謝邦柱

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國公路建設(shè)迎來了大發(fā)展時(shí)期。隨著我國汽車保有量的增長、瀝青路面路齡的不斷增加以及在復(fù)雜氣候作用下，瀝青路面很容易出現(xiàn)早期輕度裂紋、集料松動和滲水等早期病害現(xiàn)象[1-3]，嚴(yán)重影響到道路行車質(zhì)量，已成為公路工程研究領(lǐng)域中亟需解決的重要議題。

針對這些突出問題，瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)顯示出良好的技術(shù)優(yōu)越性。微表處(改性乳化瀝青稀漿封層)因其開放交通快、施工工藝簡便、能有效改善原路面的耐磨耗及抗?jié)B性能，逐漸成為現(xiàn)階段行之有效的預(yù)養(yǎng)護(hù)措施。然而，目前一些實(shí)體工程研究表明，微表處相關(guān)技術(shù)仍存在耐久性差、耐候性欠佳(低溫抗裂性能不足)、抗剪切破壞能力不足等缺陷，以改性乳化瀝青為膠結(jié)料的微表處是解決上述問題的有效手段。

現(xiàn)階段，主要采用聚合物改性劑對乳化瀝青加以改性以改善其固有缺陷，最典型的是SBR改性乳化瀝青。工程應(yīng)用中，SBR改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物有極佳的低溫黏韌性能，能有效改善微表處罩面的抗裂性能；但抗高溫性能和抗車轍性能提升不明顯[4-5]。水性環(huán)氧樹脂是一種強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性佳、粘結(jié)力強(qiáng)的綠色環(huán)保材料，可作為理想的乳化瀝青改性劑。水性環(huán)氧乳化瀝青可兼顧二者的材料特點(diǎn)，以其作為膠結(jié)料應(yīng)用于微表處罩面，能表現(xiàn)出超薄、高強(qiáng)、抗滑、耐久等一系列潛在優(yōu)勢。

1 原材料

1.1 “固化劑乳化型”水性環(huán)氧體系

本試驗(yàn)中，水性環(huán)氧體系A(chǔ)組分為環(huán)氧樹脂128(油性E-51)，購自巴陵石化，B組分為水性環(huán)氧固化劑，為實(shí)驗(yàn)室通過化學(xué)擴(kuò)鏈反應(yīng)制備而成，命名為WAT-4-1，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1。將A、B組分按質(zhì)量比100∶100摻配后混合均勻可得水性環(huán)氧樹脂固化體系；該固化體系在常溫下經(jīng)交聯(lián)固化，最終形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固體物質(zhì)，稱為水性環(huán)氧樹脂固化物。

表1 水性環(huán)氧固化劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 乳化瀝青

試驗(yàn)中所用的基質(zhì)瀝青為中海油70#石油瀝青，其各項(xiàng)基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示。本試驗(yàn)中制備乳化瀝青所用的乳化劑為河南漯河天龍化工公司生產(chǎn)的CMK-206乳化劑，乳化劑劑量1.8%，制得的陽離子慢裂快凝乳化瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[6](JTG F40—2004)的要求，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 70#石油瀝青性能指標(biāo)

表3 乳化瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

1.3 水性環(huán)氧乳化瀝青

預(yù)先稱取水性環(huán)氧固化劑m0g，根據(jù)最終水性環(huán)氧固化體系的黏度可加入適量水?dāng)嚢杈鶆蚴蛊涑浞窒♂?，然后加入m1g 128環(huán)氧樹脂(其中，m1=m0)，充分?jǐn)嚢柚涟咨鶆蛉橐?，最后外摻至乳化瀝青中攪拌均勻即得水性環(huán)氧乳化瀝青材料。

考慮到水性環(huán)氧樹脂體系固化物脆性較大，因此在改性之前，在基質(zhì)乳化瀝青中預(yù)先外摻折合固體質(zhì)量為瀝青3%的陽離子SBR膠乳(60wt%)；為提高乳化瀝青稀漿混合料的早期強(qiáng)度，加快乳化瀝青破乳速度，在稀漿混合料拌和過程中外摻折合骨料質(zhì)量1%的硅酸鹽水泥(標(biāo)號42.5)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧乳化瀝青凝膠時(shí)間考察

環(huán)氧樹脂和水性環(huán)氧固化劑組成的固化體系在室溫條件下可發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固化物。同理，作為乳化瀝青體系中的改性劑，水性環(huán)氧固化體系也會隨著時(shí)間的推移逐漸發(fā)生固化，繼而影響到水性環(huán)氧乳化瀝青的可操作性。因此，考察水性環(huán)氧乳化瀝青的凝膠時(shí)間是決定其使用性能的關(guān)鍵。

采用拉絲法對水性環(huán)氧乳化瀝青體系的凝膠時(shí)間進(jìn)行考察。以實(shí)驗(yàn)室自制的陽離子慢裂快凝乳化瀝青(固含量60wt%)為基本原材料；經(jīng)過計(jì)量，配制固體含量為60wt%的水性環(huán)氧樹脂固化體系，現(xiàn)配現(xiàn)用。在塑料口杯中，以水性環(huán)氧樹脂固化體系為外摻改性劑，加入到定量的基質(zhì)乳化瀝青中，改性劑含量為10%(即水性環(huán)氧固化體系占改性乳化瀝青總體系的10%)，后用玻璃棒手動攪勻，將口杯靜置開始計(jì)時(shí)。使用金屬鐵絲不斷地在口杯中拉絲，直至水性環(huán)氧乳化瀝青混合體系中出現(xiàn)不易斷開的細(xì)長的絲后結(jié)束計(jì)時(shí)，此時(shí)間間隔確定為凝膠時(shí)間。

經(jīng)過計(jì)時(shí)及經(jīng)驗(yàn)觀察，隨著水性環(huán)氧樹脂固化體系的摻入，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，也從側(cè)面印證水性環(huán)氧固化體系對基質(zhì)乳化瀝青的穩(wěn)定性無不良的影響；但隨著時(shí)間的推移，整個(gè)改性乳化瀝青混合體系的粘度逐漸提升，說明作為改性劑的水性環(huán)氧固化體系已經(jīng)逐漸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，逐漸形成強(qiáng)度，43min時(shí)改性乳化瀝青混合體系出現(xiàn)不易斷開的絲，確定該水性環(huán)氧乳化瀝青的凝膠時(shí)間為43min。經(jīng)過靜置3d后，口杯中的混合體系完全固化，呈塊狀，如圖1所示。

圖1 水性環(huán)氧乳化瀝青固化物

2.2 溫度及攪拌方式對水性環(huán)氧乳化瀝青的凝膠時(shí)間的影響

按照2.1中提及的拉絲法，以水性環(huán)氧固化體系為外摻改性劑，加入到定量的基質(zhì)乳化瀝青中，改性劑折合固體質(zhì)量比為10%。用玻璃棒手動攪勻，將口杯靜置于50℃恒溫烘箱中，每隔5min，觀察改性乳化瀝青混合體系的狀態(tài)。隨著溫度的提升，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，20min后體系出現(xiàn)不易斷開的絲，說明溫度的提升加快了水性環(huán)氧固化體系的交聯(lián)反應(yīng)，大大縮減了凝膠時(shí)間。

以水性環(huán)氧固化體系為外摻改性劑，加入到定量的基質(zhì)乳化瀝青中，改性劑折合固體質(zhì)量比為10%。對混合體系保持機(jī)械攪拌120r/min，如圖2所示。每隔5min，觀察改性乳化瀝青混合體系的狀態(tài)。觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械攪拌15min后，體系出現(xiàn)不易斷開的絲，黏度顯著增大。說明不間斷的攪拌，使體系中水性環(huán)氧固化劑與128環(huán)氧樹脂接觸機(jī)會更多，加劇了固化體系的交聯(lián)反應(yīng)，也會大大縮減了凝膠時(shí)間。綜上所述，高溫及機(jī)械攪拌均顯著縮短了水性環(huán)氧乳化瀝青的凝膠時(shí)間，不利于其在施工現(xiàn)場的使用，可操作性大大降低。

圖2 機(jī)械混合法制備水性環(huán)氧乳化瀝青

2.3 水性環(huán)氧乳化瀝青的斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)國標(biāo)《道路用水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料》[7](GB/T 38990—2020)規(guī)定，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物性質(zhì)是通過測試其蒸發(fā)殘留物的拉伸斷裂強(qiáng)度來表征。測試方法參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》[8](GB/528—2009)。將水性環(huán)氧乳化瀝青倒入瀝青老化用金屬盛樣皿(內(nèi)徑140mm，厚度0.64mm)，樣品厚度保持在4mm以上。后將盛樣皿置于60℃保持5h后取出，即可得水性環(huán)氧乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物，基質(zhì)乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物依照行標(biāo)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9](JTG E20—2011)制得。然后依據(jù)國標(biāo)《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》[8](GB/T 528—2009)制備啞鈴狀試件，進(jìn)行拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能測定，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，水性環(huán)氧乳化瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度為1.02MPa，要遠(yuǎn)大于基質(zhì)乳化瀝青。說明水性環(huán)氧固化體系的摻入，提升了改性乳化瀝青的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。隨著混合體系中水分的蒸發(fā)，環(huán)氧樹脂分子與固化劑接觸發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；乳化瀝青破乳也在同時(shí)發(fā)生，瀝青顆粒便依附、填充于環(huán)氧樹脂固化物分子構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成“加筋”結(jié)構(gòu)，繼而提升了整個(gè)體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

表4 乳化瀝青拉伸斷裂強(qiáng)度結(jié)果

2.4 水性環(huán)氧乳化瀝青稀漿混合料耐磨耗性能研究

本文的稀漿混合料耐磨耗性能試驗(yàn)中，粗細(xì)集料均為石灰?guī)r礦料，水泥為硅酸鹽水泥(42.5號)，具體級配見表5。采用MS-3型級配，進(jìn)行稀漿混合料的拌和試驗(yàn)。

表5 試驗(yàn)研究用的石料及級配表

通過圖3確定合成級配及各檔集料的配合比例，最終確定5～10mm、3～5mm及0～3mm三檔料的質(zhì)量比例為：0.19∶0.26∶0.55。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，選定SBR膠乳摻量為3wt%，油石比范圍5.0%～6.5%(使水性環(huán)氧乳化瀝青中水性環(huán)氧固化體系外摻量為10wt%)，用水量范圍3%～8%，水泥摻量范圍1wt%～2wt%。

圖3 水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料級配合成曲線

進(jìn)行少量稀漿混合料試拌和試驗(yàn)，通過觀察成漿狀態(tài)、稠度、攤鋪后是否泌水、破乳時(shí)間等和易性和施工性能確定配比，后進(jìn)行1h濕輪磨耗試驗(yàn)評價(jià)混合料的耐磨耗能力?？疾觳煌原h(huán)氧體系摻加量的改性乳化瀝青稀漿混合料的耐磨耗性能，綜合性能及成本，確定出最優(yōu)摻加量及稀漿混合料的最佳配合比。

表6、圖4呈現(xiàn)出不同水性環(huán)氧固化體系外摻量的改性乳化瀝青混合料的耐磨耗性能。由表6易知，水性環(huán)氧體系的摻入，能提升乳化瀝青混合料的耐磨耗性能和抗水損性能。如圖4所示，隨著水性環(huán)氧體系摻入量的增加，磨耗值逐漸減小，說明耐磨耗性能提升增大。分析其原因，在與石料拌和過程中，乳化瀝青和水性環(huán)氧固化體系中在水分的揮發(fā)下分別開始破乳和固化，兩者同時(shí)發(fā)生又相互影響。乳化瀝青的破乳將石料(骨料)充分裹附；水性環(huán)氧固化體系與瀝青顆粒交錯(cuò)纏繞，水性環(huán)氧固化體系發(fā)生化學(xué)交聯(lián)形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水性環(huán)氧固化物在裹附瀝青的骨料間起到“加筋”作用，因此復(fù)合體系相比單純?yōu)r青膠結(jié)料具有更高的粘結(jié)性和強(qiáng)度。

表6 不同環(huán)氧固化體系摻量的改性乳化瀝青混合料耐磨耗性能表

圖4 不同環(huán)氧固化體系摻量的改性乳化瀝青混合料磨耗值

當(dāng)水性環(huán)氧固化體系外摻量超過10%，耐磨耗性能提升放緩。綜合性能和成本，確定10%為水性環(huán)氧固化體系的最佳摻量，對應(yīng)的最佳稀漿混合料配合比見表7。

表7 水性環(huán)氧固化體系外摻量為10wt%對應(yīng)的稀漿混合料磨耗試驗(yàn)配比表

3 結(jié)論

(1)固化劑乳化型水性環(huán)氧固化體系改性乳化瀝青的凝膠時(shí)間是決定其使用性能的關(guān)鍵。當(dāng)水性環(huán)氧固化體系外摻含量為10%時(shí)，水性環(huán)氧乳化瀝青的凝膠時(shí)間為43min；提升溫度和機(jī)械攪拌均使其凝膠時(shí)間急劇縮短。

(2)相比于基質(zhì)乳化瀝青，水性環(huán)氧改性乳化瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度大大提升。水性環(huán)氧固化體系的摻入，使乳化瀝青體系具備更好的力學(xué)強(qiáng)度。

(3)摻入水性環(huán)氧固化體系的改性乳化瀝青稀漿混合料的1h濕輪磨耗值明顯低于空白樣，水性環(huán)氧固化體系能有效提升乳化瀝青稀漿混合料的耐磨耗性能。綜合性能和成本，確定10%為水性環(huán)氧乳液的最佳摻量，其對應(yīng)的稀漿混合料配合比能為工程實(shí)踐提供有效參考依據(jù)。