn)定度更高。這是因為采用先加礦粉的拌和方式時瀝青膠結料最先與礦粉結合，出現(xiàn)結團現(xiàn)象，使得大粒徑集料瀝青膜較薄，集料間黏結力不足而導致試件整體結構不夠密實。此外，從馬歇爾穩(wěn)定度結果可以看出，外加水量也不是越多越好，當外加水量提高到2%時，穩(wěn)定度反而降低了，其原因可能是混凝土試件表面水分在經過養(yǎng)護后揮發(fā)了，但內部水難以揮發(fā)，從而影響了混合料初始強度。綜合以上試驗結果可知，選用后加礦粉，外加水量為1.5%時拌和效果最佳。

2.3 擊實與養(yǎng)生條件的確定

擊實次數(shù)和養(yǎng)生條件同樣會對馬歇爾試件性能產生影響。本研究采用馬歇爾試驗方法成型試件，并在已有研究成果的基礎上［9］，設計3種擊實與養(yǎng)生方法，具體如下：①雙面各擊實50次，放入60 ℃烘箱中養(yǎng)生7 d；②雙面各擊實75次，放入60 ℃烘箱中養(yǎng)生7 d；③先雙面各擊實50次，60 ℃ 烘箱養(yǎng)生3 d后，取出再雙面擊實25次，放入烘箱中60 ℃養(yǎng)生4 d。

選用同樣油石比7.0%且按照如上3種方法制備和養(yǎng)護試件，并測試其穩(wěn)定度，試驗結果見表8。

由表8可知，采用一次性雙面擊實75次，60 ℃烘箱養(yǎng)生7 d的方式制備出的馬歇爾試件穩(wěn)定度最高，達到18.17 kN，而采用分兩次擊實的馬歇爾試件穩(wěn)定度最低。其原因可能是，一次性雙面擊實75次使得馬歇爾試件整體結構更為密實，更有利于混合料強度的形成，而分兩次擊實可能會破壞水性環(huán)氧樹脂膠結料的三維網狀結構和混合料骨架結構，反而降低了混合料試件的最終強度。

2.4 最佳油石比確定

根據以上確定的級配組成、外加水量、最佳拌和工藝，以及最佳制備養(yǎng)護條件，采用修正馬歇爾擊實試驗確定水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的最佳油石比。以初始瀝青添加量7.0%為基礎，0.5%的用量間隔成型馬歇爾試件（礦料總質量的6.0%、6.5%、7.0%、7.5%）如圖3所示。分別對其各項性能進行測試，試驗結果見表9。

由表9可知，隨著水性環(huán)氧瀝青添加量的不斷提高，混合料馬歇爾穩(wěn)定度不斷提高，飛散損失量逐漸減少，這主要得益于水性環(huán)氧瀝青的引入增強了乳化瀝青混合料的黏結性。同時可以發(fā)現(xiàn)，當添加量提高到8.0%時，混合料穩(wěn)定度反而下降，分析其原因，一方面可能是當水性環(huán)氧乳化瀝青的摻量較少時，混合料內部膠凝材料和表面有所欠缺，進而影響了骨料之間的黏附性，降低了混合料的密實性，使得空隙率增大，最終導致混合料強度降低；另一方面，隨著添加量逐漸增大，混合料中的自由瀝青也增多，增加了瀝青的流動性，對混合料的成型效果產生了負面影響，造成了強度下降和流值增加的現(xiàn)象。此外，瀝青膠結料的增加無形中也會增加總加水量，多余的水分隱藏在混合料試件內部，同樣會影響混合料的強度。綜合以上，確定混合料最佳油石比為7.5%。

3 路用性能

根據上文確定的最佳制樣方法及最佳油石比，分別成型馬歇爾試件與車轍試驗板，并按照JTG E20—2011規(guī)范要求對其路用性能進行檢測并評價。

3.1 高溫穩(wěn)定性

OGFC超薄磨耗層作為路表結構層，與外界環(huán)境直接接觸。在夏季高溫天氣，路表溫度急速上升，瀝青混合料路面材料勁度模量和抗剪強度迅速降低，在重載車輛荷載作用下，如果面層混合料沒有良好的耐高溫性能，極易產生推移、車轍、擁包等路面病害現(xiàn)象。本研究采用瀝青混合料自動車轍儀進行車轍試驗（車轍試件為成型后60 ℃養(yǎng)生3 d），探究水性環(huán)氧瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，通過動穩(wěn)定度評價其在高溫環(huán)境下抵抗軸載塑性變形的能力，試驗結果見表10。

由表10可知，混合料的動穩(wěn)定度最高能達到8 658.282次/mm，是技術規(guī)范要求的2.47倍，說明水性環(huán)氧瀝青混合料具有較強的高溫抗車轍性能。分析其原因，水性環(huán)氧瀝青膠結料中摻入了水性環(huán)氧樹脂，含有環(huán)氧基團，與固化劑中的活性氫發(fā)生固化反應，形成立體網狀聚合物，將混合骨料包裹其中，增強了環(huán)氧瀝青的黏結性，促進骨料間的密實黏結，從而提升了混合料在高溫條件下的抗車轍能力。

3.2 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是評估瀝青路面抗水損害的關鍵指標。OGFC具有高空隙率，能夠確保路面排水效果，但也存在水損害隱患，對冷拌瀝青尤為嚴重。路面空隙中的水分，在汽車荷載作用下，會產生一定的動水壓力，對膠結料和礦料進行反復的沖刷，致使瀝青膠結料與礦料間的黏附力下降，倘若瀝青混合料長期在濕度較大、低溫凍融等環(huán)境條件下，路面結構的整體力學強度則會降低［10］。本研究按照JTG E20—2011規(guī)范要求，根據浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度兩項數(shù)據，對混合料水穩(wěn)定性進行評價，試驗結果見表11。

由表11可知，本研究的水性環(huán)氧瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均滿足技術要求，具有較好的抗水損害能力，這是由于水性環(huán)氧瀝青中的水性環(huán)氧樹脂的固化產物具有黏附力大、強度高的特點，加入混合料中可提高礦料之間的黏結力，進而提高混合料的強度和抗拉伸破壞性能。

3.3 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性考察了瀝青路面在車輛荷載作用下和瀝青混合料之間的容許拉應力與溫縮應力之間的關系。當容許拉應力低于溫縮應力時，混合料之間就會產生裂紋，從而導致路面的開裂，為進一步地減少和消除低溫裂縫，同時為超薄磨耗層在各地區(qū)的應用提供參考［11］，本研究按照JTG E20—2011對水性環(huán)氧瀝青混合料進行小梁彎曲試驗，試驗結果見表12。

由表12可知，水性環(huán)氧瀝青混合料的彎曲破壞應變低于規(guī)范中要求且低于普通熱拌瀝青混合料。這一方面是由于開級配瀝青混合料內部的空隙較多，密實性不足，導致其抗彎拉性能較差；另一方面是由于冷拌瀝青混合料不同于熱拌瀝青，其含水率較高，部分水分隱藏在試件內部，低溫條件下致使試件受凍損壞。另外，環(huán)氧樹脂在低溫條件下表現(xiàn)出樹脂的脆性，因此，水性環(huán)氧瀝青混合料在受彎拉時易發(fā)生脆性破裂，抗低溫性能較差。

4 結論

本研究利用水性環(huán)氧瀝作為膠結料，對OGFC超薄磨耗層混合料進行設計并對其路用性能進行探究，結論如下。

①拌和時需要通過外加水對集料進行預潤濕且礦粉必須在最后添加。經過拌和試驗和馬歇爾擊實試驗發(fā)現(xiàn)，當外加水量為1.5%時效果最佳。

②通過擊實試驗發(fā)現(xiàn)，選用一次性雙面各擊實75次后60 ℃養(yǎng)生7 d的制樣養(yǎng)護方法最佳，有利于混合料強度的形成。

③采用修正馬歇爾擊實試驗，并通過對不同油石比馬歇爾試件的穩(wěn)定度、流值析漏損失和飛散損失進行考察，發(fā)現(xiàn)當油石比為7.5%時，水性環(huán)氧瀝青OGFC超薄磨耗層混合料的性能最佳。

④通過對混合料路用性能進行測試可以發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性均滿足GB/T 38990—2020中技術要求，但其低溫抗裂性較差，若在嚴寒地區(qū)使用需進一步改善其低溫韌性。

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