李 泉，吳超凡，2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004; 2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

0 前言

國外在上世紀60年代就開始研究環(huán)氧樹脂改性石油瀝青，1967年環(huán)氧樹脂瀝青混合料首次成功應(yīng)用于美國San Mateo.Hayward 大橋正交異性剛橋面的鋪裝層［1］。目前，環(huán)氧瀝青的應(yīng)用和研究不斷深入，是鋼橋面鋪裝、路面磨耗層和超、重載交通道路的理想筑路材料，而關(guān)于環(huán)氧乳化瀝青的研究尚處于起步階段，相應(yīng)的試驗方法和設(shè)計指標都不成熟［2］。環(huán)氧乳化瀝青不僅可用作瀝青混合料的結(jié)合料，還可以用于微表處和稀漿封層的粘結(jié)材料以及應(yīng)力吸收層、透層、粘層等［3］。何遠航和曾德亮［3，4］等提出了環(huán)氧乳化瀝青在公路養(yǎng)護中的應(yīng)用;長安大學(xué)惠丹丹和趙亞萍［5，6］等提出了環(huán)氧乳化瀝青的改性機理和配合比的設(shè)計方法。本文采用45°斜剪試驗與拉拔試驗確定具有最強粘結(jié)強度時乳化瀝青中環(huán)氧的摻量［7－10］，并以此環(huán)氧摻量的環(huán)氧乳化瀝青與原樣乳化瀝青通過室內(nèi)試驗測試與評價其冷拌瀝青混合料路用性能。

1 試驗用材料

1.1 乳化瀝青

試驗研究采用的結(jié)合料是由慢裂拌和型陽離子乳化瀝青和自主研制的環(huán)氧復(fù)合而成的乳化環(huán)氧瀝青，乳化瀝青技術(shù)指標測定結(jié)果如表1所示，符合JTG F40－2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱 F40)［10］技術(shù)要求。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標測試結(jié)果

1.2 乳化環(huán)氧瀝青

采用自主研發(fā)的優(yōu)質(zhì)環(huán)氧與乳化瀝青經(jīng)研磨復(fù)配而成的環(huán)氧乳化瀝青。

1.3 集料

試驗用集料為石灰?guī)r碎石，分為0～2.36 m、2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm 和 9.5～13.2 mm共4 檔，試驗結(jié)果見表2、表3，均滿足 F40 規(guī)范要求。

1.4 混合料礦料級配與配合比設(shè)計

混合料礦料級配采用F40 規(guī)范中的AC－13 級配，級配合成曲線見圖1所示，經(jīng)混合料配合比試驗，確定AC－13 冷拌環(huán)氧瀝青混合料的油石比為4.5%。

表2 粗集料的技術(shù)指標

表3 細集料的技術(shù)指標

圖1 瀝青混合料級配曲線

2 乳化環(huán)氧瀝青粘結(jié)性能試驗

瀝青與集料及界面的粘結(jié)性能表征了瀝青與集料及界面相互匹配的優(yōu)劣，能直接表明瀝青的性能，研究這種性能試驗的方法很多，其中剪切與拉拔試驗是最有效的方法之一。為了更好的模擬路面實際情況，首先在試驗室用300 mm ×300 mm ×50 mm試模成型 300 mm ×300 mm ×50 mm 的車轍試件，脫模后再裝入300 mm×300 mm ×100 mm 試模內(nèi)，然后分別在不同的試件上涂刷摻配了0%(原樣乳化瀝青)、15%、20%、25%、30%、35%環(huán)氧的乳化環(huán)氧瀝青，涂刷量均為0.4 kg/m2，待乳化瀝青破乳干燥后，再在上面成型第2 層50 mm 的車轍試件，最后把脫模后的300 mm×300 mm×100 mm 試件切割成100 mm×100 mm×100 mm 的試件，用來做剪切與拉拔試驗，以此來確定環(huán)氧瀝青的最佳用量。

2.1 剪切試驗

剪切試驗采用斜剪法，為此自研了45°的斜剪夾具，見圖2。試驗時先將100 mm ×100 mm ×100 mm 試件與斜剪夾具一起放入50 ℃ ±1 ℃烘箱內(nèi)恒溫4 h，然后將夾具裝入帶恒溫試驗箱的材料試驗機上，逐一取出試件進行斜剪試驗，試驗時的加載速度為10 mm/min，通過試驗測得的荷載－變形曲線，利用公式(1)計算乳化環(huán)氧瀝青的層間粘結(jié)抗剪強度:

式中:P剪為剪切強度，MPa;F 為最大壓力，N ;A 為粘結(jié)面積，mm2。

剪切試驗結(jié)果見圖3。

圖2 剪切試驗

2.2 拉拔試驗

拉拔試驗(圖4)采用直接拉伸法:把切割好的100 mm×100 mm ×100 mm 試件上下底面打磨干凈、平整，用高強環(huán)氧樹脂將拉拔夾具模板粘在試件的上下底面，在室內(nèi)常溫下靜置24 h，待樹脂膠固結(jié)后將試件放在50 ℃ ±1 ℃的烘箱中恒溫4 h，然后進行拉拔試驗。拉力垂直作用于試件，拉伸速度為10 mm/min，如圖4所示，記錄拉伸試驗曲線，利用公式(2)計算乳化環(huán)氧瀝青的層間直接拉伸強度:

式中:σ 為粘結(jié)強度，MPa;F 為破壞荷載，N;A 為試件粘結(jié)面積，mm2

拉抻試驗結(jié)果見圖5。

圖4 拉拔試驗

圖5 拉拔強度

2.3 試驗結(jié)果與分析

由圖3、圖5可得剪切強度和拉拔強度隨著環(huán)氧瀝青摻量的增加先上升然后下降，當環(huán)氧摻量為20.9%時，其剪切強度得到最大值為1.01 MPa，當環(huán)氧摻量為20.8%時，其拉拔強度得到最大值為0.075 MPa。為了更好地分析拉拔強度和剪切強度之間的內(nèi)在關(guān)系，對拉拔強度和剪切強度進行回歸分析得出剪切強度和拉拔強度的關(guān)系曲線，見圖6所示，由圖可知:剪切強度與拉拔強度具有良好的線性相關(guān)性。結(jié)合剪切強度與拉拔強度，環(huán)氧摻量為21%時乳化環(huán)氧瀝青的粘結(jié)強度最大，以此為最佳用量。

圖6 剪切強度與拉拔強度的關(guān)系

3 冷拌瀝青混合料使用性能試驗

試驗采用本文1.4 節(jié)中的配合比、4.5%的油石比和1%的水泥，含水量以乳化瀝青和集料含水總量為準，以摻0%和21%環(huán)氧的環(huán)氧乳化瀝青作為膠結(jié)料進行冷拌瀝青混合料使用性能的檢驗與比較。參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41－2008)［11］中的廠拌冷再生試驗方法成型和養(yǎng)護馬歇爾試件，采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20－2011)［12］中的方法成型車轍試件，養(yǎng)護后進行劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和低溫彎曲試驗。

3.1 測試方法

按照規(guī)范規(guī)定方法進行劈裂強度和低溫彎曲試驗測試冷拌乳化瀝青混合料的力學(xué)性能與低溫抗裂性能。對于高溫穩(wěn)定性測試，車轍試件成型后先在60 ℃恒溫箱中養(yǎng)護42 h，試驗前再將試件放在60℃恒溫箱中6 h，完成后進行60 ℃車轍試驗。對于水穩(wěn)定性測試，采用標準浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗綜合比較兩種冷拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果均列于表4中。

表4 各瀝青混合料使用性能測試結(jié)果

3.2 試驗結(jié)果與分析

由表4的試驗結(jié)果可直觀比較得出環(huán)氧乳化瀝青冷拌瀝青混合料的強度得到了很大的提高，擁有了更好的劈裂強度、彎拉強度、動穩(wěn)定度、抗變形能力、水穩(wěn)定性和破壞應(yīng)變，使其力學(xué)性能和路用性能得到提高。通過對環(huán)氧乳化瀝青的原理分析，在固化劑作用下，分子量較大的高分子化合物環(huán)氧樹脂分子可以沖破瀝青分子的阻礙，于薄膜之中均勻分布，相互交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抵抗外力破壞的能力得到提高［6］。由試驗結(jié)果也可得出環(huán)氧乳化瀝青冷拌瀝青混合料破壞勁度模量和凍融劈裂的殘留強度比有所降低，可知環(huán)氧乳化瀝青混合料隨著強度與高溫穩(wěn)定性的提高，其低溫性能略有下降。

4 結(jié)語

1)通過剪切試驗與拉拔試驗確定在乳化瀝青中摻加環(huán)氧的最佳摻量為21%，此時環(huán)氧乳化瀝青的粘結(jié)強度最大。

2)原樣乳化瀝青與摻21%環(huán)氧的環(huán)氧改性乳化瀝青的冷拌瀝青混合料使用性能對比試驗可知，后者具有更好的力學(xué)性能和路用性能。

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