为评价水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的性能，采用先乳化后改性的方法制备水性环氧树脂改性乳化沥青，利用三因素三水平正交试验确定最佳油水比、乳化剂掺量和水性环氧树脂掺量，并以其作为微表处胶结料。
通过1h湿轮磨耗试验(WTAT)和负荷轮黏附砂试验(LWT)测定5组不同油石比微表处的磨耗值和黏附砂量，根据磨耗值或黏附砂量与油石比曲线交点确定微表处最佳油石比。
采用6d WTAT、摆值试验和渗水试验分别评价微表处的抗水损坏、抗滑性能和防水性能，通过轮辙变形试验判定水性环氧树脂改性乳化沥青微表处可用于车辙填补，并利用车辙填补试验和罩面车辙试验评价微表处的抗车辙性能。
研究结果表明：水性环氧树脂改性乳化沥青最佳油水比为65∶35，乳化剂掺量(质量分数，下同)为1.4%，水性环氧树脂掺量为4%，微表处最佳油石比在6.7%附近；微表处抗水损坏性能满足磨耗值不大于800g/㎡的技术要求，抗滑性能满足摆值不小于70BPN的技术要求，且其高出技术要求，能为行车提供较好的摩擦力；经碾压养生后的微表处渗水系数为0，防水效果好；同时，微表处的宽度变形率和车辙深度率较小，可用于路面早期压密性车辙填补(不宜用于结构性车辙填补)，经过微表处罩面后能显著提高路面的高温抗变形能力，有效恢复路面平整度。
关键词道路工程 | 水性环氧树脂 | 改性乳化沥青 | 微表处 | 性能随着中国公路由建设为主进入了“建养并举”的新阶段，路面维修养护技术，尤其是路面的预防养护技术需求十分迫切[1]。
微表处作为预防性养护的技术手段之一，可以有效地改善路面的使用性能，提高路面摩擦和防水性能，并具有常温施工速度快，对交通影响较小，能耗低等技术优势[2-6]。
Krummenauer等采用干法将铬鞣皮革残留物分别按质量比0.3%、0.5%、0.7%掺入微表处中，发现0.3%铬鞣皮革残留物的掺入能使路面开裂最小化[7]。
Son等发现随着养生时间的增加，聚合物改性乳化沥青微表处和稀浆封层的密实度与稳定度均显著增加，通过测试聚合物微表处和稀浆封层处理后路面的裂缝、车辙、粗糙度指数等，发现使用微表处后的路用性能提高了53.3%~54.2%，使用稀浆封层后的路用性能提高了21.6%~59.7%[8-9]。
Wu利用图像法确定了微表处的最佳沥青用量，并且建议采用低温弯曲试验测得的乳化沥青用量作为微表处的最佳沥青用量，发现在斜坡的出入口使用纤维微表处可以减少制动距离[10]。
Zhao'等发现在微表处中加入橡胶颗粒能够降低噪音和轻微改善路面性能，并且提出了吸声和减振理论[11]。
钟建超等研究了材料类型、级配组成及纤维掺入等对微表处路用性能的影响，认为微表处对提高路面摩擦和填补稳定性车辙的效果良好[12-14]。
黄志军等发现传统的SBR改性乳化沥青微表处黏结强度低、抗低温及疲劳开裂能力差，易出现松散、剥落、蜕皮等病害，耐久性差[15]。
孙晓立等通过模拟轮胎与路面间的作用对微表处进行了室内加速加载试验，发现改性乳化沥青的性质对微表处的耐久性影响较大[16-17]。
黎侃等对传统微表处材料添加适量聚丙烯单丝纤维，发现纤维的加入能有效改善微表处材料的黏附性和整体路用性能[18]。
综上，国内外研究者对微表处或稀浆封层的研究基本都是针对其某方面的性能，并且采用的微表处胶结料多为传统的改性乳化沥青，而传统微表处胶结料具有黏度低、黏附性不足、高温性能差等技术缺陷，需添加纤维等外加剂进行二次改性[19-20]。
水性环氧树脂是以环氧树脂微粒为分散相，以水为连续相的液相体系材料，可以在室温条件下及潮湿环境中固化，能很好地保留环氧树脂强度高和黏结力强的特点，用作微表处胶结料时，可有效弥补传统改性乳化沥青的技术缺陷。
本文首先以水性环氧树脂作为乳化沥青改性剂，利用水性环氧树脂在乳化沥青中形成的三维网状结构，改善乳化沥青整体性能，开发水性环氧树脂改性乳化沥青。
其次，以水性环氧树脂改性乳化沥青为胶结料，通过材料组成设计优化，配制微表处混合料，提高微表处的整体性能以及与原路面的黏结力，延长微表处的使用寿命。
最后，对水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的防水性能、抗滑性能以及抗车辙性能等进行综合评价，为以后大面积推广水性环氧树脂改性乳化沥青微表处提供理论依据。
1、原材料特性1.1集料粗集料采用玄武岩，细集料为石灰岩机制砂，根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[21]测试集料的各项性能，测试结果见表1、表2。
集料的各项性能指标均满足《微表处和稀浆封层技术指南(2006)》[22]的技术要求。
1.2填料填料采用矿粉和水泥，其中矿粉为磨细的石灰岩粉，水泥采用普通硅酸盐PO42.5水泥。
根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[21]和《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)[23]测试填料的性能，测试结果见表3、表4。
1.3基质沥青基质沥青采用韩国SK-90沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)测试SK-90沥青的各项性能，见表5。
1.4乳化剂乳化剂为某国产阳离子慢裂快凝型乳化剂，其性能见表6。
1.5改性剂改性剂采用水性环氧树脂及固化剂，为某国产水性环氧树脂E51及胺类固化剂，其性能见表7。
2、试验结果与分析2.1水性环氧树脂改性乳化沥青性能2.1.1制备工艺水性环氧树脂改性乳化沥青采用室内小型剪切设备自行生产，具体制备工艺如下：(1)将沥青加热至130℃。
(2)将乳化剂与水按照比例进行混合，并加热到60℃。
在加热过程中人工搅拌，保证乳化剂均匀溶解。
(3)将剪切仪放入乳液中，打开剪切仪低速剪切，将130℃的热沥青分2次缓慢加入乳液中。
(4)将沥青和乳液混合溶液在60℃下剪切30min。
(5)依次加入环氧树脂A组分和B组分，继续在60℃下低速剪切5~10min。
(6)将水性环氧树脂改性乳化沥青冷却至室温(冷却降温过程中注意搅拌，避免结皮)，贮存待用。
2.1.2性能以油水比、改性剂掺量、乳化剂掺量为控制因素，利用三因素三水平正交试验分析不同因素和水平对水性环氧树脂改性乳化沥青蒸发残留物的针入度、软化点、延度三大指标的影响，确定水性环氧树脂改性乳化沥青的最佳配比，见表8。
从表8可以看出：编号4的水性环氧树脂改性乳化沥青蒸发残留物的高温性能(软化点)及低温性能(延度)最好。
所以选择油水比为65∶35，改性剂掺量为4.0%，乳化剂掺量为1.4%的水性环氧树脂改性乳化沥青进行下一步微表处性能试验。
2.2水性环氧树脂改性乳化沥青微表处性能评价2.2.1配合比设计(1)级配选择级配选为MS-Ⅲ型，见表9，其中外加剂中矿粉掺量为8.5%，水泥掺量为1.5%。
(2)最佳油石比的确定微表处的油石比是通过1h湿轮磨耗试验(WTAT)及负荷轮黏附砂试验(LWT)共同确定，其中1hWTAT的磨耗值用于确定微表处的最小油石比，LWT的黏附砂量用于控制微表处的最大油石比。
表10和图1为微表处的1hWTAT及LWT试验结果。
根据表10和图1可知：微表处的最佳油石比在6.7%附近，由于在实际应用时要结合实际的交通、气温与降水等环境因素对最佳油石比进行修正，因此在后续试验中取理论最佳油石比的附近用量6.5%和7.0%的2个油石比，进行微表处的性能评价。
2.2.2性能评价2.2.2.1抗水损坏能力采用6ｄWTAT的磨耗值来表征微表处的抗水损坏能力，见表11。
从表11可以看出：(1)油石比为6.5%和7.0%的水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的抗水损坏能力均满足规范要求。
通过对SK-90沥青和水性环氧树脂改性乳化沥青进行135℃黏度试验发现(其135℃黏度分别为0.36，1.17Pa·s)，水性环氧树脂的加入可以明显提高乳化沥青的黏度，有效改善乳化沥青与集料的黏结力，增强对集料的握裹力，从而显著提升微表处的抗水损坏能力。
(2)随着油石比的增大，水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的磨耗值逐渐减小，即微表处的抗水损坏能力越来越强。
同时，在试验过程中发现，随着油石比的增大，微表处未出现单独的分散、剥离的松散颗粒，没有分块聚团以及用手触碰就会有颗粒剥落的现象，黏结效果很好，整体性较好。
2.2.2.2抗滑性能为了测试水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的抗滑性能，本文在室内模拟现场摊铺，并采用《公路路基路面现场测试规程》(JTG E 60-2008)中的摆式仪测定其抗滑性能。
在制作水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的抗滑测试试件时，采用4cmAC-13＋1cm微表处的结构。
首先在30cm(长)×30cm(宽)×5cm(高)车辙试件的试模中垫入1cm的钢板，成型AC-13车辙试件，在室内静置48h。
然后将成型AC-13车辙试件的模具拆卸，拿出试件和钢板，并将成型的4cmAC-13车辙试件重新放入试模中。
最后，将水性环氧树脂改性乳化沥青微表处铺筑在4cmAC-13试件上，形成4cmAC-13＋1cm微表处试件，并将试件在(60±2)℃烘箱中养生16h以上，取出放至室温后进行抗滑性能试验，抗滑试件见图2。
利用摆式仪测试微表处的摩擦因数，每种油石比微表处测定5次，试验结果见表12。
从表12可以看出：(1)微表处标准摆值相对于一般路面设计交工时应满足不小于70BPN的要求，2种油石比下的微表处摆值均满足规范要求，并且高出10%～14%，这是由于采用水性环氧树脂改性乳化沥青作为微表处胶结料，其破乳时随着水分的蒸发，微表处表面变得比较粗糙，同时，水性环氧树脂的加入能够有效提高沥青与集料的黏结性，使得细集料不易松散、剥落，增加了其对轮胎的摩擦力。
(2)随油石比的升高，水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的摆值降低，但是变化幅度不大。
通过试件可观测到微表处表面十分粗糙，当将水性环氧树脂改性乳化沥青微表处用于路面养护时，可以为行车提供较好的摩擦力，增加行车的安全性。
2.2.2.3防水性能按照制作抗滑试件的方法制作防水性能试件，并进行渗水系数测定，在试验过程中发现，直接进行摊铺的微表处，渗水系数可达100ml/min，这与微表处防水作用不符。
调整试件的养生方法，即在试件养生的过程中，对试件进行轻碾压实，模拟微表处通车后的行车压实，共碾压5次。
将碾压后的试件进行渗水试验，每种油石比试件做3组平行试验，试验结果见下页表13。
从表13可以看出：(1)当微表处未进行碾压，借助摊铺及重力进行自密实时，微表处防水效果并不好，渗水系数过大。
微表处在拌和过程中，加入的水及乳化沥青中含有的水容易导致微表处中的水分过多，当水分全部蒸发时，微表处的内部空隙率可超过10%，甚至更大，导致渗水效果明显，防水效果不好；由于微表处在拌和搅拌作用下，引起水性环氧树脂改性乳化沥青起泡，气泡的介入导致混合料的空隙率增大，在水分蒸发的过程中，环氧树脂开始固化，形成初期强度，微表处很难在固化时依靠自身重力和流动性进行自密实。
(2)在出现渗水系数过大后，对试件模拟行车压实，进行轻型碾压。
碾压后发现无论油石比为6.5%还是7.0%，其渗水系数均为0，防水效果较好。
因此，建议在微表处施工过程中采用轻型碾压，或者及时开放交通，通过控制行车速度来进行微表处的初期碾压，以达到更好的密实度和防水效果。
2.2.2.4抗车辙性能微表处的两大作用分别为车辙填补和罩面。
本文通过室内设计微表处填补车辙试验和罩面车辙试验，分别研究水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的抗车辙性能。
(1)轮辙变形试验轮辙变形试验主要用于评价微表处抗车辙能力，主要指标为宽度变形率和车辙深度率，宽度变形率和车辙深度率越大，说明微表处抗车辙性能越差，反之亦然。
每种油石比微表处做3组平行试验，轮辙变形试件见图3，试验结果见表14。
从表14可以看出：2种油石比微表处的宽度变形率和车辙深度率均随油石比的增加呈上升趋势，但均符合规范要求，说明油石比6.5%和7.0%微表处的抗车辙性能满足要求，可用于车辙填补。
(2)车辙填补试验在室内模拟微表处车辙填补试验，并对车辙填补后的微表处进行抗车辙能力分析。
首先，成型30cm(长)×30cm(宽)×5cm(高)AC-13车辙试件并进行车辙试验，车辙深度约5ｍｍ。
其次，将约5ｍｍ车辙深度的AC-13试件表面用水清洗干净、晾干。
最后，将水性环氧树脂改性乳化沥青微表处摊铺在其上，将试件放入60℃烘箱养生16h以上，取出放至室温等待试验，见图4。
将填补车辙后的试件进行车辙试验，每种油石比微表处做3组平行试验，试验结果见表15。
由图4可以看出：车辙填补后，恢复了试件的平整度，当用于实际路面时可以满足车辆行驶的平稳要求。
因此水性环氧树脂改性乳化沥青微表处不宜用于结构性车辙填补，可以用于压密性车辙填补，以恢复路面平整度。
从表15可知：车辙填补后的微表处动稳定度均满足规范的要求[24]，但车辙填补后的微表处试件动稳定度相对于AC-13试件并没有提高，这是由于本文模拟的车辙为路面出现的早期压密性车辙，采用微表处对此类车辙进行填补时只能延缓而不能彻底遏止其发展。
(3)罩面车辙试验制作水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的罩面车辙试件时，设计罩面微表处厚度为1cm，即采用4cmAC-13＋1cm微表处的结构。
首先在30cm(长)×30cm(宽)×5cm(高)车辙试件的试模中垫入1cm的钢板，成型AC-13车辙试件，在室内静置48h。
然后将成型AC-13车辙试件的模具拆卸，拿出试件和钢板，并将成型的4cmAC-13车辙试件重新放入试模中。
最后将水性环氧树脂改性乳化沥青微表处铺筑在4cmAC-13试件上，形成4cmAC-13＋1cm微表处的试件，将试件在(60±2)℃烘箱养生16h以上，取出放至室温进行车辙试验，每种混合料做3组平行试验，结果见表16。
从表16可知：4cmAC-13＋1cm水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的动稳定度比传统的AC-13混合料的动稳定度高30%以上，说明利用水性环氧树脂改性乳化沥青微表处罩面后能显著提高路面的高温抗变形能力，这主要是环氧树脂固化后形成的网络交联结构在一定程度上吸附了沥青，提高了微表处的高温稳定性；相对于油石比为6.5%的微表处，油石比为7.0%的微表处动稳定度下降了10%左右，说明油石比的增加会降低罩面车辙后微表处的高温抗变形能力。
3、结语(1)通过三因素三水平正交试验确定的水性环氧树脂改性乳化沥青的最佳配比为油水比为65∶35，改性剂掺量为4.0%，乳化剂掺量为1.4%。
(2)通过摆值、渗水、轮辙变形、车辙填补及罩面车辙试验发现，水性环氧树脂改性乳化沥青微表处具有良好的防滑性能、防水效果以及抗车辙性能，但施工后应控制好通车时间，及时利用行车进行碾压密实或采用轻型压路机进行压实，才可以达到不透水的效果。
同时，水性环氧树脂改性乳化沥青微表处可用于路面早期压密性车辙填补，不宜作为结构性车辙填补。
(3)油石比为7.0%的微表处抗水损坏能力和防水性能均优于油石比为6.5%的微表处，而罩面车辙后微表处的高温抗变形能力则刚好相反，说明在雨水较多的地区应选择7.0%油石比的微表处，而在温度较高地区应选择6.5%油石比的微表处。
(4)本文中的水性环氧树脂改性乳化沥青低温柔韧性较低，后续研究中可通过加入增韧剂(如马来酸二辛酯)来提高其低温柔韧性，也可在微表处中添加纤维来进一步提高其低温性能。
全文完。
首发于《长安大学学报(自然科学版)》2017年9月。
作者简介:季 节(1972-),女,河南信阳人,教授,工学博士