水性環氧樹脂改性乳化瀝青及其混合料性能試驗研究

李鴻強 楊登峰

（新疆興亞工程建設有限公司，昌吉 831100）

由于熱拌瀝青混合料在拌和時需要消耗大量燃料來加熱瀝青和集料，不但消耗大量能源，而且會釋放出有害人體健康的廢氣。 冷拌乳化瀝青混合料在混合料拌和時雖然相對熱拌混合料具有一定的優越性，可常溫施工、節約能源、施工便利、環境友好、無毒副作用[1]；但乳化瀝青混合料鋪筑路面后結構內仍然含有大量的殘留水分，不僅早期強度比較低，溫度穩定性差，孔隙率比較大，而且開放交通的時間也比較滯后，使用性能也并不是很理想[2-3]。因此，針對乳化瀝青混合料強度低、性能差的特點，開展改性乳化瀝青的研究對改善乳化瀝青及混合料性能具有重要的意義。

國內對于改性乳化瀝青的研究比較多，由于水性環氧樹脂具有力學強度高、耐久性好、性能穩定的特點，因此很多研究將水性環氧樹脂用作改性劑加入乳化瀝青中，也取得了很好的效果。 何遠航等[4]研究得出了水性環氧樹脂加入乳化瀝青后能明顯增強乳化瀝青的溫度穩定性；王孝賢等[5]通過試驗評價了環氧樹脂對于瀝青粘度和抗剪性能的影響；張慶等[6]通過試驗發現水性環氧樹脂改善了乳化瀝青與集料的粘結強度，并研究了水性環氧樹脂摻量對于改性乳化瀝青動力粘度及表面自由能的關系；谷雨等[7]通過微觀手段闡釋了水性環氧樹脂與乳化瀝青的相互作用關系；Zhang 等[8]指出環氧樹脂對于瀝青的高溫抗剪能力具有很好的效果。 可以看出，學者對于水性環氧樹脂改性乳化瀝青的研究比較多，但對于水性環氧樹脂改性乳化瀝青的流變性能及混合料的路用性能的研究還不是很完善和深入。本文將進一步探索水性環氧樹脂用量對于改性乳化瀝青高低溫流變性能及其混合料路用性能的影響，以期通過試驗研究能夠推動水性環氧樹脂改性乳化瀝青的進一步應用。

1 原材料性能

（1）乳化瀝青

試驗采用70 號A 級基質瀝青經乳化生產制備的東海牌陽離子乳化瀝青， 其技術性能如表1所示。

表1 陽離子乳化瀝青技術性能

（2）水性環氧樹脂及固化劑

采用天津某材料科技有限公司提供的HY-R型自乳化水性環氧樹脂和固化劑， 水性環氧樹脂固含量不低于50%， 外觀呈白色粘稠液體，PH 值在6～8， 環氧當量為380～400。 固化劑固含量為48%～52%，外觀呈淡黃色液體，PH 值在7～9，固化劑用量采用廠家推薦劑量10%（占水性環氧樹脂質量百分數）。

（3）集料

粗集料采用石灰巖碎石，細集料采用石灰巖機制砂，填料采用石灰巖礦粉，通過對粗、細集料和礦粉進行物理力學性能測試，各項指標都滿足規范要求，如表2 所示。

表2 各集料物理指標測試結果

2 水性環氧樹脂改性乳化瀝青性能

2.1 改性乳化瀝青蒸發殘留物制備

水性環氧樹脂改性乳化瀝青的制備工藝較為簡單，主要流程如下：首先將不同摻量（5%、10%、15%、20%） 水性環氧樹脂加入成品陽離子乳化瀝青中，加入過程中不斷用玻璃棒緩慢攪拌，加入完畢后采用高速剪切機以500 r/min 的速率低速剪切10 min，然后加入固化劑并用玻璃棒攪拌均勻，即可得到含有不同摻量水性環氧樹脂的改性乳化瀝青。

由于乳化瀝青性能的好壞最終取決于乳化瀝青經破乳后的殘留瀝青，為了檢驗水性環氧改性乳化瀝青最終的性能好壞，需要對其進行蒸發殘留物試驗。 主要流程為：將稱量好的改性乳化瀝青放于電爐上進行緩慢加熱，在加熱過程中使用玻璃棒不斷地攪拌，并控制好加熱溫度，防止溫度過高導致乳化瀝青溢濺和瀝青老化，使乳化瀝青中的水分逐漸蒸發掉， 直到瀝青液體表面不再出現泡沫為止，最后將蒸發后的殘留物置于135℃烘箱中靜置1 h，即可得到改性乳化瀝青的殘留物。

2.2 改性乳化瀝青性能

為了檢測改性乳化瀝青的性能，本文采用動態剪切流變試驗（DSR）和彎曲蠕變勁度試驗（BBR）對不同摻量（5%、10%、15%、20%）水性環氧樹脂的改性乳化瀝青殘留物進行流變性能試驗，并以基質瀝青和乳化瀝青作為對照組，評價改性乳化瀝青殘留物的高低溫流變性能。 試驗結果如表3～4 所示。

表3 改性乳化瀝青殘留物的車轍因子

表4 改性乳化瀝青殘留物BBR 試驗結果

從表3 可知，隨著溫度的升高，6 種瀝青混合料的車轍因子都明顯逐漸減小，這是由于瀝青的感溫性所致，瀝青在由粘彈狀態向粘性狀態轉變。 溫度相同時，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青殘留物的車轍因子逐漸增大，乳化瀝青摻水性環氧樹脂后的車轍因子明顯高于基質瀝青和普通乳化瀝青，說明水性環氧樹脂可增強瀝青的高溫性能。

從表4 可以看出，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青的蠕變勁度逐漸增加，蠕變斜率不斷減小。依據美國SHRP 規范中的PG 分級要求：瀝青的蠕變勁度S≤300 MPa、蠕變斜率m≥0.3，本文中基質瀝青和普通乳化瀝青為PG-12℃， 摻5%水性環氧和10%水性環氧的改性乳化瀝青為PG-18℃，然而摻15%水性環氧和20%水性環氧的改性乳化瀝青為PG-12℃。

結合水性環氧樹脂改性乳化瀝青高溫和低溫流變性能效果，本文推薦采用10%摻量的水性環氧樹脂用于后文改性乳化瀝青混合料的性能研究。

3 混合料路用性能

3.1 混合料配合比設計

試驗采用AC-13C 型礦料級配，其合成級配設計見表5。

表5 AC-13C 型礦料級配表

采用交通運輸部陽離子乳化瀝青課題協作組用于確定乳液用量的經驗公式， 初算乳液用量為8.6%，以0.5%間隔左右各取2 組，即7.6%、8.1%、8.6%、9.1%、9.6%。 室內成型馬歇爾試件，試件成型方式為： 雙面各擊實50 次， 置于60℃烘箱中養生24 h，然后取出再次雙面擊實25 次，常溫靜置12 h后進行脫模， 脫模后常溫下養生48 h 后即可進行馬歇爾試驗。 由馬歇爾試驗得到的各項性能指標參數確定了水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的最佳乳液用量為9.0%。

3.2 高溫性能

在夏季高溫季節，瀝青路面會因溫度過高導致瀝青軟化，加之車輛荷載的反復作用，最終會形成永久變形產生車轍等病害。 為保證路面在高溫季節的正常使用性能，路面材料要具有更好的抗高溫永久變形能力。 評價瀝青混合料高溫穩定性的試驗方法較多，本文采用國內推薦的普通車轍試驗用于評價水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的高溫穩定性，試驗溫度為60℃，試驗結果如表6 所示。

表6 改性乳化瀝青混合料車轍試驗結果

從表6 可以看出，3 種瀝青混合料的動穩定度從小到大為：普通乳化瀝青＜基質瀝青＜改性乳化瀝青，說明水性環氧樹脂明顯提高了乳化瀝青的高溫穩定性。 這是由于水性環氧樹脂是一種熱固性材料， 會與瀝青結合在一起形成空間的網絡交聯結構，使瀝青粘度增加，從而提高瀝青的高溫抗車轍能力。

3.3 低溫性能

瀝青路面作為一種溫度敏感性材料，其力學性能也會受到外界環境的作用而發生變化，在寒冷季節溫度驟降時由于路面結構內部與外界空氣溫差較大，瀝青路面結構內部應力來不及松弛最終會導致路面產生溫度收縮裂縫。 如果裂縫不能及時處理，后期雨季來臨時雨水會沿著裂縫進入路面結構內部， 在車輛荷載的重復影響下會產生動水壓力，集料經過動水壓力的不斷沖刷后表面的瀝青逐漸剝離掉，最終會導致路面結構性破壞。 因此，在瀝青路面鋪筑前有必要對采用的瀝青路面材料進行低溫性能評價。 本文采用低溫小梁彎曲試驗對水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的低溫抗裂性進行評價，試驗溫度選取-10℃，試驗結果如表7 所示。

表7 改性乳化瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

從表7 可知，與普通基質瀝青相對比，水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的彎拉應變提高了48.3%，勁度模量降低了205.5%，說明摻水性環氧樹脂后乳化瀝青混合料的低溫性能明顯優于基質瀝青。

3.4 水穩定性

本文采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的抗水損害性能進行評價，試驗結果見表8。

表8 改性乳化瀝青混合料水穩定性試驗結果

從表8 可知，無論是浸水馬歇爾試驗還是凍融劈裂試驗結果，都是基質瀝青的水穩定性最好，改性乳化瀝青次之，普通乳化瀝青最差，改性乳化瀝青混合料試驗結果基本接近于基質瀝青。 與普通乳化瀝青混合料相比， 水性環氧樹脂一定程度上也改善了乳化瀝青混合料的水穩定性， 只是改善程度不太顯著。

3.5 疲勞性能

本文采用應力控制模式下的四點彎曲疲勞試驗，以混合料的完全斷裂為破壞標準。選用MTS 萬能材料試驗機， 通過四點彎曲疲勞試驗方法對水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料試件進行疲勞性能研究。 試驗溫度15℃，應力比取0.4，試驗結果如表9 所示。

表9 改性乳化瀝青混合料疲勞試驗結果

從表9 可以發現，經過水性環氧樹脂改性后的乳化瀝青混合料的疲勞壽命次數是普通基質瀝青的4.2 倍， 說明水性環氧樹脂能夠顯著提高乳化瀝青混合料的耐久性能。

4 結論

通過對水性環氧樹脂改性乳化瀝青高溫、低溫流變性能及混合料各方面路用性能的研究，可以得出以下結論：

（1）溫度相同時，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青殘留物的車轍因子和蠕變勁度逐漸增大，蠕變斜率不斷減小。 水性環氧樹脂可增強瀝青的高溫和低溫性能，推薦水性環氧樹脂的適宜摻量為10%。

（2）3 種瀝青混合料的動穩定度從小到大為：普通乳化瀝青＜基質瀝青＜改性乳化瀝青，水性環氧樹脂明顯提高了乳化瀝青的高溫穩定性。

（3）與普通基質瀝青相對比，水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的彎拉應變提高了48.3%， 勁度模量降低了205.5%，水性環氧樹脂能夠大大增強乳化瀝青混合料的低溫性能。

（4）與普通乳化瀝青混合料相比，水性環氧樹脂對于改善乳化瀝青混合料的水穩定性不明顯。 但其疲勞壽命次數是普通基質瀝青的4.2 倍， 顯著提高了乳化瀝青混合料的耐久性能。