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摘 要
针对目前冷补沥青混合料存在的黏结性较差、初期强度较低、耐久性不足等问题，采用水性环氧树脂对乳化沥青进行改性，并结合室内试验，对水性环氧改性乳化沥青及其混合料的路用性能进行研究:分析不同水性环氧掺量下乳化沥青的黏度、力学性能、流变性能，并确定水性环氧掺量;确定混合料的设计参数及最佳乳液用量，并测试混合料的高温、低温、水稳定性能。研究表明:水性环氧树脂掺量大于20%时，能显著提高乳化沥青的黏度、黏结强度、高温性能以及耐久性能;相比于同等条件下于的热拌沥青混合料，水性环氧-乳化沥青混合料具有较高的热稳定性、水稳定性，但低温抗弯拉应变较小，抗裂性较差。
关键词
道路工程 | 冷补沥青混合料 | 乳化沥青 | 水性环氧树脂 | 水性环氧-乳化沥青混合料
0、引言
冷补沥青混合料(冷补料)是路面养护、维修工作中常用的材料之一[1]，具有施工简便、易于维护、节能环保、受雨水环境及交通管制条件的影响较小等特点，可实现沥青路面坑槽的快速修补[2]，应用价值较高。但目前市面上的溶剂型冷补料、乳化型冷补料均存在黏结性差、初期强度低、成型较慢、耐久性较差等问题，导致冷补料修补路面坑槽的效果较差，严重限制了冷补料的应用、推广[3-4]。
环氧树脂以其良好的热稳定性、黏结特性及力学强度[5]，被广泛的应用于道路工程中，且随着水化技术的发展与成熟，极大地提高了环氧树脂的相容性与适应性[6]，拓宽了环氧树脂的应用范围。国内对于水性环氧树脂在道路材料中的应用研究，主要集中在黏层、封层、微表处及冷补料等方面，其中:常艳婷等[7]采用有限元方法对水性环氧乳化沥青黏层的抗剪性能进行分析，表明其抗剪强度随正应力的增大近似呈线性增长;曾德亮[8]对水性环氧乳化沥青雾封层进行施工应用，发现其防水、抗渗透性能明显提升;周启伟等[9]重点研究了水性环氧乳化沥青微表处的抗车辙性能，结果显示其动稳定度明显提高;张庆等[10]对不同环氧掺量下乳化沥青的黏结性及其混合料的高温、水稳等路用性能进行研究，表明环氧树脂能大幅提高乳化沥青黏度，且能够有效改善乳化沥青混合料的水稳性能。但是，就目前研究现状而言，对于水性环氧-乳化沥青及其混合料的研究仅停留在室内试验阶段，应用技术还未成熟，尚且缺乏科学合理的指标评价体系及相关的行业标准、规范等[11]。
所以，笔者以乳化型冷补料为基础，采用水性环氧树脂改性乳化沥青，研究水性环氧-乳化沥青的黏度、力学性能及流变性能，并确定水性环氧的掺配比例;同时，根据室内马歇尔试验，对水性环氧-乳化沥青混合料的设计方法进行研究，并测试其高温、低温及水稳定性能，为高性能坑槽冷补料的研发提供参考。
1、水性环氧-乳化沥青性能研究
1.1水性环氧-乳化沥青的制备
试验直接采用水性环氧树脂改性乳化沥青[12]，室温条件下，将水性环氧树脂外掺入乳化沥青中，并按照水性环氧(水性环氧乳液∶固化剂=1.5∶1)与乳化沥青质量比为:10%、20%、30%、40%、50%的比例，制备5组环氧乳化沥青，其中乳化沥青、水性环氧的技术参数如表1、表2。
1.2水性环氧-乳化沥青黏度
黏度反映了沥青的黏稠状态以及黏结性能。若沥青黏度过低，则与集料拌合时，易产生离析导致乳液散失;若沥青黏度过大，则施工和易性差。按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》黏度试验方法，测试不同环氧掺量下乳化沥青的标准黏度，试验结果如图1。
由图1可知:水性环氧树脂能够显著的提高乳化沥青的黏度，尤其是在环氧掺量大于20%时，黏度增幅最为明显，且当环氧掺量大于30%时，黏度甚至超过规范中对改性乳化沥青标准黏度要求的12~60s。笔者认为这是由于环氧树脂与固化剂反应生成的具有空间网状结构的环氧高聚物，交织于乳化沥青体系中，环氧网状结构对沥青具有一定束缚、固定作用，使得乳化沥青的整体流动性降低，从而提高了乳化沥青的稠度及黏度，且随着环氧掺量的增大，环氧高聚物与乳化沥青的交联作用越强，即当环氧掺量小于20%时，环氧与沥青交联作用较弱，黏度增长缓慢;当环氧掺量大于20%时，环氧与沥青交联作用增强，体系内网状结构愈加明显，使得乳化沥青黏度增幅较大。
1.3水性环氧-乳化沥青强度
路面在使用过程中，既承受车辆竖直方向的重力，又受到车辆行驶时水平方向的剪切力，沥青胶结料的黏结强度是路面保持稳定的重要指标，若沥青胶结料的黏结力不足，则路面承载能力较差，易松散产生坑槽等;若沥青胶结料的抗剪不足，则路面抗弯沉能力较差，易产生车辙、滑移等。
所以，分别采用拉拔试验和斜剪试验对水性环氧-乳化沥青胶结料的拉拔强度及剪切强度进行测试，其中拉拔试验，将成型、养护后的车辙板切割成50mm(长)×50mm(宽)×50mm(高)的小立方体(作为拉拔头)和1200mm(长)×50mm(宽)×50mm(高)的小长方体(作为底座)，切割的试件用清水洗净晾干后，在拉拔头与底座的切割面均匀的涂抹水性环氧-乳化沥青，并保持黏结状态;同样的，剪切试验，根据剪切仪器的要求，将车辙板切割成500mm(长)×500mm(宽)×50mm(高)的长方体，洗净晾干后，将两块试件的正方形表面均匀涂抹水性环氧-乳化沥青，保持平面垂直对齐后压实黏结。试件制备完成后，常温放置48h待其完全固化后进行测试，试验结果如图2。
由图2可知:乳化沥青初始的拉拔强度为0.1Mpa，剪切强度为0.31MPa，强度均较低，但随着环氧掺量的增加，乳化沥青的拉拔、剪切强度不断增大，近似成线性增长，且当环氧掺量为30%时，拉拔强度就达到了0.3MPa，强度提升明显。这是由于完全固化的环氧乳化沥青体系内已形成稳定的三维网状结构，沥青被充分的裹附于网状结构中，降低了乳化沥青的柔韧性，但其黏结性能及抵抗变形能力有了明显提升。
1.4水性环氧-乳化沥青流变性
环氧树脂与固化剂反应生成的固化物属于热固性材料，水性环氧-乳化沥青蒸发残留物亦会表现出热固特性，并不能采用一般蒸馏方法测试乳化沥青的高、低温性能。所以，试验采用DSR试验测试水性环氧-乳化沥青的高温稳定性及中温抗疲劳性能，其中应变值控制为γ=12%，频率控制为ω=10rad/s，温度设置为60～85℃，试验结果如图3、图4。
试验测得的相位角与车辙因子分别表征沥青胶结料的黏弹性特征及抵抗永久变形能力，其中相位角越大，则胶结料黏性特征越明显;车辙因子越大，则胶结料高温稳定性越好。由图3、图4可知:随着环氧掺量的增大，乳化沥青的相位角逐渐减小、车辙因子不断提高，且环氧掺量大于20%时，相位角变化最为明显;随着温度的升高，乳化沥青车辙因子不断减小，且变化趋于平缓，而相位角呈现先增大后减小的趋势。分析原因在于:随着环氧掺量的增大，乳化沥青可塑性减弱，弹性特征加强，逐渐凸显出树脂特性，即车辙因子逐渐增大，乳化沥青高温性能、抗疲劳性能得到提升。另外，温度的升高导致沥青塑性流变增大，黏结性能降低，但由于环氧树脂的热固性，温度越高，水性环氧-乳化沥青的抗车辙能力就取决于树脂的固化作用，又树脂的温度敏感性较低，所以，车辙因子随温度变化呈L走势。
通过对不同环氧掺量下乳化沥青的黏度、力学性能及流变性能进行测试可知，水性环氧掺量在20%时，乳化沥青的各项性能均得到明显提升，且黏度亦能满足规范要求，所以笔者拟定水性环氧的掺量为20%。
2、水性环氧-乳化沥青混合料设计与性能测试
现阶段，我国对于水性环氧-乳化沥青混合料的设计并没有统一的标准及相关规范，其配合比设计仍处于摸索阶段。所以，试验参考JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的设计方法来确定水性环氧-乳化沥青混合料设计参数并检验其路用性能。
2.1水性环氧-乳化沥青混合料参数设计
2.1.1 矿料级配设计
参考溶剂型冷补料的矿料级配的推荐范围以及结合实际工程需要[13]，采用LB-13型级配作为水性环氧-乳化沥青混合料的设计级配，具体级配参数见表3。
2.1.2试验方法设计
参考溶剂型冷补料的成型方法[13]，同样采用二次击实方法，但水性环氧-乳化沥青兼具树脂热固性与沥青热塑性的特点，其混合料在110℃养生条件下，环氧树脂迅速固化，同时随着体系内水分不断蒸发，混合料内部易出现蜂窝结构，而且由于沥青是黏弹性材料，在110℃条件下沥青塑性增大，影响沥青与环氧固化物的交联作用，进而影响混合料强度。所以笔者综合环氧树脂的热固性及沥青的热塑性特点，初步确定混合料的养生温度为60℃，试件成型方法为:双面击实25次+60℃养生的24h+双面击实25次+常温养生24h。
2.1.3矿粉用量确定
矿粉作为填料，一方面保证混合料的密实性，另一方面结合水性环氧-乳化沥青胶结料，形成冷拌沥青胶浆体系，从而提高乳液与矿料间的裹附作用，从而增强复合胶结料的黏结性能。但是矿粉不易过多，过多易导致混合料和易性较差，过少则混合料密实性差，易水损。所以，采用矿粉外掺的方式，对不同矿粉掺量下水性环氧-乳化沥青混合料的和易性及稳定度进行测试。试验结果如表4。
由表4可知:随着矿粉掺量的增大，水性环氧-乳化沥青混合料的稳定度先增大后减小，存在极值，而且在矿粉掺量为6%时，稳定度最高。结合混合料的流动性及拌合程度分析，2%的矿粉掺量较小，混合料易离析，矿料与乳液的裹附性较差，稳定度较低;8%的矿粉掺量较大，混合料拌合不均匀，矿粉存在结团现象，压实性较差，稳定度下降，所以笔者确定矿粉外掺量为6%。
2.1.4水泥用量确定
水性环氧-乳化沥青混合料强度成型过程伴随着乳化沥青的破乳、环氧树脂的固化及自由水分的散失，若要提高混合料的初期强度、水稳定性以及耐久性，就必须先加快乳化沥青的破乳，机械搅拌法可通过延长搅拌时间、增大搅拌力度等方法来加快乳化沥青的破乳，进而提高混合料的初期强度，但并不能有效地改善混合料成型后期的水稳定性以及耐久性。采用水泥代替部分矿粉的方法，促进乳化沥青的破乳[13]，且水泥的水化产物亦填充混合料缝隙，从而改善混合料水稳定性及耐久性。对不同水泥掺量下混合料的体积特征及稳定度进行试验，测试结果如表5。
由表5可知:随着水泥掺量的增加，稳定度逐渐增大，且水泥掺量为2%时，增大较为明显。结合空隙率分析，当水泥掺量小于2%时，空隙率逐渐减小，即伴随着乳化沥青的破乳以及水性环氧乳液中自由水分的蒸发，水泥水化物逐渐增多并填充混合料体系中的孔洞，从而提高混合料的密实性及强度，但水泥掺量为3%时，空隙率不降反增，表明混合料体系内水泥掺量过大，部分水泥水化还不彻底，从而影响混合料的击实效果，导致空隙率提高。所以，笔者拟定水泥掺量为2%，即矿粉外掺4%，水泥外掺2%。
2.2最佳乳液用量确定
参考热拌沥青混合料最佳油石比的计算方法，测试不同乳液用量下混合料的毛体积密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值等参数，并计算混合料的最佳乳液用量。根据经验公式[14]计算混合料乳液用量为8.7%。所以，笔者以9.0%的乳液用量为基准，并间隔0.5%，分别取8%、8.5%、9%、9.5%、10%5个比例的乳液用量进行马歇尔试验，具体结果见表6。
通过分析、总结水性环氧-乳化沥青混合料强度及体积参数变化特征，笔者提出水性环氧-乳化沥青混合料的设计要求，其中空隙率设计范围为8%~10%，饱和度范围为55%~65%，稳定度不小于8kN，流值要求20~40，且根据热拌沥青混合料最佳油石比设计方法，确定最佳乳液用量为8.83%。
2.3 水性环氧-乳化沥青混合料性能测试
试验采用相同的矿料级配、沥青种类及相同沥青用量，分别制备热拌沥青混合料与水性环氧-乳化沥青混合料马歇尔试件，并对比两者的高温、低温以及水稳定性能。
2.3.1高温性能
根据水性环氧-乳化沥青混合料的成型特性，采用修正后的车辙试验测试其高温性能，车辙板的成型分两次碾压，将拌和好的混合料倒入模具中，初次碾压7个往返后，将没拆模的车辙板试件放置60℃的烘箱中，养生24h后取出，并开始第2次碾压，再次碾压8个往返后，常温下养生48h，并根据热拌混合料动稳定度测试方法，测试其高温抗车辙能力，结果如表7。
由表7可知:水性环氧-乳化沥青混合料动稳定度明显高于热拌沥青混合料，即其具有良好的高温稳定性，这是由于沥青被锁在环氧树脂的网状结构中，热塑性特征减弱，逐渐表现出树脂的热固性特征，在60℃条件下，促进了环氧树脂的固化，从而提高了混合料抗车辙能力，同时混合料中少部分的水泥亦会继续水化反应，提高混合料的模量以及抵抗变形的能力。
2.3.2低温性能
参考热拌沥青混合料低温性能的测试方法，将成型好的水性环氧-乳化沥青混合料车辙板，切割成30mm×35mm×250mm的小梁，根据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其低温弯曲破坏能力进行测试，试验结果如表8。
由表8可知:水性环氧-乳化沥青混合料的抗弯拉强度、弯曲劲度模量明显大于热拌沥青混合料，但是其抗弯拉应变较小，即抵抗低温变形的能力较差。一方面，固化后的水性环氧-乳化沥青继承了树脂的低温硬脆性，另一方面，由于水泥水化的作用，形成的水化物一定程度上也增强了水性环氧-乳化沥青混合料的硬度和刚度。所以，水性环氧-乳化沥青混合料在低温条件下具有较高的抗弯拉强度及较小的抗弯拉应变。
2.3.2水稳定性能
按照最佳乳液用量，成型水性环氧-乳化沥青混合料马歇尔试件，根据JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其残留稳定度及冻融劈裂强度进行测试，结果见表9。
试验结果可知:水性环氧-乳化沥青混合料的残留稳定度高于热拌沥青混合料，但其冻融劈裂强度明显低于热伴沥青混合料。一方面在于，水性环氧-乳化沥青的黏附性较高、黏结性好，集料表面沥青薄膜不易剥落，从而提高了混合料抗水损能力，另一方面，混合料中的水与水反应形成的水化物亦能减小水侵蚀。所以，水性环氧-乳化沥青混合料的残留稳定度较高，但混合料低温条件下表现树脂的脆性，且空隙率较大，使得混合料抗拉能力下降，所以冻融劈裂强度较弱。
3、结论
以乳化型冷补料为改进基础，研究了水性环氧改性乳化沥青的性能;结合马歇尔试验，提出了水性环氧-乳化沥青冷补料的设计方法，并测试其路用性能，主要结论如下。
1)水性环氧树脂能够显著地提高乳化沥青的黏度、黏结性，其拉拔强度、剪切强度随环氧掺量增大，近似成线性增长。
2)水性环氧-乳化沥青兼具沥青与树脂的特性。高温条件下，水性环氧-乳化沥青表现出树脂热固特点，其高温性能及抗疲劳性能均明显提升。
3)外掺矿粉为4%、水泥为2%时，水性环氧-乳化沥青混合料的和易性、密度、空隙率及稳定度均良好。
4)分析、总结水性环氧-乳化沥青混合料体积参数及强度特征的变化规律，提出了水性环氧-乳化沥青混合料的设计要求为:稳定度不小于8kN，流值要求在20～40，空隙率控制在8%～10%，饱和度范围为55%～65%，根据热拌沥青混合料最佳油石比设计方法，确定最佳乳液用量为8.83%。
5)与热拌沥青混合料相比，水性环氧-乳化沥青混合料高温稳定性较好，抗水损害性能较强，但低温条件下，水性环氧-乳化沥青的树脂脆性较为明显，其混合料抗弯拉破坏能力较差。
来源：沥青路面
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