沥青路面色差修补材料配合比及路用性能

景宏君 丁孝妮 胡裕成 贾广平 李东珀 刘骞

摘 要：為研究沥青路面坑槽修复前后存在的颜色差异问题，选用丙烯酸改性环氧树脂为基液，添加炭黑、钛白粉和金刚砂作为颜填料，制备一种使沥青路面色差统一的多色阶美化涂层材料。利用正交试验分析各因素水平对环氧树脂基体粘度、拉伸强度和断裂伸长率的影响。结果表明：涂层中环氧树脂基体的最佳质量配比为，增韧剂含量为15%，稀释剂含量为30%，固化剂含量为60%，促进剂含量为6%；依据路面颜色将路面灰阶等级划分为三阶，确定了多色阶美化涂层中炭黑与钛白粉的比例掺量；依据试件的拉伸强度和断裂伸长率确定了功能填料金刚砂与环氧树脂基体的最佳质量比为30%；涂料制备完成后，对其耐磨、抗滑以及抗紫外老化性能进行检测，检测结果均满足规范要求。涂层材料能够明显降低修补后沥青路面与原路面的色差，不同配比的混合料适用于不同色阶等级的沥青路面。关键词：沥青路面；色差修补；配合比设计；性能研究中图分类号：U 418.6

文献标志码：

A

文章编号：1672-9315（2023）06-1128

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0611开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Mixing ratio and road performance of colour difference

repair materials for asphalt pavements

JING Hongjun1，DING Xiaoni1，HU Yucheng2，JIA Guangping3，LI Dongpo4，LIU Qian5

（1.College of Civil and Architectural  Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Highway Bureau of Ankang City，Ankang 725000，China；3.Highway Bureau of Weinan City，Weinan 714000，China；

4.Highway Bureau of Yanan City，Yanan 716000，China；5.Highway College，Changan University，Xian 710061，China）

Abstract：In order to solve the problem of color difference before and after the repair of asphalt pavement pits，acrylic modified epoxy resin was selected as the base fluid，and carbon black，titanium dioxide and diamond sand were added as pigments and fillers to prepare a multi-color gradation beautification coating material that unifies the color difference of asphalt pavement.Use orthogonal experiments to analyze the effects of various factor levels on the viscosity，tensile strength，and elongation at break of epoxy resin matrix.The results show that the optimum mass ratio of epoxy resin matrix in the coating is 15% of toughening agent content，30% of diluent content，60% of curing agent content and 6% of accelerator content.According to the color of the road surface，the gray level of the road surface is divided into three levels，and the proportion of carbon black and titanium dioxide in the multi color level beautification coating is determined.Based on the tensile strength and elongation at break of the specimen，the optimal mass ratio of functional filler emery to epoxy resin matrix is determined to be 30%.After the coating is prepared，its wear resistance，slip resistance，and UV aging resistance are tested，and the test results meet the requirements of the specifications.The coating material can significantly reduce the color difference between the repaired asphalt pavement and the original one，and different proportions of mixtures are suitable for asphalt pavement with different color levels.Key words：asphalt pavement；color difference repair；mix design；performance study

0 引 言公路路面的养护里程在逐年增高，路面坑槽修复是公路养护的工作重点之一，但当前路面破损修补技术水平参差不齐，因路面长期裸露老化，导致修补处新材料与原路面颜色差异较大，使得坑槽修复效果大打折扣［1-4］。明显的色差降低了道路的整体协调性，既在视觉上给驾驶人员造成困扰，又影响城市美观性，尤其是驾驶人员若在高速行驶状态下产生视觉误差，没有精确判断路面状况，从而影响其行为决策［5-7］，很有可能产生安全隱患问题。基于现有路面涂层材料研究现状，结合色彩学配方理论及要求［8-10］，研发一种能解决沥青路面坑槽修复后颜色不统一问题的涂层材料，确保在涂料涂刷后，能将坑槽修补痕迹较好地融入原路表。国内外学者对于路面热反射涂层、降温涂层、疏水涂层等各种功能型涂层的研究逐渐成熟。LEWIS等将水性环氧树脂引入沥青的复配过程中，配置出弹性模量和耐热性能优良的桥面铺装材料［11］。申爱琴等选用水性丙烯酸乳液作为基液，制备了一种新型环保水性丙烯酸热反射层［12-13］；史珂等制备了一种新型环氧树脂胶粘剂应用于超薄路面，考察了不同类型和用量的增韧剂、稀释剂和固化剂对胶粘剂拉伸性能的影响［14］；程承采用改性水性环氧树脂制备了沥青路面用热反射涂料［15］；袁颖自制不饱和聚酯热反射涂层，建立了反射率与降温效果的关系［16］；刘梦梅等采用了一种新型的用于坑洞修补的聚氨酯改性涂料，并与乳化沥青和消减沥青进行了比较，测试其材料性能及路用性能［17］；吴小龙选用聚氨酯作为路面快速养护材料，对制备过程以及应用进行研究［18］。这些涂层材料的基液树脂主要为丙烯酸树脂、不饱和聚酯、环氧树脂及聚氨酯等，性能各有优缺。涂层的应用提高了路面材料的强度、粘结性和防水性等性能指标，延长了道路使用寿命，满足了通车功能。但研究者们未充分考虑路面修补色差现象对行车安全和道路美观造成的影响，现需从此方面着手，进一步探究关于统一路面颜色的美化涂层工作。以丙烯酸改性环氧树脂为基液，通过正交试验确定增韧剂、稀释剂、固化剂和促进剂的用量，并在最优组分配比的基础上进行颜填料优选［19］，制备多色阶美化涂层材料。制备的涂层不仅能有效减小路面坑槽修补带来的颜色差异，还能确保涂层的路用性能满足规范要求，对于提高行车安全、提升道路整体美观水平具有重要意义。

1 涂层制备试验

1.1 试验材料和制备流程涂层材料由A、B、C这3组分组成。A组分为环氧树脂基体，由丙烯酸改性环氧树脂、增韧剂、稀释剂、固化剂和促进剂5种成分组成，其中丙烯酸改性环氧树脂作为基液；B组分为炭黑和钛白粉，用于制备不同颜色等级的涂层材料；C组分为金刚砂，作为功能填料，能有效提高涂层材料在耐压、耐磨、抗滑方面的强度。将丙烯酸、环氧树脂以及稀释剂按照一定比例混合搅拌，置于室温下冷却至常温得到丙烯酸改性环氧树脂。依次加入增韧剂、固化剂、促进剂搅拌均匀1 h后，制得涂层的环氧树脂基体（A组分）；根据原沥青路面颜色的RGB（RGB模型是通过对红、绿、蓝3个颜色通道的变化及叠加来得到各种颜色，其中每个通道有8位共256个级别，3个颜色的组合可以得到1 600万种颜色，几乎涵盖了所有能感知到的颜色）值范围确定所需炭黑与钛白粉（B组分）的掺量，将A、B组分共同添加至恒温加热磁力搅拌器进行高速剪切搅拌10 min；再加入定量的功能填料（C组分），低速搅拌20 min，置于25 ℃的真空烘箱中进行固化，即得涂层混合料（图1、图2）。

1.2 试验方法

1.2.1 粘度试验参照《胶黏剂黏度的测定-单圆筒旋转黏度计法》（GB/T 2794—2013），利用NDJ-1D型布氏粘度仪测试环氧树脂基体的初始粘度指标，考虑路面涂层作业通常在常温下进行，故将试验温度设置为25 ℃，测定试件的初始粘度。

1.2.2 拉伸强度和断裂伸长率参照《树脂浇铸体性能试验方法》（GB/T 2567—2021），利用万能试验机测试涂层试件（图3）的拉伸强度，将试件固定在模具上，模具口改造为齿形状，能加大摩擦和咬合力。按照试验要求试件应提前在恒温箱进行恒温存放，在测试过程中保证恒温恒湿的环境条件；通过读取拉伸试件的最大拉力和断裂长度，测定拉伸试件的拉伸强度和断裂伸长率；测试拉伸速率设置为10 mm/min，测试温度为-10 ℃，试件断裂的有效位置应为中间位置。

1.2.3 分光色差仪测试路面RGB值在辨别路面色差时采用型号为CS-410的分光色差仪来测定路表的RGB值（图4），涂层表面与原路面的RGB值越接近，说明路面色差越小。

1.3 配比试验多色阶涂层材料配比试验分为3部分：①利用正交试验确定A组分的配合比设计；②根据沥青路面颜色的RGB值确定B组分的比例掺量；③在前2部分完成的基础下确定C组分的配用量。

1.3.1 正交试验多色阶涂层材料要求粘度不宜过大、低温塑

性较好，为表征基本性能，拟采用25 ℃粘度、-10 ℃

拉伸强度和断裂伸长率对环氧树脂基体的性能指标进行评价，将涂料中丙烯酸改性环氧树脂基液的用量设为100%，其余各因素用量为树脂用量的相应百分比。选用增韧剂、稀释剂、固化剂、促进剂的相对用量作为研究变量，在前期试验的基础上，根据各组分的用量拟定以下4个水平，设计四因素四水平的正交试验（表1）。

1.3.2 制备多色阶涂层试验选用炭黑和钛白粉对涂层材料的颜色进行改变，炭黑具有成本低、着色能力强、易均匀分散、光稳定性好等优点。钛白粉作为无机颜料，性

能良好且价格便宜。根据测得的路面RGB颜色范

围，添加不同比例的炭黑与钛白粉，探究不同掺量的配比效果。

1.3.3 确定功能填料用量添加金刚砂能有效提高涂层材料在抗压、耐磨、抗滑等方面的强度，对涂层的路用性能起着重要作用。考虑添加金刚砂后是否对涂料的基本性能产生影响，本试验在添加后，重新测试材料试件在低温为-10 ℃条件下的拉伸强度和断裂伸长率，以此确定填料的最佳用量。

2 结果与分析

2.1 正交试验

2.1.1 试验数据对设计表中的16组试验方案依次进行粘度、拉伸强度和断裂伸长率指标测试（表2）。拉伸强度测试过程中，需要准确控制拉断面的位置应为哑铃试件的中间部位，两端断裂的试件为无效数据，以试验每组重复成功3次为标准，取平均值。

2.1.2 各因素水平环氧树脂基体的粘度随着增韧剂含量增多呈现线性增长（图5）。当增韧剂用量为5%时，平均粘度为440.6 mPa·s，当增韧剂用量为20%时，平均粘度为984.1 mPa·s，粘度增长率为123.35%（表3）。由于增韧剂本身粘度较大，而且增韧剂改性环氧树脂后，通过化学反应改善了分子柔顺性，起到了缓减应力集中的作用，使环氧树脂基体粘度明显增加，表明增韧剂能有效地增大环氧树脂基体的粘度。

环氧树脂基体的拉伸强度随着稀释剂增加呈明显下降的趋势（图6）。当稀释剂用量为10%时，平均拉伸强度为27.20 MPa，当稀释剂用量为40%时，平均拉伸强度为13.30 MPa，降低幅度为51.10%（表4）。说明稀释剂的加入会降低固化物交联密度，减少了拉伸试件单位面积内承受荷载的有效链段数量，因而降低了固化物的拉伸强度。

环氧树脂基体的断裂伸长率随着增韧剂含量增加而逐渐增大（图7）。当增韧剂用量为5%时，平均断裂伸长率为19.79%，当增韧剂用量为20%时，平均断裂伸长率为64.04%，增长幅度为223.6%（表5）。聚氨酯预聚体中柔性链段能有效增强环氧树脂基体的柔韧性，柔性链段能提高拉伸试件断裂伸长率。

涂层在实际应用过程中，其粘度的合理数值应低于800 mPa·s，试验结果均满足规范要求。固化剂的影响比较微小，因为固化剂的分子链较短，用量的变化不足以影响固化树脂的交联密度和刚性基团含量，因此，涂层粘度变化不大。故25 ℃粘度指标可以确定增韧剂取水平三、稀释剂取水平四、促进剂取水平二，即环氧树脂基体中增韧剂占15%，稀释剂占40%，促进剂占4%；-10 ℃拉伸强度指标可以确定增韧剂取水平三、稀释剂取水平一、固化剂取水平四、促进剂水平四，即环氧树脂基体中增韧剂占15%，稀释剂占10%，固化剂占65%，促进剂占6%；因促进剂的影响较小，故-10 ℃断裂伸长率指标可以确定增韧剂取水平四、稀释剂取水平四、固化剂取水平三，即增韧剂占20%，稀释剂占40%，固化剂占50%（表6）。

2.1.3 配合比优化当增韧剂含量为15%时，环氧树脂基体的粘度和拉伸强度处于最佳水平，断裂伸长率也处于较高水平；当其含量为20%时，环氧树脂基体的断裂伸长率处于最佳水平，但其粘度过大，且拉伸强度显著降低，增韧剂最佳含量拟定为15%。当

稀释剂含量为40%时，环氧树脂基体的粘

度和断裂伸长率均处于最佳水平，但明显降低了其拉伸强度；当其含量为10%时，环氧树脂基体的拉伸强度处于最佳水平，但此时其粘度过大，且断裂伸长率较低；当其含量为30%时，环氧树脂基体的粘度、拉伸强度以及断裂伸长率均在合理范围内，稀释剂最佳含量拟定为30%。当固化剂含量为50%时，环氧树脂基体的断裂伸长率处于最佳水平，但拉伸强度处于较低水平；当固化剂含量为65%时，环氧树脂基体的拉伸强度处于最佳水平，但斷裂伸长率却处于较低水平；当其含量为60%时，环氧树脂基体的拉伸强度和断裂伸长率均在合理范围内，固化剂最佳含量拟定为60%。当促进剂含量为4%时，环氧树脂基体的粘度处于最佳水平，但其拉伸强度过低；当促进剂含量为6%时，环氧树脂基体的拉伸强度处于最佳水平，且其粘度也在合理范围内，促进剂最佳含量拟定为6%。筛选出环氧树脂基体中增韧剂占15%，稀释剂占30%，固化剂占60%，促进剂占6%为各组分的最佳配合比。

2.2 多色阶涂层的配方比通过对原沥青路面颜色的采集调查得到，路面颜色RGB值范围在60～120，初步将ΔRGB的阈值20作为不同色阶等级涂层的色差值，来确定路面颜色RGB值范围（图8）以及涂层对应各色阶等级的颜料配比情况（表7）。

从Ⅰ至Ⅲ级，炭黑比例越大，颜色越深，涂层等级越高。每个等级涂料的RGB值均满足对应等级的色值范围，说明涂层用于路面修补后，能有效减小路面色差，可大幅度降低驾驶人在视觉上形成的色差感。

2.3 功能填料用量的确定将填料与环氧树脂基体的质量比称为填胶比，不同填胶比下涂层材料的拉伸强度和断裂伸长率不同。

当填胶比为0.25时，试件的拉伸强度处于最高峰；当填胶比为0.35时，试件的断裂伸长率达到最低。若填料过于饱和，则会导致无法将涂料搅拌均匀的问题，故试验温度为-10 ℃时，涂料的最佳填胶比为0.3（图9）。

3 涂层基本路用性能检测为深入了解涂层材料的基本路用性能，对材料的耐磨性、抗滑性、抗紫外老化性能进行检测，基于研究方法［20-23］以及JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》对多色阶涂层的耐磨性、抗滑性和抗紫外老化性3种性能进行评价。

3.1 耐磨性检测试验依据《色漆和清漆耐磨性的测定旋转橡胶砂轮法》（GB/T 1768—2006）进行试验，200转后损失质量≤80 mg，1 000转后损失质量≤120 mg。试验采用AC-13车辙板试件作为测试底板，磨耗机充当行车荷载。将涂料样品注入模腔中流平，并在中心处开一直径约为7 mm的试孔，在标准试验条件下放置24 h后，使用漆膜磨耗仪，载重1 000 g，分别在橡胶砂轮达到200转、

1 000转后，测试试板的损失质量。试验分为3组，记录磨耗测试结果（表8）。

砂轮分别在旋转200转和1 000转后，测得试板的最大损失质量均满足要求，涂层材料的耐磨性能符合规范。

3.2 抗滑性检测试验标准应符合《公路沥青路面养护技术规范》中的规定。试验拟采用摆式摩擦系数测定仪测试涂层的抗滑性能，路表的摩擦阻力越大，摆锤回摆高度越小，摩擦摆值（BPN）指标越大。试验时将涂层材料均匀涂刷于试件表面并在常温下静置24 h，待涂层完全干透后开始检测。检测范围在5 cm×5 cm的试件表面测得5组数据，取其平均值作为检测结果，并在试件上选用3个范围进行测定（表9）。

由于涂层的不均匀性导致摆值存在差异，但仍能达到BPN≥45的基本要求，涂层材料的抗滑性能符合规范要求。

3.3 抗紫外老化性检测涂层材料铺筑在路面上，长期经受暴晒与雨淋后可能会产生褪色老化现象，需对涂层材料进行紫外老化试验测试其老化性能。试验采用紫外老化箱，将涂层材料进行48 h不间断紫外老化，为了模仿强紫外线照射下对涂层颜色的影响，也为了达到加速试验的目的，本试验提高了紫外线的强度。在对涂层材料进行紫外老化测试时，利用分光色差仪分别测定老化前后涂层的RGB值，若前后阈值相差10左右，颜色差异在肉眼可接受的范围内（表10）。

紫外老化前后，测得涂层表面的RGB值相差10左右，涂层材料无明显褪色，且无形变、起泡。涂层材料具有较好的抗紫外老化性能。

多色阶涂层铺设的试验路段地形复杂，弯道和隧道等类型道路较多，且地势较高、地下水豐富，多种因素导致路面容易产生裂缝、车辙、拱包、表面破损等病害，混合料修补成为沥青路面病害的主要维修手段。但原沥青路面颜色的RGB数值在100～110，坑槽修补过后修复部位颜色的RGB数值在65～75，颜色差异较大。在采用多色阶涂层修补后，原路面与修补路面的RGB值相差10左右，有效减小了新旧路面的颜色差异（图10）。

4 结 论1）

确定了涂层环氧树脂基体中各组分的配合比和功能填料的最佳填胶比；明确了炭黑与钛白粉的用量。2）测定磨耗机打磨多色阶美化涂层样品的损失质量，确定涂层的耐磨性能良好；添加金刚砂能有效提高涂层的抗滑性能；紫外老化箱检测涂层紫外老化前后的颜色无明显差异，涂层紫外老化性能良好。3）将多色阶美化涂层用于试验路铺筑，能有效减小路面坑槽修补带来的颜色差异，提升了道路的整体美观性。

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（责任编辑：李克永）