冷拌环氧沥青混合料配合比设计及路用性能研究

李林波，徐建晖，代剑锋，陈 诚

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 400060)



冷拌环氧沥青混合料配合比设计及路用性能研究

李林波，徐建晖，代剑锋，陈 诚

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 400060)

将彩色沥青、环氧树脂在一定相容剂作用下进行强制搅拌融合，并配合使用定量固化剂，从而形成一种浅色冷拌沥青胶结料。该胶结料易于改色，所生产的混合料其路用性能较传统沥青混合料更优异，适用于彩色化城市快速公交系统(BRT)、彩色非机动车道等彩色路面铺筑。目前该混合料已在贵州省遵义市公交车站台进行试验段铺筑，效果显著。

城市快速公交系统(BRT)；冷拌混合料；彩色路面

近年来，中国城市化建设飞速发展，但在发展的同时城市交通问题日趋严重。为此，“优先发展城市公共交通”便成为解决当前中国城市交通问题的首要方案，而城市快速公交系统(BRT)则是这一方案的重要组成部分。目前，大部分BRT并非独立的交通系统，大量私家车挤占BRT车道对其运行造成较大影响。因此，随着BRT的发展，为更好地起到公交专用通道警示作用，彩色化路面铺装便成为BRT的主要铺装形式，其中以彩色薄层与热拌彩色沥青混凝土应用最为广泛。但以彩色薄层与热拌彩色沥青混凝土为主的BRT并不能承载公交系统所带来的重载荷。2种铺装形式的路面均存在路用性能差、高低温性能有缺陷、易出现车辙及开裂等现象。BRT中公交车道常见车辙及开裂见图1[1-2]。

针对以上问题，本文借鉴钢桥面铺装用环氧沥青，通过试验，对一种彩色、冷施工、高模量、性价比高的冷拌彩色环氧沥青进行了研究。冷拌彩色环氧沥青利用反应性环氧树脂的高模量与冷施工，以及彩色沥青较好的协同增韧作用，来增强其断裂韧性与强度，满足公交车道所需的高承载力、高剪切力及色彩交通分区要求。本文主要基于彩色冷拌型高载荷路面，结合环氧树脂应用于彩色冷拌沥青路面的具体要求，通过试验对材料的组成设计进行研究。且通过配合比设计确定冷拌彩色环氧沥青混合料的矿料级配，并与热拌彩色沥青混合料、进口冷补沥青混合料进行高低温性能、水稳定性等路用性能比较。

图1 BRT中公交车道常见破坏形式

1 冷拌环氧沥青胶结料性能试验研究

1.1 材料组成

冷拌环氧沥青胶结料(简称ZX-冷拌)由A、B双组分组成，A组分由环氧树脂、彩色沥青及其相容剂(MS-3)组成，该组分为褐色均相稠状液体；B组分为专用固化剂(G-1)。将A、B组分按规定比例混合，即得ZX-冷拌。ZX-冷拌为浅褐色均相液体，具有较好流动性。

1.2 材料选择

试验时，选用的ZX-冷拌主要由下述材料组成：E-44环氧树脂；彩色沥青；G-1固化剂；MS-3相容剂。

1.3 试样制备

ZX-冷拌试样制备程序如下：将彩色沥青置于反应釜中并加热至80 ℃；待彩色沥青完全软化后，按比例加入环氧树脂，搅拌均匀；添加一定重量比例的MS-3相容剂，搅拌均匀并80 ℃恒温下反应2 h；反应完成后，冷却至室温，即得到ZX-冷拌A组分；将A组分与B组分(G-1固化剂)按照比例混合即得ZX-冷拌。ZX-冷拌经4 h反应后可固化成型。

1.4 胶结料性能测试

本文主要从断裂伸长率、拉伸强度、粘度及固化时间3方面对ZX-冷拌进行性能研究。A、B组分性能指标见表1，胶结料固化后性能指标见表2[3]。

表1 ZX-冷拌A、B组分性能指标测试结果

表2 ZX-冷拌固化后性能指标检测结果

由表1可知，ZX-冷拌为浅色胶结料，易于着色，能形成较为鲜艳的颜色，同时A、B组分在常温下(25 ℃)混合后的粘度适宜于常温混合料拌和，且可保证混合料不发生较大离析。

由表2可知，ZX-冷拌具有较好力学性能，其粘结强度高，强度与柔性平衡，致使混合料具有较为平衡的高低温性能；其凝胶时间长，致使现场施工具有充足的可操作时间。综上所述，ZX-冷拌具有较强施工性。

2 沥青混合料路用性能试验研究

为深入了解冷拌环氧混合料的性能，本文通过马歇尔、冻融劈裂、低温弯曲、车辙等试验对冷拌环氧混合料性能进行测试，主要考察沥青混合料的高温稳定、低温开裂、抗水侵蚀能力等，并将其与重庆市智翔铺道技术工程有限公司生产的热拌彩色沥青(简称LS)、进口冷补胶结料(简称CS)进行比较。另外，本文基于JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对上述3种混合料性能进行评价[4-5]。

2.1 材料组成及配合比设计

本次试验集料采用玄武岩与石灰岩矿粉，其各项指标均符合JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》要求[6]。试验级配见表3，具体材料组成及油石比见表4。

表3 混合料矿料级配组成

表4 材料组成及油石比

2.2 马歇尔试验

根据JTG E20—2011的试验规程进行了沥青混合料马歇尔稳定度试验。ZX-冷拌与CS试件成型后，在60 ℃条件下养护48 h；LS试件成型后，在常温下(25 ℃)养护48 h。养护完成后进行了马歇尔试验，试验结果见表5。由表5可知，ZX-冷拌与CS的马歇尔稳定度较高，其主要原因是混合料中环氧固化后形成不溶不熔三维胶联体系，其致使ZX-冷拌机械性能得以大幅提升，力学性能得到极大增强。由此可知，添加环氧的沥青混合料比常规沥青混合料具有更高的稳定度和更小的流值。稳定度越高，混合料所能承受的载荷就越高；流值越小，混合料所受载荷后的形变也就越小。三者相比，ZX-冷拌在稳定度方面具有明显优势。而BRT中所涉及的路面属于重载荷路面，需采用较高稳定度的混合料进行铺装。因此，由马歇尔试验结果可知，ZX-冷拌适合于BRT[7-8]。

表5 马歇尔稳定度试验结果

2.3 高温车辙试验

根据JTG E20—2011的试验规程进行了沥青混合料60 ℃高温车辙试验，试验结果见表6。由表6可知，ZX-冷拌的车辙高达45 000次，远高于规范须大于3 000次的要求。与LS相比，其动稳定度为LS的10倍；与CS相比，其优势仍然明显。ZX-冷拌中，通过添加相容剂使彩色沥青与高性能弹性体形成高融合度的胶联体系，此交联体系形成的三维网状结构提升了混合料的机械性能，使ZX-冷拌拥有更好的车辙性能。BRT的主要病害为车辙，故拥有良好抗车辙性能便可减小车辙病害的发生率，延长道路使用寿命。由试验结果分析可知，由于ZX-冷拌具有较高的动稳定度，故其具有较强的抗车辙性能。

表6 车辙动稳定度试验结果

2.4 低温弯曲试验

开裂是国内外沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一，无论是寒冷地区， 还是非寒冷地区，沥青路面开裂均是普遍现象。路面开裂后，降水渗入路面，会对路面结构造成严重危害。因此，有必要对沥青路面的低温开裂性能进行深入研究。目前，采用何种试验方法和指标来评价沥青及沥青混合料的低温性能，以控制或消除沥青路面的温度裂缝，依然是国际上的一个重要研究课题。特别是对于采用类似于环氧沥青路面而言，因其刚度较大，故开裂的危险性就更大。

混合料低温弯曲试验结果见表7。由表7可知，2种冷拌环氧沥青低温性能均优于热拌沥青LS。对比ZX-冷拌与CS，可以发现，ZX-冷拌的弯拉应变大于CS，其劲度模量小于CS。这是因为ZX-冷拌进行了增韧改性，故ZX-冷拌具有较强的低温性能。

表7 混合料低温弯曲试验结果

2.5 水稳定性试验

对固化试件进行了浸水马歇尔试验，以检测残留马歇尔稳定度，从而检测沥青混合料的抗水损害能力。浸水马歇尔试验结果见表8。由表8可知，ZX-冷拌水稳定性满足现行规范要求(≥80%)。本文对ZX-冷拌的基本特点进行了分析，结果表明，ZX-冷拌以环氧树脂为基体，通过环氧树脂的固化交联反应，使ZX-冷拌形成连续网络结构，此网络结构将各组分粘聚起来，并能承受一定的外应力，因此在高温、低温及有水条件下，ZX-冷拌不易出现离析[9]。

表8 浸水马歇尔试验结果

2.6 紫外老化试验

沥青混合料铺筑在室外，长期经受暴晒与雨淋后会产生褪色及胶结料老化现象。为此，对沥青混合料及胶结料进行了紫外老化试验。试验采用紫外老化箱，将ZX-冷拌与沥青混合料同时进行48 h不间断紫外老化，老化前、后材料对比见图2。

图2 ZX-冷拌紫外老化前、后对比

紫外老化前、后，沥青混合料与ZX-冷拌均无明显褪色，且ZX-冷拌无形变、起泡。性能检测结果表明，沥青混合料与ZX-冷拌性能无明显衰减。由此可知，ZX-冷拌具有较好抗紫外老化性能。ZX-冷拌紫外老化试验结果见表9。

表9 紫外老化后ZX-冷拌及沥青混合料性能对比试验结果

3 遵义市公交车站试验段

选择贵州省遵义市公交车站台进行了试验段铺筑。试验段面积120 m2，厚4 cm，采用ZX-冷拌AC-10混合料。试验段铺筑完成后进行了养护时间检测试验。结果表明，混合料养护9 h后初步形成强度且可以开放交通，养护48 h后达到最大稳定度61.7 kN。试验段完成1年后再次对其进行了检测，发现公交车站除路面表层污染外，路面完整度良好，无坑槽、脱落现象，无病害发生。不同养护时间下ZX-冷拌AC-10混合料马歇尔稳定度试验结果见图3。

图3 不同养护时间下ZX-冷拌AC-10混合料 马歇尔稳定度试验结果

4 经济性分析

ZX-冷拌属于反应型沥青胶结料，反应型沥青胶结料因价格偏高，故难以大面积采用。热拌彩色沥青由于其路用性能低下，无法用于诸如BRT等特殊领域。本文基于大量的试验研究，得出若将彩色沥青作为填充材料添加到环氧树脂中，则ZX-冷拌价格将会大幅降低的结论。ZX-冷拌售价为 30 000 元/t。

ZX-冷拌与热拌彩色沥青(8 000～9 000元/t)相比，价格略高，但彩色热拌沥青无法在车行道和BRT等交通荷载较大路面中使用，且其使用寿命较短，平均使用寿命为2～3年。ZX-冷拌可在BRT等重载交通路面及极端气候地区使用，其使用平均寿命为8～10年。由此可知，ZX-冷拌材料具有明显经济优势。

ZX-冷拌与CS冷拌混合料环氧沥青(75 000元/t)相比，价格适宜，且性能优异。目前CS多用于路面修补，且色彩单一，使用具有较大局限性。

综上所述，ZX-冷拌具有较好经济性。不同类型沥青价格对比见表10。

表10 不同类型沥青价格对比

5 结论

1) ZX-冷拌性能优于热拌彩色沥青，其使用寿命长，不易出现热拌彩色沥青的常见病害，更适用于BRT、重载荷交通及极端环境地区的路面铺筑。

2) ZX-冷拌施工工艺简单，无需加热，在常温下拌和即可，可节约大量能量，并降低粉尘污染。其操作时间可达到4 h，实际开放交通时间为12～24 h，施工难度进一步降低。

3) ZX-冷拌路用性能优异，可调配颜色，价格适中，应用范围很广。

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Mixing Ratio Design and Road Performance Research on Cold-mix Epoxy Asphalt Mixture

LI Linbo, XU Jianhui, DAI Jianfeng, CHEN Cheng

This paper introduces forced mixing fusion of colored asphalt and epoxy resin under certain compatilizer, in combination of quantitative curing agent, to form a light color cold mix asphalt cement. The color of this cement is easy to change, and the road performance of the mixture is better than conventional asphalt mixture, may apply on colored payment for BRT or colored non-motorized vehicle lane. By now, this mixture is applied on bus stations in Zunyi City, Guizhou Province and the effect is quite obvious.

Bus rapid transit (BRT); cold-mix mixture; colored pavement

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.004

2016-05-11

李林波(1978-)，男，湖北省钟祥市人，硕士，高工。

1009-6477(2016)05-0013-05

U416.217

A