水性环氧树脂对乳化沥青混合料性能的影响研究

谢鹏达

（山西交通科学研究院集团有限公司，山西 太原 030006）

为了降低热拌沥青混合料拌和、摊铺时有害气体的排放，本文拟研究一种既可冷拌施工又可达到热拌沥青混合料的性能，同时还可用于新建、改建、加铺、修补等工程的一种材料[1]。国外研究认为[2]，水性环氧树脂（WER）可以明显提升混合料的高温、常温力学强度和水稳定性，同时采用水性环氧树脂可与沥青产生更好的相容。赵富强等人认为[3]，水性环氧树脂用于坑槽等作为冷补材料时，可对冷补材料的强度、水稳定性能、黏结性能改善显著，但对低温会产生不利的影响。因此，应根据需求选择合理的水性环氧树脂掺量。吕建伟[4]等人研究表明，WER对混合料高温性能提升明显，当WER掺量到6%时，提升效果变缓，但延度下降明显。本文旨在乳化沥青中添加WER，拌和得混合料在特定的成型方式下，以热拌沥青混合料评价方法为基础，对比研究WER改性乳化沥青混合料（Water based epoxy modified emulsified asphalt mixture，简称WEEA）的性能提升效果。

1 原材料

改性用普通沥青为A级SK90，SK90号沥青的性能满足规范[5]要求。乳化剂型号为EM-580，本文采用自制WER改性乳化沥青，油水比为65%∶35%，乳化剂掺量为乳化沥青质量的1.4%，WER改性剂掺量为普通乳化沥青质量的4%，固化剂采用水性环氧树脂用量10%的三乙烯四胺。采用先乳化后改性的措施生产改性乳化沥青。WER改性乳化沥青性能见表1。粗细集料、矿粉均采用石灰岩加工而成，集料、矿粉筛分结果见表2。合成级配见表3。

表1 WER改性乳化沥青性能指标

表2 集料、矿粉筛分结果

表3 合成级配

2 试验方案

2.1 确定最佳含水量、最佳油石比

混合料击实试验时，采用重型击实法。混合料闷料时，集料中添加预估用水量为1%～5%，间隔1%。将集料中添加不同用量的水，闷料24 h后，在拌和锅中拌和30 s，加入预估用量6.2%的水性环氧树脂改性乳化沥青，拌和30 s，最后加入矿粉，再拌和30 s，即为 WEEA。

确定乳化沥青最佳用量时，采用小型马歇尔击实法。试件采用双面常温击实50次后，110℃养生24 h，再双面击实25次，常温静置24 h，脱膜试验[7]。混合料性能评价指标为热拌沥青混合料指标。

2.2 混合料性能评价

WEEA性能采用高温性能、低温性能、水稳定性能、疲劳性能、经济性能与热拌沥青混合料比较。高温性能采用标准动稳定度试验，试件厚度采用30 cm×30 cm×5 cm厚车辙板试验，试件成型采用第1次轮碾16次，110℃烘箱中养生24 h，第2次轮碾8次，室温冷却24 h。低温性能试验采用标准小梁试件试验，小梁试件从车辙板上切取。水稳定性按照小型马歇尔击实方法成型，养生方式同2.1要求。疲劳试件采用剪切压实仪成型380 mm×63.5 mm×50 mm的小梁试件，养生方法为在110℃的烘箱中养生24 h，室内静置24 h。疲劳试验控制应变采用偏正弦加载模式，应变水平选用200×10-6，加载频率10 Hz，试验温度15℃[7]。

3 试验结果与分析

3.1 最佳含水量、最佳油石比结果分析

含水量及密度关系见图1。

图1 干密度与含水率关系

从图1可知，干密度随含水率的增加呈先增加后减小的变化。最佳含水率为5.36%，其中WER改性乳化沥青中水占混合集料的2.17%，去除此部分水后，最佳含水量为3.19%。

3.2 最佳沥青用量确定

采用小型马歇尔击实仪对不同沥青用量WER混合料试验，计算最佳沥青用量。测试结果见图2。

图2 混合料指标与乳化沥青用量关系

从图2可知，稳定度最大时对应的乳化沥青用量为5.9%；毛体积密度最大时对应的乳化沥青用量为6.1%；以混合料空隙率4.5%为基准，乳化沥青最佳用量为6.86%。OAC1计算得6.3%。以上指标均满足要求时，OAC2为6.6%。最终WEEA的最佳乳化沥青用量为6.4%。

3.3 高温性能结果分析

两种混合料的车辙试验结果见表4。

表4 车辙试验结果

表4可知，WEEA的抗车辙性能远大于规范技术要求及AC-13 SBS改性热拌混合料，其值是AC-13 SBS改性热拌混合料动稳定度值的2.5倍。主要原因为水性环氧树脂中环氧活性基团，在固化剂中活泼氢的激活下，环氧基团开链，与带活泼氢的官能团反应，同时在乳化沥青体系的阻滞下，形成强度高、范围广的三维网状结构，一方面加强了沥青混合料的抗变形能力，另一方面对沥青的变形起到约束限制作用，最终表现为混合料的抗剪切流动性变形能力增强。

3.4 水稳定性能结果分析

按照热拌沥青混合料水稳定性试验方法，对WEEA及热拌沥青混合料试验，试验结果见表5。

表5 水稳定性试验结果

从表5可知，两种混合料的抗水损坏性能均符合要求，且均处于一个较高水平。所以，WEEA的抗水损坏性能是可以接受的。

3.5 低温性能结果分析

低温弯曲试验结果见表6。

表6 低温弯曲试验结果

表6可知，偏硬的WEEA的低温弯曲性能尚没有AC-13 SBS改性热拌混合料性优，但性能与AC-13 SBS改性热拌沥青混合料较为接近。主要原因为低温情况下，本来刚性较大的环氧树脂已表现出较强的抗弯曲破坏能力。在微小应变时，WEEA将会发生近于脆性断裂。

3.6 疲劳性能结果分析

四点弯曲疲劳试验结果见表7。

表7 疲劳试验结果

从表7可知，AC-13 SBS改性热拌沥青混合料的疲劳性能远优于WEEA。从能量角度及疲劳次数来看，WEEA的疲劳性能只是热拌混合料的5%和11%。表明单独使用环氧树脂改性的乳化沥青混合料用于沥青路面的摊铺尚还不成熟，主要原因为WEEA的刚性、脆性在疲劳方面尚不占优势，相同的应变条件下，热拌沥青混合料的韧性表现更占优势，小变形情况下，混合料将会在较短的时间内恢复变形，而偏刚性材料的WEEA在相同的变形时，环氧树脂材料固化产成的刚性网状骨架逐渐脆断，形成明显的内部微观缺陷，该缺陷逐渐在疲劳作用次数的作用下，逐渐增加、合并、沿着银纹方向扩大，导致宏观方面表现为裂缝加长加宽，最终偏向脆断的方向断裂。

3.7 经济性能分析

本文比较了AC-13 SBS改性热拌沥青混合料、WEEA的经济性能，比较时只对生产材料的价格比较，忽略加工费。比较结果见表8。

表8 经济效益分析

表8可知，从沥青单价角度分析，乳化沥青类的WER改性乳化沥青略高于SBS改性乳化沥青，但远低于SBS改性沥青。从成品混合料单价分析，SBS改性沥青的价格是两种乳化沥青价格的2倍，WEEA的单价略高于SBS改性乳化沥青混合料。所以，WEEA与热拌沥青混合料在市场应用中具有很强的市场竞争力。

4 结论

a）确定WER改性乳化沥青混合料的最佳含水量为5.36%，去除WER改性乳化沥青中水后，最佳含水量为3.19%。最佳乳化沥青用量为6.4%。

b）高温方面，WEEA的抗车辙性能是AC-13 SBS改性热拌沥青混合料的2.5倍。水稳定性、低温性能方面，WER改性乳化沥青性能略低于AC-13 SBS改性热拌混合料，但均在合格、可接受范围内。疲劳性能方面，从能量角度及疲劳次数来看，WEEA的疲劳性能只是热拌混合料的5%和11%，远不及热拌沥青混合料。所以，水性环氧树脂对混合料的贡献主要表现为高温性能的提升，主要是其热固性环氧树脂对混合料刚性三维加筋、三维限位的作用，使混合料的高温性能得到大幅度的提高，而在低温、疲劳方面，其脆性严重影响了混合料的性能，尤其是抗疲劳性能。所以，进一步改进WEEA的性能势在必行，提高混合料的抗疲劳性能、低温性能、抗水损坏性能是下一步主要研究方向。

c）从性价比讲，WEEA的单价略高于SBS改性乳化沥青混合料，但远低于热拌沥青混合料。从市场应用来讲，WEEA的性能改进还有很大的空间。