环氧乳化沥青混合料配合比的设计方法

2019-06-05王孝贤牛小虎陈忠达常艳婷惠丹丹庞世华陈峙峰

筑路机械与施工机械化 2019年5期

王孝贤，牛小虎，陈忠达，常艳婷，4，惠丹丹，庞世华，陈峙峰

（1．渭南市公路工程建设处，陕西渭南 714000；2．许昌华杰公路勘察设计有限责任公司，河南许昌 461000；3．长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064；4．加州大学尔湾分校，加州尔湾CA 92697；5．河南宏盛工程监理有限公司，河南周口 466000）

0 引言

随着交通量逐年增大，大量高等级公路沥青路面出现较严重的早期病害，受低温和水等因素的影响，破损路面无法得到及时、快速的修补［1－2］，从而使路面病害进一步恶化。因此，开发一种在潮湿、低温状态下修补沥青路面的材料十分必要，其中对环氧乳化沥青混合料的研究具有重要的现实意义［4－6］。

环氧乳化沥青混合料的性能取决于环氧树脂、固化剂及乳化沥青的配比和混合料的配合比，但是目前尚无相对成熟的配合比设计方法。赵乐［7］以修正马歇尔试验方法为基础，通过对不同环氧树脂掺量的沥青混合料进行劈裂试验、车辙试验等，得出不同环氧树脂掺量对沥青混合料性能的影响。王锋［8］基于修正马歇尔试验方法，分析了不同环氧乳化沥青含量和级配对环氧乳化沥青混合料的影响。李泉等［9］采用修正马歇尔试验方法成型马歇尔试件，并测定了其劈裂强度、单轴抗压强度、高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能。以上研究均采用交通部阳离子乳化沥青课题协作组提出的修正马歇尔试验方法，虽然适用于乳化沥青混合料，但并不完全适用于环氧乳化沥青混合料。

本文首先通过分析环氧乳化沥青各组分用量对其性能的影响，优化其配方，从而配制出性能优异且稳定的环氧乳化沥青；然后以马歇尔试验方法和修正马歇尔试验方法为基础，研究环氧乳化沥青混合料的配合比设计方法，对修正马歇尔试验方法进行再修正，形成再修正马歇尔试验方法（简称再修正马氏法）；最后通过高温性能、低温性能和水稳定性能试验对环氧乳化沥青混合料进行检验。

1 环氧乳化沥青配方优化

环氧乳化沥青由环氧树脂、固化剂和乳化沥青组成［10－11］。环氧树脂乳液的掺加能够使沥青冷裂、热熔的特性得到较大程度的改善。试验用固化剂是有机酸酐固化剂，与多元胺类固化剂相比，其具有与水性环氧树脂配合量大、挥发性小、使用方便等优点［12］。乳化沥青由SK90基质沥青和GYZ－01乳化剂配制而成，其中油水比为50∶50［13］。环氧乳化沥青配方优化以变异的正交试验［14－15］为基础，以针入度（100g，25℃，5s）和5℃延度为指标。不同配方的环氧乳化沥青性能试验结果如图1所示。

各组配方的环氧树脂A、固化剂B和乳化沥青C的用量见表1。

表1 环氧乳化沥青配方%

从极差角度出发，各因素水平与针入度和延度的关系如图2、3所示。

图1 不同配方的环氧乳化沥青的性能试验结果

对于针入度而言，为充分发挥环氧乳化沥青混合料冷态修补的优势，使其能够在低温潮湿的条件下修补路面，应以针入度小为优化条件，则环氧乳化沥青的最佳水平组合为A1B3C3。

由于环氧乳化沥青的延度通常远小于一般改性乳化沥青，因此，以延度为指标时，应尽可能取较大值，则环氧乳化沥青的最佳水平组合也为A1B3C3。

由此可见，环氧乳化沥青的最佳水平组合为A1B3C3，即乳化沥青、水性环氧树脂和固化剂的质量比为85∶10．5∶4．5。

2 环氧乳化沥青混合料配合比设计

2．1 拌合用水量和矿粉用量

拌合用水量和矿粉用量会影响乳液对主骨料的裹覆率、混合料的空隙率及混合料的压实效果。在不同拌合用水量和矿粉用量条件下，对环氧乳化沥青混合料的工作性进行观测，结果如表2所示。

由表2可知，当拌合用水量为6%、矿粉用量为6%时，环氧乳化沥青混合料具有良好的工作性。另外，强度试验结果表明，当拌合用水量为6%时，环氧乳化沥青混合料强度最大。因此，环氧乳化沥青混合料的最佳拌合用水量为6%，合理矿粉用量为6%。

2．2 矿料级配

矿料级配见表3。

2．3 固化条件与养生时间

图2 不同组合的针入度

（1）固化条件。固化条件主要包括固化温度和固化反应时间。固化温度对固化反应时间的影响较大，当固化温度较低时，固化反应时间会相应延长［16－18］。参考修正马歇尔试验方法，将养生温度提高至120℃，即固化温度为120℃。

固化温度确定后，固化反应程度主要取决于固化反应时间，固化反应程度采用环氧乳化沥青蒸发残留物的延度、针入度和黏度等性能指标来反映。各指标随固化反应时间的变化趋势如图4所示。

图3 不同组合的延度

由图4可知，在固化温度为120℃的前提下，当固化反应时间较短时（约6h内），各性能指标值变化较大；当固化反应时间达到6h后，各性能指标值变化减缓，趋于稳定，即固化反应基本完成，可以认为固化时间为6h。

（2）养生时间。在120℃的固化温度条件下养生48h后，环氧乳化沥青混合料的含水率损失率可达97%以上，与环氧乳化沥青混合料铺筑28d后的路面含水率状态接近，故将养生总时间确定为48h。

表2 不同拌合用水量和矿粉用量的混合料工作性

2．4 再修正马氏方法

环氧乳化沥青混合料强度较高，固化反应时间、养生温度的变化对其固化反应影响较大，这些特点与乳化沥青混合料有明显的不同［19－20］。用于乳化沥青混合料配合比设计的修正马歇尔试验方法是在马歇尔试验方法的基础上经修正形成的，而针对环氧乳化沥青混合料配合比设计，需在修正马歇尔试验方法的基础上进行再修正，形成再修正马氏方法。再修正主要反映在击实次数和养生温度两方面，即击实次数由50次增加至75次，养生温度由110℃升高至120℃（即固化温度）。具体方法分为初始强度测试和成型强度测试2个方面。

表3 矿料级配

图4 延度、针入度和黏度的变化趋势

（1）初始强度。制作初始强度测试试件时，试件上下两面分别击实75次，分2次击实。首先在混合料入模时，于上下两面分别击实35次，然后在常温下（15℃～25℃）进行模内养生24h，再于上下两面分别击实40次，脱模，在常温下再养生24h，养生总时间为48h。养生结束后即可测定稳定度和其他马歇尔指标，其中马歇尔稳定度即为初始强度。

（2）成型强度。与制作初始强度测试试件一样，制作成型强度测试试件时，试件上下两面分别击实75次，分2次击实。首先在混合料入模时，于上下两面分别击实35次，然后在120℃固化温度下进行模内养生24h，再于上下两面分别击实40次，脱模，在常温下再养生24h，养生总时间也为48h。养生结束后即可测定稳定度和其他马歇尔指标，其中测定马歇尔稳定度和流值时，需在60℃的水浴中浸泡30min，此时的马歇尔稳定度即为成型强度。

2．5 环氧乳化沥青最佳用量

（1）采用式（1）确定环氧乳化沥青初始用量。

式中：P为环氧乳化沥青乳液质量占矿料质量的百分率（%）；A为大于2．36mm的矿料质量占矿料总质量的百分率（%）；B为2．36～0．075mm的矿料质量占矿料总质量的百分率（%）；C为矿粉质量占矿料总质量的百分率（%）。

对于AC－13环氧乳化沥青混合料，其初始沥青用量P＝0．06×66＋0．12×28＋0．2×6＝8．52%。

（2）环氧乳化沥青最佳用量。根据式（1）确定的沥青初始用量，选定5组环氧乳化沥青用量，按再修正马氏法成型试件，并测定相应的马歇尔指标（包括密度、空隙率、饱和度、流值和初始强度等），具体结果如图5所示。

由此可得AC－13环氧乳化沥青混合料的最佳环氧乳化沥青用量为8．3%，即环氧乳化沥青蒸发残留物含量为4．77%。

图5 马歇尔试验结果

3 环氧乳化沥青混合料路用性能检验

采用热拌沥青混合料的车辙试验、低温弯曲试验以及浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究环氧乳化沥青混合料的高温性能、低温性能以及水稳定性能，以此来检验环氧乳化沥青混合料的配合比设计，具体试验结果如表4～6所示。

表4 高温车辙试验结果

表5 低温弯曲试验结果

由表4～6可知，环氧乳化沥青混合料的动稳定度高达8 182次·mm－1，远远优于热拌沥青混合料动稳定度的要求，表明其抗车辙能力强，高温性能好；低温性能和水稳定性能基本符合要求，其中环氧乳化沥青混合料的弯曲应变为1 745（10－6），残留稳定度和冻融劈裂强度比分别为74．2%和73．6%。由此表明，本文提出的环氧乳化沥青混合料配合比设计方法合理可行，以此设计的环氧乳化沥青混合料性能优良，特别是高温性能优异。