顏國(guó)珍，鄧家喜

(1.廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530026；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007)

0 引言

自1988年我國(guó)第一條高速公路建成通車(chē)以來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)已取得舉世矚目的成就。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，至2020年年底，我國(guó)高速公路里程已達(dá)到16.10萬(wàn)km，穩(wěn)居世界第一。早期建成投入使用的瀝青路面高速公路，許多出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能尚好，但使用功能劣化嚴(yán)重的現(xiàn)象，如抗滑性能不足、表面顆粒剝落、坑洞等，亟待進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。瀝青混合料薄層罩面是目前應(yīng)用較為廣泛、可快速恢復(fù)路面使用性能的養(yǎng)護(hù)手段。采用瀝青混合料薄層罩面維修養(yǎng)護(hù)時(shí)，為了降低對(duì)環(huán)境的影響及節(jié)約能源，一般會(huì)采用乳化瀝青作為粘結(jié)料進(jìn)行冷施工[1]。但是，以乳化瀝青作為罩面混合料的粘結(jié)料，存在早期強(qiáng)度低、水穩(wěn)定性差等不足，從而導(dǎo)致乳化瀝青薄層罩面混合料的使用壽命不長(zhǎng)，對(duì)路面使用性能恢復(fù)效果并不理想[2]。因此，本文將從瀝青粘結(jié)料、混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能角度出發(fā)，開(kāi)展環(huán)氧乳化瀝青薄層罩面混合料設(shè)計(jì)研究，以期為環(huán)氧乳化瀝青薄層罩面養(yǎng)護(hù)技術(shù)推廣提供理論指導(dǎo)。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用中石化90#基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)表

1.2 乳化劑

乳化劑采用上海龍浮化工生產(chǎn)的陰離子乳化劑，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 陰離子乳化劑性能指標(biāo)表

1.3 環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑

環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑采用巴陵石化生產(chǎn)的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、非離子型水溶性常溫固化劑，兩者性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑性能指標(biāo)表

1.4 礦料

采用針片狀含量低、顆粒棱角分明的抗壓強(qiáng)度高的玄武巖用作薄層罩面集料，其主要性能指標(biāo)如表4所示。礦粉采用石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。

表4 薄層罩面用集料性能指標(biāo)表

1.5 水泥

環(huán)氧乳化瀝青中的水分較多，會(huì)降低乳化瀝青破乳及環(huán)氧樹(shù)脂固化速率。因此可添加適量水泥，通過(guò)水泥與水的水化反應(yīng)可降低粘結(jié)料中的水分，同時(shí)也可提高瀝青混合料的強(qiáng)度[3]。本文水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，對(duì)其基本性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表5所示。

表5 水泥基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果表

2 環(huán)氧乳化瀝青制備

2.1 乳化瀝青制備

乳化瀝青制備過(guò)程中主要考慮油水比(瀝青與水比值)及乳化劑用量，參考現(xiàn)有相關(guān)研究，本文選用4∶6、5∶4、6∶3、7∶3油水比進(jìn)行乳化效果研究(乳化劑摻量為2%)，然后選用1.4%、1.8%、2.2%、2.6%乳化劑摻量進(jìn)行篩上剩余量試驗(yàn)及存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)。對(duì)不同油水比制備的乳化瀝青外觀進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同油水比乳化瀝青乳化效果分析表

由表6可知，油水比為5∶4時(shí)制得的乳化瀝青質(zhì)量較好，因此以該油水比制備不同乳化劑摻量的乳化瀝青進(jìn)行篩上剩余量試驗(yàn)及儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 乳化瀝青篩上剩余量試驗(yàn)及儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表

由表7可知，隨乳化劑摻量增加，乳化瀝青的篩上剩余量及儲(chǔ)存穩(wěn)定性降低，說(shuō)明乳化劑摻量越高，瀝青的均勻性及穩(wěn)定性均越好。乳化劑摻量為2.2%時(shí)，篩上剩余量<0.1%，1 d及5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性分別小于1%、5%，均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且當(dāng)乳化劑摻量>2.2%時(shí)，對(duì)乳化瀝青的改善效果開(kāi)始降低。綜合經(jīng)濟(jì)及技術(shù)考慮，本文選用2.2%乳化劑作為乳化瀝青制備摻量。

2.2 固化劑摻量選擇

環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)提高環(huán)氧乳化瀝青粘層材料的粘結(jié)性能及強(qiáng)度有較積極的影響，而固化劑摻量是環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)性能的重要因素。本文根據(jù)廠家推薦制備摻比范圍，以環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑分別為5∶1、4∶1、3∶1制備環(huán)氧樹(shù)脂乳液，并對(duì)其進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其粘結(jié)性能，拉拔試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 環(huán)氧乳化瀝青熒光顯微鏡觀察結(jié)果表

由表8可知，隨固化劑摻量增加，環(huán)氧樹(shù)脂的拉拔強(qiáng)度呈先升高后降低趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑=4∶1時(shí)，拉拔強(qiáng)度達(dá)到峰值，因此采用該摻比作為環(huán)氧樹(shù)脂乳液的配制摻比。

2.3 環(huán)氧乳化瀝青制備工藝

環(huán)氧乳化瀝青屬于環(huán)氧樹(shù)脂與乳化劑對(duì)基質(zhì)瀝青的復(fù)合改性，而環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑混合后在短時(shí)間內(nèi)即開(kāi)始發(fā)生固化，影響瀝青的粘彈性。因此本文先制備乳化瀝青，再加入環(huán)氧樹(shù)脂攪拌均勻，最后加入固化劑攪拌3 min制得環(huán)氧乳化瀝青待用。制備流程如圖1所示。

圖1 環(huán)氧乳化瀝青制備工藝流程圖

3 環(huán)氧乳化瀝青混合料配合比研究

目前薄層罩面瀝青混合料沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理論，本文采用馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行環(huán)氧乳化瀝青薄層瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂、瀝青用量及水泥用量展開(kāi)研究。環(huán)氧乳化瀝青薄層罩面瀝青混合料級(jí)配采用OGFC-5，設(shè)計(jì)空隙率范圍為18%～25%，其合成級(jí)配通過(guò)率見(jiàn)表9。

表9 OGFC-5合成級(jí)配表

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有研究成果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定環(huán)氧樹(shù)脂摻量(占瀝青用量的質(zhì)量百分比)為5%、15%、25%，環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑=4∶1，油石比為4.5%、5.0%、5.5%，水泥用量(占礦料質(zhì)量百分比)為1%、2%、3%。采用全因素水平試驗(yàn)方法，試驗(yàn)量較大，因此本文采用正交試驗(yàn)方法對(duì)配合比進(jìn)行研究，水平因素及L9(33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表10～11。

表10 正交試驗(yàn)因素水平表

表11 L9(33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果表

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)制備的9組環(huán)氧乳化瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，分別測(cè)量其毛體積密度穩(wěn)定度、空隙率、瀝青飽和度及礦料間隙率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

均值分析法是對(duì)正交試驗(yàn)相同因素水平的試驗(yàn)結(jié)果取均值，通過(guò)均值評(píng)價(jià)其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)表12結(jié)果進(jìn)行均值分析，并繪制曲線(xiàn)如圖2～6所示。

表12 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

由圖2～6可知：

圖2 毛體積密度變化趨勢(shì)圖

(1)隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量增加，毛體積密度、穩(wěn)定度、瀝青飽和度逐漸增大，空隙率及礦料間隙率減小 ，說(shuō)明隨環(huán)氧樹(shù)脂增加，瀝青混合料變得更加密實(shí)，強(qiáng)度增加，抵抗外部荷載的能力得到提高。

圖3 穩(wěn)定度變化趨勢(shì)圖

圖4 空隙率變化趨勢(shì)圖

(2)隨油石比增加，毛體積密度和瀝青飽和度呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)；礦料間隙率變化不明顯；穩(wěn)定度及呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)，并在油石比為5.0%時(shí)取得最大值；空隙率呈現(xiàn)持續(xù)減小趨勢(shì)，與環(huán)氧樹(shù)脂摻量增加時(shí)空隙率變化趨勢(shì)一致，這可能是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂在混合料中發(fā)生固化，填充了集料間的空隙。

圖5 瀝青飽和度變化趨勢(shì)圖

圖6 礦料間隙率變化趨勢(shì)圖

(3)隨水泥用量增加，毛體積密度、穩(wěn)定度及空隙率均呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，而瀝青飽和度和礦料間隙率呈現(xiàn)先增大后降低趨勢(shì)。

3.3 方差分析

為探究環(huán)氧樹(shù)脂摻量、油石比及水泥摻量對(duì)環(huán)氧乳化瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)影響的顯著性，采用SPSS對(duì)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定度、空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 方差分析結(jié)果表(P值)

由表13可知：(1)環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)混合料穩(wěn)定度的P值為0.004，<0.05，為顯著影響，油石比及水泥摻量對(duì)各指標(biāo)影響均不顯著。這可能是因?yàn)镺GFC混合料為大空隙骨架結(jié)構(gòu)，油石比及水泥摻量的變化并不足以引起體積指標(biāo)或反映高溫穩(wěn)定性的穩(wěn)定度指標(biāo)大幅度變化。

(2)環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)各指標(biāo)的影響程度排序?yàn)榉€(wěn)定度>空隙率>瀝青飽和度>毛體積密度，建議以穩(wěn)定度取得最大值時(shí)的環(huán)氧樹(shù)脂摻量為推薦值，則環(huán)氧樹(shù)脂摻量確定為25%。同理，油石比對(duì)各指標(biāo)的影響排序?yàn)榭障堵?穩(wěn)定度>毛體積密度>瀝青飽和度，水泥摻量對(duì)各因素的影響顯著性排序?yàn)榉€(wěn)定度>空隙率>瀝青飽和度>毛體積密度，建議以穩(wěn)定度取得最大值及設(shè)計(jì)空隙率取得中值時(shí)的油石比及水泥用量為推薦值，則油石比確定為5.0%，水泥用量為3%。

4 環(huán)氧乳化瀝青混合料薄層罩面路用性能研究

薄層罩面鋪筑在舊瀝青路面，對(duì)路面功能進(jìn)行恢復(fù)，并直接承受行車(chē)荷載及自然環(huán)境作用，其應(yīng)具備良好的水穩(wěn)定性能、抗剝落性能及抗滑性能，因此本文以乳化瀝青薄層罩面為對(duì)比組，從上述三個(gè)方面對(duì)環(huán)氧乳化瀝青薄層罩面混合料路用性能展開(kāi)研究。水穩(wěn)性能采用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)、抗剝落性能采用浸水飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)、抗滑性能采用人工鋪砂構(gòu)造深度試驗(yàn)評(píng)價(jià)(室內(nèi)成型車(chē)轍板作為抗滑性能試驗(yàn)試件)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表14。

表14 路用性能測(cè)試結(jié)果表

由表14可知：環(huán)氧乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性能及抗剝落性能均優(yōu)于乳化瀝青混合料，而兩者的抗滑性能基本相當(dāng)，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂固化及試件試驗(yàn)過(guò)程中水泥繼續(xù)水化，提高了瀝青與集料的粘結(jié)性能，從而提高了混合料的水穩(wěn)定性與抗剝落性能，而OGFC混合料的構(gòu)造深度大小主要取決于級(jí)配，因此受瀝青種類(lèi)影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)環(huán)氧乳化瀝青罩面混合料設(shè)計(jì)及路用性能研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)環(huán)氧乳化瀝青制備及配合比設(shè)計(jì)研究，本文推薦環(huán)氧乳化瀝青制備參數(shù)為：乳化劑摻量2.2%、油水比5∶4，環(huán)氧樹(shù)脂摻量25%、油石比為5.0%，水泥用量3%，環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑=4∶1。

(2)環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)混合料穩(wěn)定度為顯著影響，而油石比及水泥摻量對(duì)其他性能指標(biāo)影響均不顯著，但油石比及水泥摻量對(duì)性能指標(biāo)影響相對(duì)較大的分別為空隙率及穩(wěn)定度。

(3)環(huán)氧乳化瀝青薄層罩面混合料的水穩(wěn)定性能及抗剝落性能均優(yōu)于乳化瀝青混合料，而兩者的抗滑性能相當(dāng)。