不同水性环氧树脂掺量乳化沥青冷再生混合料耐久性试验研究

李亚菲

(四川天一学院 建筑工程系， 四川 成都 610500)



不同水性环氧树脂掺量乳化沥青冷再生混合料耐久性试验研究

李亚菲

(四川天一学院 建筑工程系， 四川 成都 610500)

为提高乳化沥青冷再生混合料的早期强度和耐久性，将水性环氧树脂掺入乳化沥青冷再生混合料中，进行了不同掺量下水性环氧树脂对乳化沥青冷再生混合料早期强度、抗压回弹模量、高低温性能、长期使用性能和抗疲劳耐久性的影响试验，进而确定了用于冷再生混合料的最佳水性环氧树脂掺量。研究结果表明：相比于普通乳化沥青冷再生混合料，水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料在水性环氧树脂掺量分别为1%、2%、3%时，其模拟现场的早期强度分别提高62%、87%、92%，水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料在养生3d后就能钻出完整芯样，掺加水性环氧树脂显著提高了乳化沥青冷再生混合料的早期强度；随着水性环氧树脂掺量增大，乳化沥青冷再生混合料高低温性能均显著提高，掺加水性环氧树脂可改善乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳耐久性，推荐最佳水性环氧树脂掺量为2.5%。工程实践表明，采用水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料显著改善了冷再生混合料的早期强度，连续3 a以来未见任何路面病害，验证了水性环氧树脂改性乳化沥青混合料用于高等级路面结构的可行性。

道路工程； 乳化沥青冷再生混合料； 水性环氧树脂； 早期强度； 路用性能； 耐久性

0 引言

近年来，沥青路面再生技术因具有显著的经济效益、社会效益和环境效益而在国内外得到了大规模的推广应用，尤其是乳化沥青冷再生技术已广泛应用于高速公路、国省干线公路结构性维修工程[1-3]。然而，随着乳化沥青冷再生混合料铺筑工程的增多和研究的不断深入，部分乳化沥青冷再生混合料并没有达到预期的使用效果，特别是在恶劣气候条件下，铺筑过程中和已经通车的路面也出现了一些问题： ①早期强度不足，具体表现在养生7 d后钻不出完整的芯样，延误上面层沥青混凝土铺筑，早期容易产生压密性车辙病害； ②易松散，尤其是受水影响后不能满足重载道路交通的需要； ③抗裂性能差，主要表现在低温抗裂性能和抗疲劳性能，难以承受极端低温天气。综合分析已有研究成果，乳化沥青冷再生混合料在国内已得到了大范围推广，但存在早期强度低，耐久性差等问题，对此不少学者建议通过调整乳化剂配方[4，5]，以改善乳化沥青与RAP的融合特性，生产高性能乳化沥青冷再生混合料一直是道路工作者研究的热点。水性环氧树脂(waterborne Epoxy，简称WE)是以环氧树脂微粒为分散相、以水为连续相的液相体系材料，可在常温条件及潮湿环境中固化，具有热稳定性好、强度高和粘结力强等技术优势。目前国内已经开展了大量关于水性环氧树脂改性沥青的制备工艺、固化机理、相关工程应用等方面的研究和报道。暴兴才研究了水性环氧树脂掺量对微表处混合料技术性能的影响，认为掺加水性环氧树脂可以显著改性微表处混合料的早期强度，提高水温耦合作用下的长期使用性能[4]。张庆等人研究了掺水性环氧树脂改性的乳化沥青混凝土技术性能，指出水性环氧树脂能够增强乳化沥青混合料的最终强度，显著改善乳化沥青混合料的水稳定性[5]。为提高乳化沥青冷再生混合料的早期强度和耐久性本文将水性环氧树脂用于乳化沥青冷再生混合料，为高性能乳化沥青冷再生混合料理论研究和工程应用提供借鉴和参考。

1 水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料配合比设计

1.1 主要原材料

试验采用的乳化沥青由SK90 A级道路石油沥青、盐酸调节剂、阿克苏R48-9阳离子慢裂慢凝乳化剂、自来水等由小型胶体磨加工而成，乳化指标见表1，经检测乳化沥青各项技术性能均满足现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)。水性环氧树脂采用固化剂乳化法由室内自制，其中环氧树脂与固化剂的掺配比例为80∶100。RAP来自河南某高速公路大中修现场，将RAP运回实验室自然风干后备用，根据RAP筛分试验结果，确定需要掺加10～25 mm碎石、0～5 mm机制砂以调整冷再生混合料级配。研究表明，掺加水泥可显著改善乳化沥青冷再生混合料的早期强度，提高乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能和水稳定性，水泥水化提供的碱性环境提高了沥青与集料之间的粘附性。采用实体工程中用的耀县水泥厂生产的PO32.5普通硅酸盐水泥，水泥各项指标均满足规范要求。

表1 乳化沥青技术指标检测结果Table1 Emulsifiedasphalttestingresult指标测值技术要求试验方法固含量/%63.1≥62T0651筛余(1.18mm筛孔)/%≤0.1≤0.1T0652恩格拉粘度(25℃)8.72～30T0621蒸发残留物针入度(25℃、100g、5s)/0.1mm183.4 50～300T0604延度(15℃、5cm/min)/cm>150≥40T0605软化点TR&B/℃50.7—T0606

1.2 配合比设计结果

根据新旧集料筛分试验结果，确定RAP：10～25 mm碎石：0～5 mm机制砂=80∶10∶10，乳化沥青冷再生混合料合成级配见表2。采用《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)“修正马歇尔法”进行配合比设计。试验试验选择2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%共5种乳化沥青用量，每个以重型击实试验确定乳化沥青冷再生混合料的最佳拌合用水量。采用“50+25”马歇尔击实方法成型试件，试件养生温度为60 ℃，以干、湿劈裂强度峰值对应的乳化沥青均值确定乳化沥青冷再生混合料的最佳乳化沥青用量。配合比设计结果如表3所示。

表2 中粒式乳化沥青冷再生混合料合成级配Table2 Syntheticgradingofemulsifiedcoldrecycledmixture级配通过下列筛孔尺寸(mm)的百分率/%26.5191613.2合成级配/%10094.591.486.5规范上限/%100100——规范下限/%10090——通过下列筛孔尺寸(mm)的百分率/%9.54.752.360.30.07577.953.842.114.76.780655021860352032

表3 乳化沥青冷再生混合料配合比设计结果Table3 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturepropor-tiondesignresults试验项目试验结果技术要求最佳乳化沥青用量3.9—重型击实试验结果4.2—空隙率/%12.39～14劈裂强度(15℃)0.560.4(基层、底基层)、0.5(下面层)86.2≥75马歇尔稳定度(40℃)7.45.0(基层、底基层)、6.0(下面层)冻融劈裂强度比/%81.3≥70

2 水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料强度特性

2.1 劈裂强度

目前《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)以含水率小于2%或能够钻出完整芯样来确定乳化沥青冷再生混合料加铺上面层沥青混凝土所需的养生时间。由于对乳化沥青冷再生混合料早期开放交通条件把握不准确导致沥青路面出现车辙等病害，究其原因主要是现行规范配合比设计中只注重了乳化沥青冷再生混合料的中长期强度，较少涉及混合料早期强度。实践证明，工程应用过程中出现问题最多的往往是混合料早期强度形成阶段。本文在最佳乳化沥青用量条件下以外掺的形式加入水性环氧树脂，掺量为乳化沥青质量的1%、2%、2.5%、3%、3.5%。成型标准马歇尔试件，一组4～6个，养生温度为25 ℃，相对湿度90%，测试养生期间水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料的干劈裂强度。为了方便对比，本文将成型的双层车辙板试件和马歇尔试件一同养生，比较不同养生期水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料钻芯完整性，试验结果见图1和图2。

图1 不同水性环氧树脂掺量下的马歇尔试件早期强度Figure 1 Early strength of Marshall specimen with different dosage of waterborne epoxy

图2 芯样完整性Figure 2 Core sample integrity

图1试验结果表明，随着养生时间增加，乳化沥青冷再生混合料劈裂强度呈二次函数关系增大。此外，相同养生时间内，水性环氧树脂掺量越大乳化沥青冷再生混合料劈裂强度越大，劈裂强度与水性环氧树脂掺量呈二次函数关系，乳化沥青冷再生混合料不仅早期强度大，养生7 d后的劈裂强度也明显大于普通乳化沥青冷再生混合料。从图2钻芯试验结果来看，掺加水性环氧树脂后乳化沥青冷再生混合料3 d钻芯完整率可达64%以上，不掺加水性环氧树脂，3 d钻芯完整率仅为34%，而水性环氧树脂掺量超过2.0%后，养生3 d后的钻芯完整率可达91%以上，可见掺加水性环氧树脂可显著提高冷再生混合料的早期强度，水性环氧树脂掺量越大，早期强度改善效果越明显，这对加快施工进度和减少冷再生层车辙、松散等早期病害有利。由图3可见，最终强度形成后，随着水性环氧树脂掺量增大乳化沥青冷再生混合料劈裂强度呈二次函数关系增大，拟合关系良好，相比普通乳化沥青冷再生混合料，掺加1.0%、1.5%、2%、2.5%、3.0%水性环氧树脂后劈裂强度分别提高了14.6%、20%、25.3%、30.7%、32%。

图3 劈裂强度试验结果Figure 3 Splitting strength test results

2.2 抗压回弹模量

抗压回弹模量是进行路面结构设计时选取材料设计参数的重要依据，是计算路面结构弯沉与层底弯拉应力(应变)的关键参数。静压法成型150 mm(直径)×150(高)圆柱体试件，室内放置24 h后脱模置于40 ℃鼓风烘箱养生3 d，试验温度为15 ℃。抗压回弹模量严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的进行，试验结果见表4及图4。

表4及图4试验结果表明：随着水性环氧树脂掺量增大，乳化沥青冷再生混合料抗压回弹模量和无侧限抗压强度均呈二次函数关系增大，拟合关系良好。相比于基准乳化沥青冷再生混合料，掺加1.0%、1.5%、2%、2.5%、3.0%水性环氧树脂后抗压回弹模量分别提高了14.1%、16.2%、33.2%、37.8%、48.9%，无侧限抗压强度分别提高了12.0%、13.2%、19.5%、19.8%、23.3%。

表4 水性环氧树脂改性乳化沥青混合料抗压回弹模量试验结果Table4 Waterborneepoxyresinmodifiedemulsifiedas-phaltmixturecompressivemodulusofresiliencetestresults水性环氧树脂掺量/%抗压强度/MPa抗压回弹模量均值E'/MPa标准差S/MPa变异系数/%代表值E/MPa02.6729044968471.02.99210325759661.53.02010626789842.03.193117843611282.53.202125172711673.03.29313366451262 注:保证率取95%

图4 抗压回弹模量试验结果Figure 4 Compressive modulus of resilience test results

3 水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料路用性能

按照现行沥青路面施工规范要求，采用车辙试验、低温弯曲试验评价乳化沥青冷再生混合料的高低温性能，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价乳化沥青冷再生混合料的水稳定性，试验方法按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行，试验结果见表5～表7。

表5～表7路用性能试验结果表明：掺加水性环氧树脂的乳化沥青冷再生混合料其各项路用性能均优于普通乳化沥青冷再生混合料。随着水性环氧树脂掺量增大，水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料的车辙试验动稳定度提高，加载60 min时的车辙变形量减小，比较不同水性环氧树脂掺量下的车辙试验结果，可见水性环氧树脂显著改善了乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性。此外，0%～2.5%水性环氧树脂掺量范围内，随着水性环氧树脂掺量增大，车辙试验动稳定度显著增大，水性环氧树脂掺量由2.5%增加到3.0%，车辙试验动稳定度虽呈增大趋势，但增加趋势不明显。低温弯曲试验结果表明，增大水性环氧树脂掺量可改善乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性能，相比普通乳化沥青，掺加1.0%、1.5%、3.0%、2.5%、3.0%水性环氧树脂可使-10 ℃弯曲应变增大15.3%、29.2%、35.5%、40%、42%。水稳定性试验结果表明，掺加水性环氧树脂后乳化沥青冷再生混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均大于90%，远大于规范75%的技术要求，可见水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料具有优良的水稳定性，此外掺加水性环氧树脂后的乳化沥青冷再生混合料水稳定性均优普通乳化沥青冷再生混合料。

表5 车辙试验结果Table5 Ruttingtestresults水性环氧树脂掺量/%车辙试验动稳定度DS/(次·mm-1)60min车辙变形量/mm042451.912146121.8431.554561.7942.062861.6662.567791.6313.068231.612

表6 低温弯曲试验结果Table6 Lowtemperaturebendingtestresults水性环氧树脂掺量/%抗弯拉强度/MPa弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa04.541769.122566.2515.212041.642551.871.55.942285.762598.702.06.822396.632845.662.56.912478.242788.273.07.032513.762796.61

表7 水稳定性试验结果Table7 Waterstabilitytestresults水性环氧树脂掺量/%浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%06.35.3084.10.750.6181.31.07.66.8890.50.860.7789.61.58.17.6294.10.90.8493.82.08.37.8894.90.940.8995.22.58.68.1494.60.980.9192.8

4 水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料耐久性

4.1 加速加载试验

本文采用南非生产的APT小型加速加载设备评价水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料的长期使用性能。试件制备：成型不同水性环氧树脂掺量的乳化沥青冷再生混合料大马歇尔试件，40 ℃养生3 d后按照加速加载试模尺寸切割标准试件。试验条件： ①试验温度：60 ℃； ②加载速率6 000次/h，相当于实际车辆行驶速度7.2 km/h； ③参考我国BZZ-100标准荷载，试验轮荷载采用0.7 MPa。APT加速加载试验设备可测试并记录不同加载次数时乳化沥青冷再生混合料试件的车辙深度，不同水性环氧树脂掺量乳化沥青冷再生混合料车辙深度随轴载次数的变化规律见图5。

图5 APT加速加载试验结果Figure 5 APT accelerated loading test results

图5 ATP加速加载试验结果表明，乳化沥青冷再生混合料试件在加速加载试验过程中车辙形成过程可以明显的分为3个阶段，即：初始压密阶段、沥青混合料的侧向流动(蠕变稳定阶段)、矿质集料的重新排列以及矿质骨架的破坏(破坏阶段)。这与已有实测数据和国内外研究成果相吻合，可见加速加载试验可在短期内快速准确评价冷再生混合料长期使用性能；以蠕变稳定阶段车辙变形率评价冷再生混合料的抵抗流动变形能力，随着水性环氧树脂掺量增大，乳化沥青冷再生混合料试件的蠕变稳定阶段的车辙变化率速率减小，表明掺加水性环氧树脂可改善冷再生混合料的抵抗永久变形能力，这与车辙试验结果相吻合；以加载过程蠕变稳定阶段和剪切破坏阶段过渡点处的加载次数作为疲劳寿命，掺加0%、1.0%、2%、2.5%、3.0%水性环氧树脂情况下乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命依次是108万、125万、132万、135万、138万次，可见掺加水性环氧树脂可改善乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳耐久性。

4.2 疲劳试验

通常采用间接拉伸疲劳试验研究冷再生混合料的抗疲劳性能，以疲劳曲线来表征材料的疲劳特性，加载方式以控制应力加载为主，室内试验发现控制应变间接拉伸这种加载方式的疲劳寿命往往不超过几万次，数据离散性大，且与路面结构实际受力状况相差较大。研究表明，在应变控制疲劳试验过程中，冷再生混合料的受力状态更接近沥青路面拉压结合的实际情况，而沥青路面层底拉应变指标也是确定路面结构厚度的重要控制指标之一。本文采用四分点控制应变疲劳试验研究水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的抗疲劳耐久性。试件尺寸为400 mm×400 mm×80 mm，试验温度为15 ℃，应变水平为100、200、300、400 με，疲劳试验在美国进口MTS液压疲劳机上进行，试验结果见表8。

表8 疲劳试验结果Table8 Fatiguetestresults水性环氧树脂掺量/%应变水平/με200300400500拟合方程相关系数R2078623401267669368240144146y=4.66×1016×(1/x)4.3010.9871.081122941412819402429158699y=4.71×1016×(1/x)4.2770.9972.085166311635194428537175574y=4.84×1016×(1/x)4.2610.9892.582595231527587416434168365y=4.99×1016×(1/x)4.2530.9943.076731051184184353604131598y=5.60×1016×(1/x)4.2490.999

表8疲劳试验结果表明：各应变水平下，随着水性环氧树脂掺量增大乳化沥青冷再生混合料疲劳试验拟合参数斜率减小，疲劳试验曲线线位提高，可见水性环氧树脂改善了乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能，同时降低了冷再生混合料疲劳寿命对应变水平变化的敏感性。

5 工程应用

根据本文研究成果，2012年6月在铜黄高速宜君段路面大中修工程中使用了2.5%水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料。铣刨13 cm原有沥青路面，加铺4 cm SMA-13沥青混凝土，大中修后的路面结构为4 cm SMA-13+12 cm中粒式厂拌乳化沥青冷再生混合料，水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料铺筑面积达990 320 m2，摊铺完成3 d后即可钻出完整的芯样，近两年的跟踪监测结果显示，目前没有明显的车辙和开裂病害，路面使用状况良好。可见采用水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料显著改善了冷再生混合料的早期强度，延长了道路的使用寿命，经济、社会、环保效益显著。

6 结论

① 相同养生时间内，水性环氧树脂掺量越大乳化沥青冷再生混合料劈裂强度越大，劈裂强度与水性环氧树脂掺量呈二次函数关系，乳化沥青冷再生混合料不仅早期强度大，养生7 d后的劈裂强度也明显大于普通乳化沥青冷再生混合料，掺加水性环氧树脂可显著提高冷再生混合料的早期强度，水性环氧树脂掺量越大，早期强度改善效果越明显。

② 掺加1.0%、1.5%、2%、2.5%、3.0%水性环氧树脂后抗压回弹模量分别提高了14.1%、16.2%、33.2%、37.8%、48.9%，无侧限抗压强度分别提高了12.0%、13.2%、19.5%、19.8%、23.3%。随着水性环氧树脂掺量增大，乳化沥青冷再生混合料高低温性能均显著提高，水性环氧树脂改善了乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳性能，同时降低了冷再生混合料疲劳寿命对应变水平变化的敏感性，掺加水性环氧树脂可改善乳化沥青冷再生混合料的抗疲劳耐久性，推荐最佳水性环氧树脂掺量为2.5%

③ 工程实践表明，采用水性环氧树脂改性乳化沥青冷再生混合料显著改善了冷再生混合料的早期强度，延长了道路的使用寿命，经济、社会、环保效益显著。

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Study on Durability of Emulsion Asphalt Cold Recycled Mixture with Different Dosage of Waterborne Epoxy Resin

LI Yafei

(Department of Architecture Engineering， Sichuan Tianyi College， Chengdu， Sichuan 610500， China)

To improve the early strength and durability of emulsified asphalt cold recycled mixture，the waterborne epoxy resin mixed with emulsified asphalt cold recycled mixture，the waterborne epoxy resin under different dosage of emulsified asphalt cold recycled mixture，early strength，compressive modulus of resilience，high and low temperature performance，the influence of the long-term use of performance and durability of fatigue test，and then used for cold recycled mixture were determined the best water-based epoxy resin content.The results show that compared with the common emulsified asphalt cold recycled mixture，waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt cold recycled mixture in waterborne epoxy resin content of 1%，2% and 3% respectively，the simulation of the scene early strength increased by 62%，87% and 92% respectively，waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt cold recycled mixture in keeping in good health after the 3 d can drill core samples from complete，adding waterborne epoxy resin significantly improves the early strength of emulsified asphalt cold recycled mixture；With increasing dosage of waterborne epoxy resin，the emulsified asphalt cold recycled mixture of high performance at low temperature were significantly improved，adding waterborne epoxy resin can improve the fatigue durability of emulsified asphalt cold recycled mixture，recommend the best dosage of waterborne epoxy resin is 2.5%.Engineering practices show that the water-based epoxy resin modified emulsified asphalt cold recycled mixture is significantly improved the early strength of cold recycled mixture，continuous 3 years without any pavement disease，verified the waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt mixture used in high-grade pavement structure is feasible.

road engineering； emulsified asphalt cold recycled mixture； waterborne epoxy resin； early strength； road performance； durability

2016 — 06 — 14

国家自然科学基金项目(51378561)；江苏省交通科技项目(2013Y29)

李亚菲(1982 — )，女，重庆人，硕士，讲师，主要从事工程管理教学与研究工作。

U 416.26

A

1674 — 0610(2016)05 — 0082 — 06