水性环氧树脂改性乳化沥青及其混合料性能试验研究

李鸿强 杨登峰

（新疆兴亚工程建设有限公司，昌吉 831100）

由于热拌沥青混合料在拌和时需要消耗大量燃料来加热沥青和集料，不但消耗大量能源，而且会释放出有害人体健康的废气。 冷拌乳化沥青混合料在混合料拌和时虽然相对热拌混合料具有一定的优越性，可常温施工、节约能源、施工便利、环境友好、无毒副作用[1]；但乳化沥青混合料铺筑路面后结构内仍然含有大量的残留水分，不仅早期强度比较低，温度稳定性差，孔隙率比较大，而且开放交通的时间也比较滞后，使用性能也并不是很理想[2-3]。因此，针对乳化沥青混合料强度低、性能差的特点，开展改性乳化沥青的研究对改善乳化沥青及混合料性能具有重要的意义。

国内对于改性乳化沥青的研究比较多，由于水性环氧树脂具有力学强度高、耐久性好、性能稳定的特点，因此很多研究将水性环氧树脂用作改性剂加入乳化沥青中，也取得了很好的效果。 何远航等[4]研究得出了水性环氧树脂加入乳化沥青后能明显增强乳化沥青的温度稳定性；王孝贤等[5]通过试验评价了环氧树脂对于沥青粘度和抗剪性能的影响；张庆等[6]通过试验发现水性环氧树脂改善了乳化沥青与集料的粘结强度，并研究了水性环氧树脂掺量对于改性乳化沥青动力粘度及表面自由能的关系；谷雨等[7]通过微观手段阐释了水性环氧树脂与乳化沥青的相互作用关系；Zhang 等[8]指出环氧树脂对于沥青的高温抗剪能力具有很好的效果。 可以看出，学者对于水性环氧树脂改性乳化沥青的研究比较多，但对于水性环氧树脂改性乳化沥青的流变性能及混合料的路用性能的研究还不是很完善和深入。本文将进一步探索水性环氧树脂用量对于改性乳化沥青高低温流变性能及其混合料路用性能的影响，以期通过试验研究能够推动水性环氧树脂改性乳化沥青的进一步应用。

1 原材料性能

（1）乳化沥青

试验采用70 号A 级基质沥青经乳化生产制备的东海牌阳离子乳化沥青， 其技术性能如表1所示。

表1 阳离子乳化沥青技术性能

（2）水性环氧树脂及固化剂

采用天津某材料科技有限公司提供的HY-R型自乳化水性环氧树脂和固化剂， 水性环氧树脂固含量不低于50%， 外观呈白色粘稠液体，PH 值在6～8， 环氧当量为380～400。 固化剂固含量为48%～52%，外观呈淡黄色液体，PH 值在7～9，固化剂用量采用厂家推荐剂量10%（占水性环氧树脂质量百分数）。

（3）集料

粗集料采用石灰岩碎石，细集料采用石灰岩机制砂，填料采用石灰岩矿粉，通过对粗、细集料和矿粉进行物理力学性能测试，各项指标都满足规范要求，如表2 所示。

表2 各集料物理指标测试结果

2 水性环氧树脂改性乳化沥青性能

2.1 改性乳化沥青蒸发残留物制备

水性环氧树脂改性乳化沥青的制备工艺较为简单，主要流程如下：首先将不同掺量（5%、10%、15%、20%） 水性环氧树脂加入成品阳离子乳化沥青中，加入过程中不断用玻璃棒缓慢搅拌，加入完毕后采用高速剪切机以500 r/min 的速率低速剪切10 min，然后加入固化剂并用玻璃棒搅拌均匀，即可得到含有不同掺量水性环氧树脂的改性乳化沥青。

由于乳化沥青性能的好坏最终取决于乳化沥青经破乳后的残留沥青，为了检验水性环氧改性乳化沥青最终的性能好坏，需要对其进行蒸发残留物试验。 主要流程为：将称量好的改性乳化沥青放于电炉上进行缓慢加热，在加热过程中使用玻璃棒不断地搅拌，并控制好加热温度，防止温度过高导致乳化沥青溢溅和沥青老化，使乳化沥青中的水分逐渐蒸发掉， 直到沥青液体表面不再出现泡沫为止，最后将蒸发后的残留物置于135℃烘箱中静置1 h，即可得到改性乳化沥青的残留物。

2.2 改性乳化沥青性能

为了检测改性乳化沥青的性能，本文采用动态剪切流变试验（DSR）和弯曲蠕变劲度试验（BBR）对不同掺量（5%、10%、15%、20%）水性环氧树脂的改性乳化沥青残留物进行流变性能试验，并以基质沥青和乳化沥青作为对照组，评价改性乳化沥青残留物的高低温流变性能。 试验结果如表3～4 所示。

表3 改性乳化沥青残留物的车辙因子

表4 改性乳化沥青残留物BBR 试验结果

从表3 可知，随着温度的升高，6 种沥青混合料的车辙因子都明显逐渐减小，这是由于沥青的感温性所致，沥青在由粘弹状态向粘性状态转变。 温度相同时，随着水性环氧树脂掺量的增加，改性乳化沥青残留物的车辙因子逐渐增大，乳化沥青掺水性环氧树脂后的车辙因子明显高于基质沥青和普通乳化沥青，说明水性环氧树脂可增强沥青的高温性能。

从表4 可以看出，随着水性环氧树脂掺量的增加，改性乳化沥青的蠕变劲度逐渐增加，蠕变斜率不断减小。依据美国SHRP 规范中的PG 分级要求：沥青的蠕变劲度S≤300 MPa、蠕变斜率m≥0.3，本文中基质沥青和普通乳化沥青为PG-12℃， 掺5%水性环氧和10%水性环氧的改性乳化沥青为PG-18℃，然而掺15%水性环氧和20%水性环氧的改性乳化沥青为PG-12℃。

结合水性环氧树脂改性乳化沥青高温和低温流变性能效果，本文推荐采用10%掺量的水性环氧树脂用于后文改性乳化沥青混合料的性能研究。

3 混合料路用性能

3.1 混合料配合比设计

试验采用AC-13C 型矿料级配，其合成级配设计见表5。

表5 AC-13C 型矿料级配表

采用交通运输部阳离子乳化沥青课题协作组用于确定乳液用量的经验公式， 初算乳液用量为8.6%，以0.5%间隔左右各取2 组，即7.6%、8.1%、8.6%、9.1%、9.6%。 室内成型马歇尔试件，试件成型方式为： 双面各击实50 次， 置于60℃烘箱中养生24 h，然后取出再次双面击实25 次，常温静置12 h后进行脱模， 脱模后常温下养生48 h 后即可进行马歇尔试验。 由马歇尔试验得到的各项性能指标参数确定了水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的最佳乳液用量为9.0%。

3.2 高温性能

在夏季高温季节，沥青路面会因温度过高导致沥青软化，加之车辆荷载的反复作用，最终会形成永久变形产生车辙等病害。 为保证路面在高温季节的正常使用性能，路面材料要具有更好的抗高温永久变形能力。 评价沥青混合料高温稳定性的试验方法较多，本文采用国内推荐的普通车辙试验用于评价水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的高温稳定性，试验温度为60℃，试验结果如表6 所示。

表6 改性乳化沥青混合料车辙试验结果

从表6 可以看出，3 种沥青混合料的动稳定度从小到大为：普通乳化沥青＜基质沥青＜改性乳化沥青，说明水性环氧树脂明显提高了乳化沥青的高温稳定性。 这是由于水性环氧树脂是一种热固性材料， 会与沥青结合在一起形成空间的网络交联结构，使沥青粘度增加，从而提高沥青的高温抗车辙能力。

3.3 低温性能

沥青路面作为一种温度敏感性材料，其力学性能也会受到外界环境的作用而发生变化，在寒冷季节温度骤降时由于路面结构内部与外界空气温差较大，沥青路面结构内部应力来不及松弛最终会导致路面产生温度收缩裂缝。 如果裂缝不能及时处理，后期雨季来临时雨水会沿着裂缝进入路面结构内部， 在车辆荷载的重复影响下会产生动水压力，集料经过动水压力的不断冲刷后表面的沥青逐渐剥离掉，最终会导致路面结构性破坏。 因此，在沥青路面铺筑前有必要对采用的沥青路面材料进行低温性能评价。 本文采用低温小梁弯曲试验对水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的低温抗裂性进行评价，试验温度选取-10℃，试验结果如表7 所示。

表7 改性乳化沥青混合料低温弯曲试验结果

从表7 可知，与普通基质沥青相对比，水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的弯拉应变提高了48.3%，劲度模量降低了205.5%，说明掺水性环氧树脂后乳化沥青混合料的低温性能明显优于基质沥青。

3.4 水稳定性

本文采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验对水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的抗水损害性能进行评价，试验结果见表8。

表8 改性乳化沥青混合料水稳定性试验结果

从表8 可知，无论是浸水马歇尔试验还是冻融劈裂试验结果，都是基质沥青的水稳定性最好，改性乳化沥青次之，普通乳化沥青最差，改性乳化沥青混合料试验结果基本接近于基质沥青。 与普通乳化沥青混合料相比， 水性环氧树脂一定程度上也改善了乳化沥青混合料的水稳定性， 只是改善程度不太显著。

3.5 疲劳性能

本文采用应力控制模式下的四点弯曲疲劳试验，以混合料的完全断裂为破坏标准。选用MTS 万能材料试验机， 通过四点弯曲疲劳试验方法对水性环氧树脂改性乳化沥青混合料试件进行疲劳性能研究。 试验温度15℃，应力比取0.4，试验结果如表9 所示。

表9 改性乳化沥青混合料疲劳试验结果

从表9 可以发现，经过水性环氧树脂改性后的乳化沥青混合料的疲劳寿命次数是普通基质沥青的4.2 倍， 说明水性环氧树脂能够显著提高乳化沥青混合料的耐久性能。

4 结论

通过对水性环氧树脂改性乳化沥青高温、低温流变性能及混合料各方面路用性能的研究，可以得出以下结论：

（1）温度相同时，随着水性环氧树脂掺量的增加，改性乳化沥青残留物的车辙因子和蠕变劲度逐渐增大，蠕变斜率不断减小。 水性环氧树脂可增强沥青的高温和低温性能，推荐水性环氧树脂的适宜掺量为10%。

（2）3 种沥青混合料的动稳定度从小到大为：普通乳化沥青＜基质沥青＜改性乳化沥青，水性环氧树脂明显提高了乳化沥青的高温稳定性。

（3）与普通基质沥青相对比，水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的弯拉应变提高了48.3%， 劲度模量降低了205.5%，水性环氧树脂能够大大增强乳化沥青混合料的低温性能。

（4）与普通乳化沥青混合料相比，水性环氧树脂对于改善乳化沥青混合料的水稳定性不明显。 但其疲劳寿命次数是普通基质沥青的4.2 倍， 显著提高了乳化沥青混合料的耐久性能。