反应型彩色环氧冷拌沥青混合料制备及性能研究*

喻杰， 李九苏， 姜舜君， 保安青， 许聪， 荆志伟

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

经济的快速发展和生活水平的提高，让人们对城市交通布局及景观的多样性、功能性提出了更高要求。彩色沥青的出现，让现代化城市的美观规划有了更多选择。与常见黑白色构造的水泥砼及沥青砼相比，色彩的多变性对于美化城市空间设计和提升道路行驶安全性意义重大。目前工程应用中以热拌彩色沥青混合料为主，其施工过程不仅需消耗燃油、温度要求高、CO2等温室气体排放量大，而且会产生危害人体安全的沥青烟等有害、有毒物质。

彩色沥青冷拌冷铺技术在中国发展较晚，创新程度不高，在性能方面存在水稳定性差、颜色耐久性差、初始稳定度不足等问题。提高冷拌彩色沥青早期强度、提升路用性能成为冷拌彩色沥青推广应用的重要手段。Autelitano Federico等提出了一种合理的方法对彩色沥青路面进行颜色表征，采用透明合成乳液制备的各种稀薄的冷色素高摩擦路面处理方法。Sun Zhilin等提出了一种性能优异液体沥青的最佳配制方案。Peng Xiaoguang等提出采用混合芳香油、石油树脂和SBS制备彩色沥青。李璐等将反应型树脂预聚体结合一定量降黏剂成功研制了一种高性能反应型常温沥青。高明等制备了一种彩色道路沥青，其路用性能良好，符合重型交通标准。周兴望对液体彩色沥青的常用混合料配合比进行了研究。环氧树脂可作为辅助溶剂降低沥青黏度并提高混合料强度，被广泛应用于道路铺装工程中。该文将环氧树脂与反应型冷拌沥青技术相结合制备反应型彩色环氧冷拌沥青，并分析其路用性能。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

采用自主研发的反应型冷拌沥青技术，以脱色沥青为基础材料，红、黄、绿3种无机色粉为染色剂，不饱和脂肪酸为稀释剂，复配环氧树脂及SBS改性剂，充分高速剪切后制备反应型彩色环氧冷拌沥青。通过大量试验，确定不饱和脂肪酸的最佳含量为25%、SBS最佳掺量为2%，沥青在常温条件下具有良好的流动性。通过YS-180固化剂与不饱和脂肪酸的“火山灰”反应使沥青迅速获得早期强度，再加入挥发性低的三亚乙基四胺(环氧树脂固化剂)，与环氧树脂反应后生成网状立体聚合物降低沥青黏度并进一步提升沥青的性能。反应型彩色环氧冷拌沥青的主要技术指标见表1。

表1 反应型彩色环氧冷拌沥青的主要技术指标

1.1.1 色粉

对于反应型彩色环氧冷拌沥青混合料，其颜色带来的功能性是常见热拌沥青混合料所不具备的。不同颜色的沥青应用在城市机动车道、非机动车道、隧道等公共场所也具有不同的功能，如红色在隧道口的警示作用、绿色在城市建设中的美化作用及划分区间作用等。

染色剂分为有机颜料和无机色粉，研究表明，冷拌沥青采用无机色粉的着色效果比有机颜料更好。冷拌沥青较常见的热拌沥青，色粉更易着色，这是因为颜料中的无机成分受施工时高温条件的影响会产生一定杂质变性，色泽变差。因此，在沥青制备的剪切过程中加入沥青用量3%的氧化铁红(Fe2O3H2O)、钛黄{(TiCrSb)O2}、氧化铬绿(Cr2O3)，使之充分分散均匀，使沥青良好着色。

1.1.2 环氧树脂

环氧树脂的固化反应机理：双酚二甘油醚的化学链断裂，生成苯基或甲基甘油醚；环氧树脂与三亚乙基四胺中的胺键反应，在这个过程中，活性氧(环氧)和活性氢(固化剂)之间的反应最终形成碳氧化学键连接的大分子。沥青中掺入一定量环氧树脂，可降低其黏度，固化后能在集料与沥青间产生一定的黏结力提升沥青混合料性能。因此，环氧树脂用量对反应型彩色环氧冷拌沥青混合料路用性能的作用不容忽视。选用昆山南亚生产的BPA型水性环氧树脂，其主要技术指标见表2。

表2 环氧树脂的主要技术指标

1.1.3 集料

反应型彩色环氧冷拌沥青混合料试验中，选用S95级玄武岩矿粉，粗、细集料均由碱性石灰岩破碎筛分得到，其各项物理性能均符合规范要求。

1.2 试验方法

制备反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的工序为将YS-180固化剂和集料在搅拌锅中拌合60 s至均匀→加入合适比例的反应型彩色环氧冷拌沥青和三亚乙基四胺拌合60 s→加入矿粉搅拌60 s，得到反应型彩色环氧冷拌沥青混合料。通过马歇尔稳定度试验评价反应型彩色环氧冷拌沥青混合料早期强度及成型马歇尔稳定度，车辙碾压试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验评价其高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性，色彩耐久性以RTFOT和PAV试验前后的R、G、B值来评价。

2 反应型彩色环氧冷拌材料组成设计

2.1 矿料配合比设计

混合料配合比设计步骤为公称最大粒径确定、结构类型及矿粉用量确定。空隙率是影响混合料耐久性的重要指标之一，其值越小则环境中氧气、水分等难以对混合料造成不利影响。考虑到彩色沥青的功能性及当前应用场所多为城市非机动车道的美化工程，采用细粒式密级配AC-13(见表3)，最大公称粒径为13.2 mm。

表3 AC-13的级配

2.2 矿粉掺量的确定

矿粉的加入能显著提高混合料的黏聚性，这是因为沥青会与矿粉相互吸附形成薄膜裹附在粗、细集料上，使混合料黏结更紧密。掺加一定量矿粉能提升混合料成型后的防水性和密实性，但过量的矿粉会造成混合料工作性降低，影响拌合施工。根据不同矿粉掺量混合料的马歇尔初始稳定度及工作性(见表4)确定矿粉用量。

表4 不同矿粉掺量下混合料初始马歇尔稳定度

从表4可以看出：矿粉含量从2%变化到8%时，沥青混合料的初始马歇尔稳定度先增大后减小。掺量为6%时，初始稳定度最大，沥青混合料的工作性能良好；掺量为2%～6%时，矿粉的增加使矿料表面积增加，更易形成结构沥青，集料与沥青的黏结力提高；含量超过6%时，过量的矿粉使沥青混合物的空隙率增加，可加工性变差。因此，确定矿粉含量为6%。

2.3 沥青最佳用量的确定

通过马歇尔试验确定反应型彩色冷拌沥青混合料的最佳沥青用量OAC。分别测定梯度为0.5%的不同沥青用量下AC-13沥青混合料试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、马歇尔稳定度和流值，根据空隙率和矿料间隙率计算饱和度。设马歇尔稳定度和毛体积密度最大值分别为a1、a2，空隙率和饱和度中值分别为a3、a4，由下式计算OAC1：

OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4

(1)

以符合技术标准的各项指标的沥青用量范围最小值OACmin与最大值OACmax的中值计算沥青最佳用量，由下式计算OAC2：

OAC2=(OACmin+OACmax)/2

(2)

根据OAC1和OAC2由下式确定最佳沥青用量OAC：

OAC=(OAC1+OAC2)/2

(3)

反应型环氧彩色冷拌沥青马歇尔试验结果见表5，最佳沥青用量为5.0%。

表5 反应型环氧彩色冷拌沥青马歇尔试验结果

3 反应型彩色环氧冷拌沥青路用性能评价

3.1 马歇尔稳定度

采用标准马歇尔方法分别成型0、5%、10%、15%环氧树脂掺量的混合料试件，置于60 ℃水浴恒温箱中30 min后进行初始马歇尔稳定度(2 h)及成型马歇尔稳定度(12 h)测定，评估反应型环氧彩色冷拌沥青混合料的马歇尔稳定度是否符合规范要求，测试结果见表6。

表6 不同环氧树脂掺量下反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的马歇尔稳定度

由表6可知：仅依靠YS-180与不饱和脂肪酸固化反应形成的早期强度远远无法满足施工规范要求。随着环氧树脂含量的增加，初始马歇尔稳定度和成型马歇尔稳定度迅速增长，环氧树脂含量超过10%后增长速率变缓。10%环氧树脂掺量的冷拌沥青混合料成型马歇尔稳定度超过施工规范规定值(8 kN)，初始马歇尔稳定度、成型马歇尔稳定度比不掺环氧树脂混合料分别提高2.5、2.7倍，说明环氧树脂能显著提升混合料强度。树脂掺量10%与15%时试件的初始马歇尔稳定度差异较小，原因是随着环氧树脂的增加，其与固化剂的反应时间增长，固化过程完成缓慢。

为分析色粉的加入对沥青混合料强度的影响，以10%环氧树脂掺量的反应型彩色环氧冷拌沥青，采用标准马歇尔方法成型未染色(即反应型脱色环氧冷拌沥青混合料)及掺入3%色粉的红色、黄色、绿色马歇尔试件，对比其马歇尔稳定度变化情况，试验结果见图1。

图1 各颜色反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的马歇尔稳定度对比

由图1可知：不同颜色色粉的加入对反应型彩色环氧冷拌沥青混合料马歇尔稳定度的影响很小，因为色粉掺量少，且在沥青制备阶段剪切加入，均匀分散在沥青中，并不会代替矿粉的作用。在反应型彩色环氧冷拌沥青混合料应用中，不同颜色色粉对道路性能的影响可忽略不计。

3.2 高温稳定性

动稳定度试验中，试件采用轮碾法得到。由于沥青材料的感温性，在高温与荷载的共同作用下会产生永久变形，进而形成车辙，故通过车辙试验验证混合料的高温稳定性。分别对环氧树脂掺量为0、5%、10%、15%的反应型彩色环氧冷拌沥青混合料试件进行车辙试验，分析其高温稳定性。试验前室温放置时间为48 h，试验温度为(60±1) ℃，碾压胎压符合标准要求，试件为标准车辙试块。试验结果见图2。

图2 不同环氧树脂掺量与动稳定度的关系

由图2可知：随着环氧树脂掺量的增加，冷拌料的高温稳定性提高。掺量为10%时的动稳定度为4 223次/mm，比不掺环氧树脂时提高1.5倍左右；掺量增加到15%时，动稳定度提升幅度有所削弱。这是因为环氧树脂固化后生成碳氧大分子，将沥青与集料黏结得更紧密，从而大大提升其强度；沥青与YS-180粉末接触后发生固化联结反应，内部形成网状结构，将集料良好地包裹起来，反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的高温稳定性出现质的提升。

3.3 低温抗裂性

沥青路面在低温与荷载的耦合作用下易发生低温脆裂现象。在室温下成型不同环氧树脂含量的反应型彩色环氧冷拌沥青混合料车辙板，48 h后切割成小梁试件，采用LWWL-2型试验系统进行小梁弯曲试验，试验温度为(-10±0.5) ℃，加载速度为50 mm/min。试验结果见表7。

由表7可知：随着环氧树脂用量的增加，反应型冷拌彩色沥青混合料的弯曲强度增大，最大弯曲应变先增大再减小，10%树脂掺量为转折点，不同掺量环氧树脂的反应型冷拌彩色沥青混合料的最大弯拉应变均符合规范要求。说明环氧树脂的掺入使混合料的低温抗裂性能有一定提高，劲度模量逐步增大。

表7 不同环氧树脂掺量下反应型彩色环氧冷拌沥青混合料小梁弯曲试验结果

但改善程度有限，因为环氧树脂掺量增大，沥青变得硬脆的同时，低温挠度逐渐减小，沥青混合料更易出现弯拉变形。

3.4 水稳定性

分别采用常规浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对不同环氧树脂含量的反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的水稳定性进行测试，结果见表8。

表8 不同环氧树脂掺量下反应型彩色环氧冷拌沥青混合料水稳定性试验结果 %

由表8可知：随着环氧树脂用量的增加，反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的水稳定性指标上升。这是因为环氧树脂本身耐水性较强，固化后在沥青内部生成碳氧化学键的大分子，提高了沥青与骨料的黏附力，降低了沥青混合料的剥落风险，避免了因空气中水分子引起混合料松散的问题。反应型彩色环氧冷拌沥青混合料水稳定性的提高较依赖于环氧树脂用量。

3.5 色彩耐久性

彩色沥青因其独特的色彩多变性被应用于城市空间设计中，色彩耐久性对其功能的实现至关重要。目前，对于彩色沥青的色彩耐久性表征并没有系统的规范和试验体系，多数以研究路面性能为主。针对所采用的红、黄、绿3种色型彩色环氧冷拌沥青，通过RTFOT和PAV试验对比沥青经过短期和长期老化后的R、G、B值，用图像处理软件测试老化试验前后图像颜色参数的变化，评价反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的色彩耐久性。纯红、纯黄、纯绿3种颜色的R、G、B值见表9。

表9 纯色色彩的R、G、B值

为直观反映沥青的色彩耐久性，引入色度指数Q。原始色度指数越大，表明该沥青颜色较显著，且越接近纯色；老化后色度指数变化大，说明沥青老化程度大、色彩耐久性不佳。Q按下式计算：

(4)

式中：Z为3种色彩的彩色环氧冷拌沥青老化前后的R、G、B值。

老化试验前后沥青R、G、B值的变化及按式(4)计算的色度指数见表10。

表10 RTFOT和PAV老化前后的R、G、B值对比

由表10可知：经RTFOT和PAV试验后，3种颜色反应型冷拌环氧彩色沥青的色度指数均不同程度下降，削弱程度为黄色>红色>绿色。黄色沥青RTFOT短期老化、PAV长期老化后色度指数分别下降1.6%和10%，黄色沥青色泽下降主要集中在长期老化过程中，需在路面使用期间减少光、热等对黄色沥青的影响。绿色沥青短期老化、长期老化后色度指数分别下降4.7%和1.6%，绿色沥青短期老化比长期老化更严重，应注重其最初阶段的施工及养护。绿色沥青的色彩耐久性优于红色和黄色沥青，黄色沥青的色彩耐久性最差。

4 结论

(1) 同一掺量的不同颜色色粉在沥青中剪切后染色效果良好，且对反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的马歇尔稳定度的影响在可控范围，可忽略。

(2) 环氧树脂可显著提升反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的初始马歇尔稳定度、成型马歇尔稳定度和动稳定度，掺量10%时混合料初始马歇尔稳定度、成型马歇尔稳定度和动稳定度比不掺环氧树脂时分别提升2.5、2.7、1.5倍，15%掺量环氧树脂混合料的性能相对于10%掺量提升不大。说明环氧树脂可使混合料的高温性能得到较大提升，但过多环氧树脂会降低性价比。

(3) 反应型彩色环氧冷拌沥青混合料的弯曲强度因环氧树脂的掺入逐渐增大，但其最大弯曲应变先增大后减小，以10%树脂掺量为转折点，说明过大的环氧树脂掺量会使沥青混合料的抗弯拉变形能力降低。随环氧树脂掺量的增加，混合料水稳定性指标呈上升趋势，水稳定性稳步提高。

(4) 环氧树脂的最佳掺量为10%，此时反应型彩色环氧冷拌沥青混合料具有较好的综合路用性能，初始稳定度(2 h)及成型稳定度(12 h)分别为4.95、9.24 kN，动稳定度为4 223 次/mm，残留稳定度和冻融劈裂强度比分别达到86.9%、80.6%，小梁试验中最大弯拉应变为2 439.52 με。

(5) RTFOT和PAV老化试验后，3种颜色反应型冷拌环氧彩色沥青的色度指数削弱程度为黄色>红色>绿色。