楊 忠，趙寶俊，劉夢(mèng)梅，潘 俊

（1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075；2.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；3.中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引 言

無(wú)論是舊路加鋪改造還是橋面鋪裝，黏層材料的性能都是決定道路耐久性的最重要影響因素之一［1-5］。黏層材料主要是快裂或中裂乳化瀝青、改性乳化瀝青，也可采用快裂或中裂液體瀝青［6-11］，但后者由于制作成本高、施工環(huán)境惡劣、效率低，在工程中已較少使用。乳化瀝青具有常溫施工、無(wú)毒無(wú)味、成本低等優(yōu)點(diǎn)［12-13］，相比于普通乳化瀝青，改性乳化瀝青的力學(xué)性能、高低溫性能、耐疲勞性和水穩(wěn)定性等能夠得到改善［14-16］。因此，改性乳化瀝青常用作橋梁鋪裝和道路工程的黏結(jié)材料。

水性環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的黏結(jié)性，在黏結(jié)劑、復(fù)合材料、涂層等方面應(yīng)用廣泛［17］。將具有高黏性能的水性環(huán)氧樹脂按一定比例摻入到普通乳化瀝青中可制備水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青黏層材料［18-19］。本文模擬工程中道路加鋪改造和橋面鋪裝的層間受力情況，進(jìn)行不同環(huán)氧樹脂摻量、不同試驗(yàn)溫度和不同的層間接觸紋理情況下的剪切和拉拔試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的黏結(jié)性能。

1 原材料

采用埃索90＃道路石油瀝青作為乳化瀝青的基質(zhì)瀝青。實(shí)驗(yàn)室自制的乳化劑性能指標(biāo)如表1所示。pH調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑分別選用鹽酸和聚乙烯醇（PVA）?；|(zhì)乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)及規(guī)范要求如表2所示。

表1 乳化劑的性能指標(biāo)

表2 基質(zhì)乳化瀝青的技術(shù)性質(zhì)

本研究所使用的水性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)如表3所示。為互補(bǔ)聚酰胺類和多乙烯多胺類固化劑的優(yōu)缺點(diǎn)，配制了固化時(shí)間適宜、不易揮發(fā)且刺激性氣味較小的常溫水性環(huán)氧樹脂固化劑，摻量為25%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 黏層材料的制備

制備基質(zhì)乳化瀝青時(shí)，先將基質(zhì)瀝青加熱到140℃～150℃，使其處于流動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)，準(zhǔn)備溫度為80℃的熱水，通過添加鹽酸控制水溶液的pH值為2～3；然后將1.2%乳化劑摻入到溶液中，并充分?jǐn)嚢瑁谷榛瘎┚鶆虻胤稚⒃谒芤褐行纬扇榛?；將乳化液緩慢地倒入已預(yù)熱的乳化機(jī)中，進(jìn)行30s攪拌，隨后緩慢加入基質(zhì)瀝青，攪拌4min制得基質(zhì)乳化瀝青，水油比為6∶4。

表3 水性環(huán)氧樹脂的技術(shù)性質(zhì)

2.2 試件的制備

試驗(yàn)中，成型“5cm水泥混凝土板（表面拉毛）、黏層材料、5cm AC-10瀝青混合料”和“5cm水泥混凝土板（表面光滑）、黏層材料、2cm UTFL-13瀝青功能層”2種復(fù)合板（圖1），分別模擬新建道路和磨光舊路面改造的層間情況［20-21］。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，黏層材料的最佳用量選為1.0kg·m-2。其中，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青中環(huán)氧樹脂的摻量分別為0、10%、20%、30%和40%；同時(shí)，設(shè)置了改性乳化瀝青對(duì)照試驗(yàn)組。改性乳化瀝青為4%的SBS改性劑對(duì)陽(yáng)離子乳化瀝青進(jìn)行改性所得?；旌狭蠑備佂瓿珊螅瑢?duì)板件進(jìn)行14次往返碾壓，之后在室溫下養(yǎng)護(hù)3d再鉆取芯樣，芯樣直徑為9.5cm。

圖1 試件的制備

2.3 剪切試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)選用長(zhǎng)安大學(xué)新型路面研究所自主研發(fā)的HS-SSⅠ型直剪儀，其技術(shù)指標(biāo)如表4所示。以抗剪強(qiáng)度和剪切極值位移分別作為黏層材料橫向黏結(jié)性能和塑性性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)?？辜魪?qiáng)度越大，說明材料的橫向黏結(jié)性能越好；剪切極值位移越大，說明材料的橫向塑性性能越好，不易發(fā)生脆性破壞。

表4 HS-SSⅠ型直剪儀的技術(shù)指標(biāo)

2.4 拉拔試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)選用長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院自主研發(fā)的LGZ-1型拉拔儀來(lái)進(jìn)行，拉拔速率為5mm·min-1。以抗拉強(qiáng)度和拉拔極值位移分別作為黏層材料豎向黏結(jié)性能和塑性性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。與剪切試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)相似，抗拉強(qiáng)度越大，說明材料的豎向黏結(jié)性能越好；拉拔極值位移越大，說明材料的豎向塑性性能越好。

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 層間光滑剪切試驗(yàn)

本文在光滑的水泥混凝土上加鋪UTFL-13瀝青功能層，模擬超薄瀝青功能層加鋪于舊水泥混凝土路表的情況。環(huán)氧樹脂摻量分別選取10%、20%、30%、40%，在5℃、25℃和60℃的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并以普通乳化瀝青和改性乳化瀝青作為對(duì)照試驗(yàn)組。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 層間光滑時(shí)抗剪試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高，且均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度。

（2）水性環(huán)氧樹脂提高了黏層材料的剪切極值位移。雖然隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，剪切極值位移逐漸減小，但均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂能夠改善層間材料的塑性性能，降低發(fā)生脆性破壞的概率，但摻量不宜過大。

（3）溫度是抗剪強(qiáng)度的重要影響因素之一，抗剪強(qiáng)度隨著溫度的升高而急劇地減小。60℃條件下，雖然水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度大幅度下降，但相較于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，仍保持在較高水平（≥0.195MPa）。

綜上所述，無(wú)論是在低溫、常溫還是高溫條件下，水性環(huán)氧樹脂都能顯著地提高乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度和剪切極值位移，且試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，其抗剪性能均優(yōu)于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦水性環(huán)氧樹脂的摻量為10%～20%。

為研究水性環(huán)氧樹脂對(duì)層間材料抗剪能力和塑性性能的綜合作用，將抗剪強(qiáng)度與相應(yīng)的剪切極值位移乘積作為黏層材料的黏韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖3所示。

圖3 層間光滑時(shí)抗剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度與極值位移乘積結(jié)果

由圖3可知，乳化瀝青摻加水性環(huán)氧樹脂后，抗剪強(qiáng)度與相應(yīng)的剪切極值位移的乘積遠(yuǎn)大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青具有高黏韌性。5℃時(shí)，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，乘積表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；而在25℃和60℃時(shí)，乘積起初顯著增加，但當(dāng)摻量達(dá)到20%后，乘積又趨于平穩(wěn)。所以建議水性環(huán)氧樹脂的摻量為10%～20%。

3.2 層間粗糙剪切試驗(yàn)

本研究在拉毛水泥混凝土表面加鋪AC-10瀝青混合料，用以模擬新建路面結(jié)構(gòu)關(guān)系良好的情況，環(huán)氧樹脂摻量和試驗(yàn)溫度與層間光滑剪切試驗(yàn)一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 層間粗糙時(shí)抗剪試驗(yàn)結(jié)果

圖5 層間粗糙時(shí)抗剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度與極值位移乘積結(jié)果

由圖4可知，層間粗糙剪切試驗(yàn)與層間光滑試驗(yàn)具有相似的結(jié)論。

（1）在低溫、常溫和高溫狀態(tài)下，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高，且均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度。

（2）剪切極值位移隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸減小，但均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的位移。

（3）溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響顯著，抗剪強(qiáng)度隨著溫度的升高而減?。磺译S著溫度升高，極值位移逐漸增大。

（4）與層間光滑試件的抗剪強(qiáng)度相比，相同試驗(yàn)條件下，層間粗糙的抗剪強(qiáng)度較大。因?yàn)樵趯娱g粗糙的情況下，抗剪強(qiáng)度不僅由水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的黏結(jié)力構(gòu)成，還受層間摩阻與嵌擠作用的影響。

由圖5可知，層間粗糙狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度與極值位移的乘積和層間光滑時(shí)的規(guī)律基本一致。水性環(huán)氧樹脂的兩項(xiàng)乘積遠(yuǎn)大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青。5℃時(shí)，乘積隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而減??；摻量在20%～30%時(shí)變化顯著，20%摻量時(shí)乘積達(dá)到最大值。25℃和60℃時(shí)，當(dāng)摻量達(dá)到10%后，乘積逐漸趨于平穩(wěn)。

3.3 層間光滑拉拔試驗(yàn)

路面各結(jié)構(gòu)層的差異變形和車輛荷載導(dǎo)致黏結(jié)層受力情況復(fù)雜。黏結(jié)層不僅受到水平方向的剪切力，還受豎直方向拉拔力的作用。剪切試驗(yàn)所得結(jié)果受到了層間摩阻力的影響，不能用來(lái)評(píng)價(jià)層間材料自身黏結(jié)性能，還需對(duì)黏層材料進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)中，環(huán)氧摻量和溫度變量與層間光滑剪切試驗(yàn)一致，拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 層間光滑時(shí)拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）黏層材料的抗拉強(qiáng)度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增大而逐漸提高。即水性環(huán)氧樹脂的添加有效地改善了黏層材料的豎向黏結(jié)性能。

（2）拉拔極值位移隨環(huán)氧樹脂摻量的增大而逐漸減小，但均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂能夠改善黏層材料的豎向塑性性能，但隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增大改善效果逐漸減弱。因此，環(huán)氧樹脂的摻量以10%～20%為宜。

（3）溫度對(duì)水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青抗拉強(qiáng)度的影響顯著，抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而減小。

3.4 層間粗糙拉拔試驗(yàn)

層間粗糙時(shí)拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，與層間光滑抗拉試驗(yàn)相比，層間粗糙的水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果相差不大。這是因?yàn)榭估瓘?qiáng)度主要受黏層材料黏結(jié)力的影響，與層間接觸面紋理的關(guān)系不大。

圖7 層間粗糙時(shí)拉拔試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用埃索90?；|(zhì)瀝青、水性環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇以及乳化劑和固化劑配制成水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青層間黏結(jié)材料，并對(duì)光滑和粗糙的層間接觸紋理試件進(jìn)行了剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）水性環(huán)氧樹脂能夠改善乳化瀝青的力學(xué)性能，其抗拉、抗剪強(qiáng)度均大于普通乳化瀝青及4%SBS改性乳化瀝青。因此，作為黏層材料，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青具有足夠的優(yōu)勢(shì)。

（2）環(huán)氧樹脂的摻量對(duì)乳化瀝青黏結(jié)性能具有顯著的影響，黏層材料的抗剪、抗拉強(qiáng)度隨其摻量增加而提高，而極值位移隨其摻量的增加而減小。因此，推薦環(huán)氧樹脂的摻量為10%～20%。

（3）溫度對(duì)水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的黏結(jié)性能具有顯著影響：溫度升高，黏層材料的抗拉、抗剪強(qiáng)度減小。

（4）層間接觸情況對(duì)水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的黏結(jié)性能具有一定影響：剪切試驗(yàn)中，由于層間粗糙試件受接觸面摩阻力的影響，抗剪強(qiáng)度和相應(yīng)極值位移均顯著大于層間光滑的情況；但層間接觸形式對(duì)抗拉強(qiáng)度及相應(yīng)極值位移的影響較小。