水性环氧沥青OGFC超薄磨耗层设计与性能研究

摘 要：【目的】研究水性环氧沥青混合料在沥青混凝土路面表层的应用效果。【方法】以水性环氧沥青作为胶结料，从原材料质量要求、级配、最佳油石比设计、拌和工艺，以及击实、养生方式等方面进行设计，得出水性环氧沥青OGFC超薄磨耗层混合料的最优配合比和制备方法；按照JTG E20—2011规范对其混合料试件的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性等相关路用性能进行研究。【结果】结果表明：当油石比为7.5%时，沥青混合料表现出良好的抗车辙性能和抗水损害性能。【结论】研究成果可水性环氧沥青在路面表层的应用提供依据，但其抗低温开裂性较差、韧性不足，若要应用于严寒地区仍需进一步改善。

关键词：水性环氧沥青；超薄磨耗层；配合比设计；路用性能

中图分类号：TU535 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0073-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.015

Design and Performance Study of OGFC Ultra-thin Wear Layer for Waterborne Epoxy Asphalt

DING Lin

（Zhejiang Baihong Construction Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310057， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the application effect of waterborne epoxy asphalt mixture on the surface of asphalt concrete pavement. [Methods] This article uses waterborne epoxy asphalt as teb202b6c521be465447bdb1fe5d66684he binder， and designs the optimal mix ratio and preparation method for waterborne epoxy asphalt OGFC ultra-thin wear layer mixture from the aspects of raw material quality requirements， gradation and optimal oil stone ratio design， mixing process， compaction and curing methods; meanwhile， according to JTG E20—2011， the high-temperature stability， water stability， and low-temperature crack resistance related road performance of the mixed material specimens were studied. [Findings] The test results show that when the oil stone ratio is 7.5%， the asphalt mixture exhibits good resistance to rutting and water damage. [Conclusions] The research results provide a basis for the application of waterborne epoxy asphalt in road surface layers， but since its low temperature cracking resistance and toughness are poor further improvement is needed for its application in cold regions.

Keywords： waterborne epoxy asphalt; ultra-thin wear layer; mix proportion design;pavement performance

0 引言

乳化沥青混合料因其常温可拌和性、施工便捷性和环保特性，广泛应用于修补路面坑洼、稀浆封层和微表处理等领域。然而，与热拌沥青混合料相比，乳化沥青混合料存在黏结性能差、强度形成速度缓慢、整体强度较弱等缺点，对其应用范围产生了限制［1-2］，因此，需要对乳化沥青进行改性，从而提高沥青混合料的黏接强度、整体强度、高温性质及抗变形能力。水性环氧树脂与固化剂体系在常温或潮湿环境下能有效固化，固化后的产物具有高交联密度和优秀的化学稳定性，将其融入乳化沥青不仅能提升沥青混合料的水稳定性和耐高温能力，还能让混合料展现早期强度优势［3］。余定洋［4］对水性环氧改性乳化沥青的流变性进行了研究，通过流变学原理解释了水性环氧的改性作用，结果表明当水性环氧树脂含量为15%时有助于混合料强度和高温性能的进一步提升；Zhang［5］通过剪切强度测试和黏度测试，对沥青黏接层的材料特性进行了评估。试验数据显示，通过引入丁苯胶乳和水性环氧树脂能显著优化黏接层的高温、低温性能和抗剪切能力。李亚菲［6］采用加速加载与疲劳试验方法，研究了水性环氧乳化沥青冷再生混合料的道路应用性能。研究发现，加入2.5%的水性环氧树脂后，混合料的早期强度、耐高低温性能和耐久性显著增强。

本研究通过对原料的品质标准、混合料的级配优化与油石比例的最佳设定、拌和过程中的技术要点，以及混合料的击实、养护方法等方面进行探究，确定了水性环氧沥青OGFC超薄磨耗层混合料的最佳配比及其制备工艺。依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对该混合料在道路使用中的性能进行了研究，以期开发出一种既具有高强度、优异的黏结性能和高温稳定性，又满足环保要求的水性环氧沥青混合料。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 水性环氧沥青及固化剂。沥青的选取对沥青路面的性能和使用寿命至关重要。开级配排水式沥青磨耗层（OGFC）具有较大的空隙结构，因此，采用的沥青胶结料必须具有较好的黏结性。本研究选用水性环氧沥青，其主要性能指标见表1。

1.1.2 粗集料。OGFC中，粗集料需具有坚固的质地、良好的耐磨性、相对清洁且不包含任何风化的优质石料颗粒，如玄武岩等均可选用，其性能指标须满足JTG F40—2004技术规范的要求，具体见表2。

1.1.3 细集料。细骨料应采用耐磨性好、硬度高的圆形或多棱形的天然砂或机制砂且粒径分布在一定范围内。其技术性能指标应符合JTG F40—2004技术规范的要求，具体见表3。

1.1.4 矿粉。本研究选用石灰岩矿粉作为填料，用于填充沥青混合料中的空隙，提高混合料的密实性，增加路面的稳定性，其技术性能指标见表4。

1.2 试验方法

1.2.1 马歇尔稳定度试验。将成型并养护好的马歇尔试件置于DF-3数显全自动马歇尔稳定度测定仪的上下压头中，设定加载速率为50 mm/min，启动设备，使试件承受荷载，读取稳定度和流值。

1.2.2 肯特堡飞散试验。将养护好的试件取出并称量试件的初始重量，然后放入洛杉矶试验机中，不加钢球，盖紧盖子启动试验机，以30～33 r/min的速度转300转，打开盖子称取试件质量和碎石质量，计算出飞散损失。

1.2.3 车辙试验。采用HYCX-1车辙试样成型机制备出300 mm×300 mm×50 mm的混凝土车辙板，并通过沥青混合料车辙试验机进行车辙试验。

1.2.4 浸水马歇尔试验。根据试验要求将制备好的试件分为两组，一组在60 ℃恒温水箱中养护30 min，另外一组养护2 d，分别对两组试件进行稳定度试验。

1.2.5 冻融劈裂试验。按照JTG E20—2011规范要求，将试件分为两组，一组不做处理，另一组进行真空保水试验和水浴养护。利用冻融劈裂试验仪分别测出两组试件的劈裂抗拉强度，计算得出劈裂抗拉强度比。

1.2.6 低温弯曲试验。将成型好的车辙板切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁，在-10 ℃±0.5 ℃的试验条件下，利用沥青混合料低温弯曲试验机进行试验。

2 配合比设计

排水沥青路面磨耗层空隙率普遍较大，有助于将路表积水引至下面层，最终通过道路边缘排出，同时也能起到降噪、抗滑的作用，但空隙过大会影响混凝土密实度，导致飞散损失。因此，需要通过降低级配的空隙率以保证薄层具有良好的抗飞散能力。综合考虑沥青路面的结构稳定性与使用性，目标孔隙率设计为16%最适宜。

2.1 矿料级配确定

本研究以OGFC-10开级配作为设计研究对象，首先对矿料进行筛分，见表5。根据筛分结果和目标空隙率合成最终级配，结果见表6和图1。

2.2 混合料拌和工艺及外加水的确定

经拌和试验可以发现，仅靠水性环氧沥青自身的水分对集料进行拌和远远不够，需要通过外加水对集料进行预润湿，从而提高拌和物的工作度，但水不宜多加，加水过多会密闭在混合料内部，影响成型试件的早期强度［7］。此外，矿粉的添加顺序也会对和易性和马歇尔试件成型效果产生影响。本研究选择以下两种拌和方式（先加矿粉、后加矿粉），对不同外加水量（矿料质量的1%、1.5%、2%）混合料拌和时状态（如图2所示）及成型马歇尔试件稳定度（60 ℃养生3 d）进行测试评价，试验结果见表7。其中水性环氧沥青添加量是根据《阳离子乳化沥青》（SH/T 0624—1995）中推荐的添加量计算公式所得，初始掺量为7.0%［8］。

方式1：按照配比将事先称量好的集料、矿粉和水预先拌和，再加入沥青胶结料搅拌至均匀，成型马歇尔试件（一次性双面各击实50次）。

方式2：首先将称量好的集料和水加入搅拌机中与分散，其次加入沥青胶结料进行搅拌，最后加入矿粉搅拌至均匀，成型马歇尔试件（一次性双面各击实50次）。

从表7和图2可以看出，外加水量能明显改善混合料拌和时的和易性和流动性，使得混合料表面湿润，延缓乳化沥青的破乳且选用后加矿粉的拌和方式制备出的马歇尔试件稳定度更高。这是因为采用先加矿粉的拌和方式时沥青胶结料最先与矿粉结合，出现结团现象，使得大粒径集料沥青膜较薄，集料间黏结力不足而导致试件整体结构不够密实。此外，从马歇尔稳定度结果可以看出，外加水量也不是越多越好，当外加水量提高到2%时，稳定度反而降低了，其原因可能是混凝土试件表面水分在经过养护后挥发了，但内部水难以挥发，从而影响了混合料初始强度。综合以上试验结果可知，选用后加矿粉，外加水量为1.5%时拌和效果最佳。

2.3 击实与养生条件的确定

击实次数和养生条件同样会对马歇尔试件性能产生影响。本研究采用马歇尔试验方法成型试件，并在已有研究成果的基础上［9］，设计3种击实与养生方法，具体如下：①双面各击实50次，放入60 ℃烘箱中养生7 d；②双面各击实75次，放入60 ℃烘箱中养生7 d；③先双面各击实50次，60 ℃ 烘箱养生3 d后，取出再双面击实25次，放入烘箱中60 ℃养生4 d。

选用同样油石比7.0%且按照如上3种方法制备和养护试件，并测试其稳定度，试验结果见表8。

由表8可知，采用一次性双面击实75次，60 ℃烘箱养生7 d的方式制备出的马歇尔试件稳定度最高，达到18.17 kN，而采用分两次击实的马歇尔试件稳定度最低。其原因可能是，一次性双面击实75次使得马歇尔试件整体结构更为密实，更有利于混合料强度的形成，而分两次击实可能会破坏水性环氧树脂胶结料的三维网状结构和混合料骨架结构，反而降低了混合料试件的最终强度。

2.4 最佳油石比确定

根据以上确定的级配组成、外加水量、最佳拌和工艺，以及最佳制备养护条件，采用修正马歇尔击实试验确定水性环氧沥青OGFC超薄磨耗层混合料的最佳油石比。以初始沥青添加量7.0%为基础，0.5%的用量间隔成型马歇尔试件（矿料总质量的6.0%、6.5%、7.0%、7.5%）如图3所示。分别对其各项性能进行测试，试验结果见表9。

由表9可知，随着水性环氧沥青添加量的不断提高，混合料马歇尔稳定度不断提高，飞散损失量逐渐减少，这主要得益于水性环氧沥青的引入增强了乳化沥青混合料的黏结性。同时可以发现，当添加量提高到8.0%时，混合料稳定度反而下降，分析其原因，一方面可能是当水性环氧乳化沥青的掺量较少时，混合料内部胶凝材料和表面有所欠缺，进而影响了骨料之间的黏附性，降低了混合料的密实性，使得空隙率增大，最终导致混合料强度降低；另一方面，随着添加量逐渐增大，混合料中的自由沥青也增多，增加了沥青的流动性，对混合料的成型效果产生了负面影响，造成了强度下降和流值增加的现象。此外，沥青胶结料的增加无形中也会增加总加水量，多余的水分隐藏在混合料试件内部，同样会影响混合料的强度。综合以上，确定混合料最佳油石比为7.5%。

3 路用性能

根据上文确定的最佳制样方法及最佳油石比，分别成型马歇尔试件与车辙试验板，并按照JTG E20—2011规范要求对其路用性能进行检测并评价。

3.1 高温稳定性

OGFC超薄磨耗层作为路表结构层，与外界环境直接接触。在夏季高温天气，路表温度急速上升，沥青混合料路面材料劲度模量和抗剪强度迅速降低，在重载车辆荷载作用下，如果面层混合料没有良好的耐高温性能，极易产生推移、车辙、拥包等路面病害现象。本研究采用沥青混合料自动车辙仪进行车辙试验（车辙试件为成型后60 ℃养生3 d），探究水性环氧沥青混合料高温稳定性，通过动稳定度评价其在高温环境下抵抗轴载塑性变形的能力，试验结果见表10。

由表10可知，混合料的动稳定度最高能达到8 658.282次/mm，是技术规范要求的2.47倍，说明水性环氧沥青混合料具有较强的高温抗车辙性能。分析其原因，水性环氧沥青胶结料中掺入了水性环氧树脂，含有环氧基团，与固化剂中的活性氢发生固化反应，形成立体网状聚合物，将混合骨料包裹其中，增强了环氧沥青的黏结性，促进骨料间的密实黏结，从而提升了混合料在高温条件下的抗车辙能力。

3.2 水稳定性

水稳定性是评估沥青路面抗水损害的关键指标。OGFC具有高空隙率，能够确保路面排水效果，但也存在水损害隐患，对冷拌沥青尤为严重。路面空隙中的水分，在汽车荷载作用下，会产生一定的动水压力，对胶结料和矿料进行反复的冲刷，致使沥青胶结料与矿料间的黏附力下降，倘若沥青混合料长期在湿度较大、低温冻融等环境条件下，路面结构的整体力学强度则会降低［10］。本研究按照JTG E20—2011规范要求，根据浸水残留稳定度和冻融劈裂强度两项数据，对混合料水稳定性进行评价，试验结果见表11。

由表11可知，本研究的水性环氧沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足技术要求，具有较好的抗水损害能力，这是由于水性环氧沥青中的水性环氧树脂的固化产物具有黏附力大、强度高的特点，加入混合料中可提高矿料之间的黏结力，进而提高混合料的强度和抗拉伸破坏性能。

3.3 低温抗裂性

沥青混合料的低温抗裂性考察了沥青路面在车辆荷载作用下和沥青混合料之间的容许拉应力与温缩应力之间的关系。当容许拉应力低于温缩应力时，混合料之间就会产生裂纹，从而导致路面的开裂，为进一步地减少和消除低温裂缝，同时为超薄磨耗层在各地区的应用提供参考［11］，本研究按照JTG E20—2011对水性环氧沥青混合料进行小梁弯曲试验，试验结果见表12。

由表12可知，水性环氧沥青混合料的弯曲破坏应变低于规范中要求且低于普通热拌沥青混合料。这一方面是由于开级配沥青混合料内部的空隙较多，密实性不足，导致其抗弯拉性能较差；另一方面是由于冷拌沥青混合料不同于热拌沥青，其含水率较高，部分水分隐藏在试件内部，低温条件下致使试件受冻损坏。另外，环氧树脂在低温条件下表现出树脂的脆性，因此，水性环氧沥青混合料在受弯拉时易发生脆性破裂，抗低温性能较差。

4 结论

本研究利用水性环氧沥作为胶结料，对OGFC超薄磨耗层混合料进行设计并对其路用性能进行探究，结论如下。

①拌和时需要通过外加水对集料进行预润湿且矿粉必须在最后添加。经过拌和试验和马歇尔击实试验发现，当外加水量为1.5%时效果最佳。

②通过击实试验发现，选用一次性双面各击实75次后60 ℃养生7 d的制样养护方法最佳，有利于混合料强度的形成。

③采用修正马歇尔击实试验，并通过对不同油石比马歇尔试件的稳定度、流值析漏损失和飞散损失进行考察，发现当油石比为7.5%时，水性环氧沥青OGFC超薄磨耗层混合料的性能最佳。

④通过对混合料路用性能进行测试可以发现，水性环氧沥青混合料的高温性能、水稳定性均满足GB/T 38990—2020中技术要求，但其低温抗裂性较差，若在严寒地区使用需进一步改善其低温韧性。

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