环氧乳化沥青薄层罩面混合料设计及路用性能研究

颜国珍，邓家喜

(1.广西北投交通养护科技集团有限公司，广西 南宁 530026；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007)

0 引言

自1988年我国第一条高速公路建成通车以来，我国公路建设事业已取得举世瞩目的成就。据国家统计局数据，至2020年年底，我国高速公路里程已达到16.10万km，稳居世界第一。早期建成投入使用的沥青路面高速公路，许多出现了结构功能尚好，但使用功能劣化严重的现象，如抗滑性能不足、表面颗粒剥落、坑洞等，亟待进行维修养护。沥青混合料薄层罩面是目前应用较为广泛、可快速恢复路面使用性能的养护手段。采用沥青混合料薄层罩面维修养护时，为了降低对环境的影响及节约能源，一般会采用乳化沥青作为粘结料进行冷施工[1]。但是，以乳化沥青作为罩面混合料的粘结料，存在早期强度低、水稳定性差等不足，从而导致乳化沥青薄层罩面混合料的使用寿命不长，对路面使用性能恢复效果并不理想[2]。因此，本文将从沥青粘结料、混合料配合比设计及路用性能角度出发，开展环氧乳化沥青薄层罩面混合料设计研究，以期为环氧乳化沥青薄层罩面养护技术推广提供理论指导。

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青采用中石化90#基质沥青，其主要性能指标见表1。

表1 基质沥青性能指标表

1.2 乳化剂

乳化剂采用上海龙浮化工生产的阴离子乳化剂，其主要性能指标见表2。

表2 阴离子乳化剂性能指标表

1.3 环氧树脂与固化剂

环氧树脂及固化剂采用巴陵石化生产的双酚A型环氧树脂、非离子型水溶性常温固化剂，两者性能指标见表3。

表3 环氧树脂与固化剂性能指标表

1.4 矿料

采用针片状含量低、颗粒棱角分明的抗压强度高的玄武岩用作薄层罩面集料，其主要性能指标如表4所示。矿粉采用石灰岩磨细矿粉。

表4 薄层罩面用集料性能指标表

1.5 水泥

环氧乳化沥青中的水分较多，会降低乳化沥青破乳及环氧树脂固化速率。因此可添加适量水泥，通过水泥与水的水化反应可降低粘结料中的水分，同时也可提高沥青混合料的强度[3]。本文水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，对其基本性能进行检测，结果如表5所示。

表5 水泥基本性能指标检测结果表

2 环氧乳化沥青制备

2.1 乳化沥青制备

乳化沥青制备过程中主要考虑油水比(沥青与水比值)及乳化剂用量，参考现有相关研究，本文选用4∶6、5∶4、6∶3、7∶3油水比进行乳化效果研究(乳化剂掺量为2%)，然后选用1.4%、1.8%、2.2%、2.6%乳化剂掺量进行筛上剩余量试验及存储稳定性试验。对不同油水比制备的乳化沥青外观进行观察，结果见表6。

表6 不同油水比乳化沥青乳化效果分析表

由表6可知，油水比为5∶4时制得的乳化沥青质量较好，因此以该油水比制备不同乳化剂掺量的乳化沥青进行筛上剩余量试验及储存稳定性试验，试验结果见表7。

表7 乳化沥青筛上剩余量试验及储存稳定性试验结果表

由表7可知，随乳化剂掺量增加，乳化沥青的筛上剩余量及储存稳定性降低，说明乳化剂掺量越高，沥青的均匀性及稳定性均越好。乳化剂掺量为2.2%时，筛上剩余量<0.1%，1 d及5 d储存稳定性分别小于1%、5%，均满足规范要求，且当乳化剂掺量>2.2%时，对乳化沥青的改善效果开始降低。综合经济及技术考虑，本文选用2.2%乳化剂作为乳化沥青制备掺量。

2.2 固化剂掺量选择

环氧树脂粘结强度对提高环氧乳化沥青粘层材料的粘结性能及强度有较积极的影响，而固化剂掺量是环氧树脂粘结性能的重要因素。本文根据厂家推荐制备掺比范围，以环氧树脂∶固化剂分别为5∶1、4∶1、3∶1制备环氧树脂乳液，并对其进行拉拔试验，评价其粘结性能，拉拔试验结果如表8所示。

表8 环氧乳化沥青荧光显微镜观察结果表

由表8可知，随固化剂掺量增加，环氧树脂的拉拔强度呈先升高后降低趋势，当环氧树脂∶固化剂=4∶1时，拉拔强度达到峰值，因此采用该掺比作为环氧树脂乳液的配制掺比。

2.3 环氧乳化沥青制备工艺

环氧乳化沥青属于环氧树脂与乳化剂对基质沥青的复合改性，而环氧树脂与固化剂混合后在短时间内即开始发生固化，影响沥青的粘弹性。因此本文先制备乳化沥青，再加入环氧树脂搅拌均匀，最后加入固化剂搅拌3 min制得环氧乳化沥青待用。制备流程如图1所示。

图1 环氧乳化沥青制备工艺流程图

3 环氧乳化沥青混合料配合比研究

目前薄层罩面沥青混合料没有统一的设计理论，本文采用马歇尔试验方法进行环氧乳化沥青薄层沥青混合料配合比设计，对环氧树脂、沥青用量及水泥用量展开研究。环氧乳化沥青薄层罩面沥青混合料级配采用OGFC-5，设计空隙率范围为18%～25%，其合成级配通过率见表9。

表9 OGFC-5合成级配表

3.1 正交试验设计

根据现有研究成果及工程实践经验，确定环氧树脂掺量(占沥青用量的质量百分比)为5%、15%、25%，环氧树脂∶固化剂=4∶1，油石比为4.5%、5.0%、5.5%，水泥用量(占矿料质量百分比)为1%、2%、3%。采用全因素水平试验方法，试验量较大，因此本文采用正交试验方法对配合比进行研究，水平因素及L9(33)正交试验设计见表10～11。

表10 正交试验因素水平表

表11 L9(33)正交试验设计结果表

3.2 正交试验结果分析

对制备的9组环氧乳化沥青混合料进行马歇尔试验，分别测量其毛体积密度稳定度、空隙率、沥青饱和度及矿料间隙率，试验结果见表12。

均值分析法是对正交试验相同因素水平的试验结果取均值，通过均值评价其对试验结果的影响，对表12结果进行均值分析，并绘制曲线如图2～6所示。

表12 基于正交试验设计的马歇尔试验结果表

由图2～6可知：

图2 毛体积密度变化趋势图

(1)随环氧树脂掺量增加，毛体积密度、稳定度、沥青饱和度逐渐增大，空隙率及矿料间隙率减小 ，说明随环氧树脂增加，沥青混合料变得更加密实，强度增加，抵抗外部荷载的能力得到提高。

图3 稳定度变化趋势图

图4 空隙率变化趋势图

(2)随油石比增加，毛体积密度和沥青饱和度呈现持续增大趋势；矿料间隙率变化不明显；稳定度及呈现单峰变化趋势，并在油石比为5.0%时取得最大值；空隙率呈现持续减小趋势，与环氧树脂掺量增加时空隙率变化趋势一致，这可能是因为环氧树脂在混合料中发生固化，填充了集料间的空隙。

图5 沥青饱和度变化趋势图

图6 矿料间隙率变化趋势图

(3)随水泥用量增加，毛体积密度、稳定度及空隙率均呈现整体上升趋势，而沥青饱和度和矿料间隙率呈现先增大后降低趋势。

3.3 方差分析

为探究环氧树脂掺量、油石比及水泥掺量对环氧乳化沥青混合料各项指标影响的显著性，采用SPSS对马歇尔试验结果的稳定度、空隙率、矿料间隙率及沥青饱和度进行方差分析，结果见表13。

表13 方差分析结果表(P值)

由表13可知：(1)环氧树脂掺量对混合料稳定度的P值为0.004，<0.05，为显著影响，油石比及水泥掺量对各指标影响均不显著。这可能是因为OGFC混合料为大空隙骨架结构，油石比及水泥掺量的变化并不足以引起体积指标或反映高温稳定性的稳定度指标大幅度变化。

(2)环氧树脂掺量对各指标的影响程度排序为稳定度>空隙率>沥青饱和度>毛体积密度，建议以稳定度取得最大值时的环氧树脂掺量为推荐值，则环氧树脂掺量确定为25%。同理，油石比对各指标的影响排序为空隙率>稳定度>毛体积密度>沥青饱和度，水泥掺量对各因素的影响显著性排序为稳定度>空隙率>沥青饱和度>毛体积密度，建议以稳定度取得最大值及设计空隙率取得中值时的油石比及水泥用量为推荐值，则油石比确定为5.0%，水泥用量为3%。

4 环氧乳化沥青混合料薄层罩面路用性能研究

薄层罩面铺筑在旧沥青路面，对路面功能进行恢复，并直接承受行车荷载及自然环境作用，其应具备良好的水稳定性能、抗剥落性能及抗滑性能，因此本文以乳化沥青薄层罩面为对比组，从上述三个方面对环氧乳化沥青薄层罩面混合料路用性能展开研究。水稳性能采用浸水马歇尔试验评价、抗剥落性能采用浸水飞散试验评价、抗滑性能采用人工铺砂构造深度试验评价(室内成型车辙板作为抗滑性能试验试件)，试验结果见表14。

表14 路用性能测试结果表

由表14可知：环氧乳化沥青混合料的水稳定性能及抗剥落性能均优于乳化沥青混合料，而两者的抗滑性能基本相当，这是因为环氧树脂固化及试件试验过程中水泥继续水化，提高了沥青与集料的粘结性能，从而提高了混合料的水稳定性与抗剥落性能，而OGFC混合料的构造深度大小主要取决于级配，因此受沥青种类影响较小。

5 结语

通过对环氧乳化沥青罩面混合料设计及路用性能研究，得出以下结论：

(1)通过环氧乳化沥青制备及配合比设计研究，本文推荐环氧乳化沥青制备参数为：乳化剂掺量2.2%、油水比5∶4，环氧树脂掺量25%、油石比为5.0%，水泥用量3%，环氧树脂∶固化剂=4∶1。

(2)环氧树脂掺量对混合料稳定度为显著影响，而油石比及水泥掺量对其他性能指标影响均不显著，但油石比及水泥掺量对性能指标影响相对较大的分别为空隙率及稳定度。

(3)环氧乳化沥青薄层罩面混合料的水稳定性能及抗剥落性能均优于乳化沥青混合料，而两者的抗滑性能相当。