环氧乳化沥青混合料性能试验研究

2015-05-28吴超凡

湖南交通科技 2015年3期

李泉，吴超凡，2

(1.中南林业科技大学，湖南长沙 410004; 2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 前言

国外在上世纪60年代就开始研究环氧树脂改性石油沥青，1967年环氧树脂沥青混合料首次成功应用于美国San Mateo.Hayward 大桥正交异性刚桥面的铺装层［1］。目前，环氧沥青的应用和研究不断深入，是钢桥面铺装、路面磨耗层和超、重载交通道路的理想筑路材料，而关于环氧乳化沥青的研究尚处于起步阶段，相应的试验方法和设计指标都不成熟［2］。环氧乳化沥青不仅可用作沥青混合料的结合料，还可以用于微表处和稀浆封层的粘结材料以及应力吸收层、透层、粘层等［3］。何远航和曾德亮［3，4］等提出了环氧乳化沥青在公路养护中的应用;长安大学惠丹丹和赵亚萍［5，6］等提出了环氧乳化沥青的改性机理和配合比的设计方法。本文采用45°斜剪试验与拉拔试验确定具有最强粘结强度时乳化沥青中环氧的掺量［7－10］，并以此环氧掺量的环氧乳化沥青与原样乳化沥青通过室内试验测试与评价其冷拌沥青混合料路用性能。

1 试验用材料

1.1 乳化沥青

试验研究采用的结合料是由慢裂拌和型阳离子乳化沥青和自主研制的环氧复合而成的乳化环氧沥青，乳化沥青技术指标测定结果如表1所示，符合JTG F40－2004《公路沥青路面施工技术规范》(以下简称 F40)［10］技术要求。

表1 乳化沥青技术指标测试结果

1.2 乳化环氧沥青

采用自主研发的优质环氧与乳化沥青经研磨复配而成的环氧乳化沥青。

1.3 集料

试验用集料为石灰岩碎石，分为0～2.36 m、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm 和 9.5～13.2 mm共4 档，试验结果见表2、表3，均满足 F40 规范要求。

1.4 混合料矿料级配与配合比设计

混合料矿料级配采用F40 规范中的AC－13 级配，级配合成曲线见图1所示，经混合料配合比试验，确定AC－13 冷拌环氧沥青混合料的油石比为4.5%。

表2 粗集料的技术指标

表3 细集料的技术指标

图1 沥青混合料级配曲线

2 乳化环氧沥青粘结性能试验

沥青与集料及界面的粘结性能表征了沥青与集料及界面相互匹配的优劣，能直接表明沥青的性能，研究这种性能试验的方法很多，其中剪切与拉拔试验是最有效的方法之一。为了更好的模拟路面实际情况，首先在试验室用300 mm ×300 mm ×50 mm试模成型 300 mm ×300 mm ×50 mm 的车辙试件，脱模后再装入300 mm×300 mm ×100 mm 试模内，然后分别在不同的试件上涂刷掺配了0%(原样乳化沥青)、15%、20%、25%、30%、35%环氧的乳化环氧沥青，涂刷量均为0.4 kg/m2，待乳化沥青破乳干燥后，再在上面成型第2 层50 mm 的车辙试件，最后把脱模后的300 mm×300 mm×100 mm 试件切割成100 mm×100 mm×100 mm 的试件，用来做剪切与拉拔试验，以此来确定环氧沥青的最佳用量。

2.1 剪切试验

剪切试验采用斜剪法，为此自研了45°的斜剪夹具，见图2。试验时先将100 mm ×100 mm ×100 mm 试件与斜剪夹具一起放入50 ℃ ±1 ℃烘箱内恒温4 h，然后将夹具装入带恒温试验箱的材料试验机上，逐一取出试件进行斜剪试验，试验时的加载速度为10 mm/min，通过试验测得的荷载－变形曲线，利用公式(1)计算乳化环氧沥青的层间粘结抗剪强度:

式中:P剪为剪切强度，MPa;F 为最大压力，N ;A 为粘结面积，mm2。

剪切试验结果见图3。

图2 剪切试验

2.2 拉拔试验

拉拔试验(图4)采用直接拉伸法:把切割好的100 mm×100 mm ×100 mm 试件上下底面打磨干净、平整，用高强环氧树脂将拉拔夹具模板粘在试件的上下底面，在室内常温下静置24 h，待树脂胶固结后将试件放在50 ℃ ±1 ℃的烘箱中恒温4 h，然后进行拉拔试验。拉力垂直作用于试件，拉伸速度为10 mm/min，如图4所示，记录拉伸试验曲线，利用公式(2)计算乳化环氧沥青的层间直接拉伸强度:

式中:σ 为粘结强度，MPa;F 为破坏荷载，N;A 为试件粘结面积，mm2

拉抻试验结果见图5。

图4 拉拔试验

图5 拉拔强度

2.3 试验结果与分析

由图3、图5可得剪切强度和拉拔强度随着环氧沥青掺量的增加先上升然后下降，当环氧掺量为20.9%时，其剪切强度得到最大值为1.01 MPa，当环氧掺量为20.8%时，其拉拔强度得到最大值为0.075 MPa。为了更好地分析拉拔强度和剪切强度之间的内在关系，对拉拔强度和剪切强度进行回归分析得出剪切强度和拉拔强度的关系曲线，见图6所示，由图可知:剪切强度与拉拔强度具有良好的线性相关性。结合剪切强度与拉拔强度，环氧掺量为21%时乳化环氧沥青的粘结强度最大，以此为最佳用量。

图6 剪切强度与拉拔强度的关系

3 冷拌沥青混合料使用性能试验

试验采用本文1.4 节中的配合比、4.5%的油石比和1%的水泥，含水量以乳化沥青和集料含水总量为准，以掺0%和21%环氧的环氧乳化沥青作为胶结料进行冷拌沥青混合料使用性能的检验与比较。参照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41－2008)［11］中的厂拌冷再生试验方法成型和养护马歇尔试件，采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20－2011)［12］中的方法成型车辙试件，养护后进行劈裂试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和低温弯曲试验。

3.1 测试方法

按照规范规定方法进行劈裂强度和低温弯曲试验测试冷拌乳化沥青混合料的力学性能与低温抗裂性能。对于高温稳定性测试，车辙试件成型后先在60 ℃恒温箱中养护42 h，试验前再将试件放在60℃恒温箱中6 h，完成后进行60 ℃车辙试验。对于水稳定性测试，采用标准浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验综合比较两种冷拌沥青混合料的水稳定性，试验结果均列于表4中。

表4 各沥青混合料使用性能测试结果

3.2 试验结果与分析

由表4的试验结果可直观比较得出环氧乳化沥青冷拌沥青混合料的强度得到了很大的提高，拥有了更好的劈裂强度、弯拉强度、动稳定度、抗变形能力、水稳定性和破坏应变，使其力学性能和路用性能得到提高。通过对环氧乳化沥青的原理分析，在固化剂作用下，分子量较大的高分子化合物环氧树脂分子可以冲破沥青分子的阻碍，于薄膜之中均匀分布，相互交联形成网络结构，抵抗外力破坏的能力得到提高［6］。由试验结果也可得出环氧乳化沥青冷拌沥青混合料破坏劲度模量和冻融劈裂的残留强度比有所降低，可知环氧乳化沥青混合料随着强度与高温稳定性的提高，其低温性能略有下降。