水性環(huán)氧改性乳化瀝青的制備*

陳 果 董元帥 朱云升 楊川文

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (中國交建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心2) 北京 100089) (中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司3) 北京 100089) (上海市政貴陽分公司4) 貴陽 550001)

0 引 言

國內(nèi)外冷補料主要以乳化瀝青和稀釋瀝青作為結(jié)合料為主，其中稀釋瀝青主要采用基質(zhì)瀝青或改性瀝青作為主料，配以石油溶劑對其降黏從而制得冷補料的結(jié)合料.但由于稀釋瀝青混合料在形成強度的過程中伴隨著石油溶劑的揮發(fā)，將對環(huán)境產(chǎn)生污染.同時，其早期強度形成時間較慢，受氣候條件限制且生產(chǎn)成本較高等，使得在坑槽修補中其性能難以滿足要求.乳化瀝青作為結(jié)合料應(yīng)用于坑槽修補，其常溫可拌和、綠色環(huán)保、施工工藝簡捷、運輸方便等優(yōu)點，得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.而單純的乳化瀝青相對于熱拌瀝青混合料而言，強度成型慢、早期強度低、混合料黏結(jié)性差等缺點，不利于將其大范圍推廣使用.何遠(yuǎn)航等[1]采用水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青并成功的運用于微表處；Ding等[2-3]取得了水性環(huán)氧乳化瀝青混凝土制備方法的專利，該方法在混合料中加入了水泥，制備出性能優(yōu)良的水性環(huán)氧乳化瀝青混凝土，并在鋼橋面的鋪裝上取得了顯著成果.國外學(xué)者主要將研究對象集中在需要加熱使用的環(huán)氧瀝青，和其他的改性乳化瀝青方面，而對冷拌的水性環(huán)氧乳化瀝青的研究基本處于空白[4].

本文依托寧波市繞城高速在梅雨季節(jié)對路面坑槽進(jìn)行修補的維修養(yǎng)護(hù)實際，提出水性環(huán)氧乳化瀝青，通過對比實驗，確定原材料，確定最佳摻配比，進(jìn)而制備出一種高性能的乳化瀝青，提出制備方法.

1 水性環(huán)氧樹脂的選擇

選擇可獲得的四種水性環(huán)氧樹脂和自制陽離子乳化瀝青，對四種水性環(huán)氧樹脂乳液與對應(yīng)固化劑編號為A1,A2,A3,A4,單純的乳化瀝青編號為A5，技術(shù)指標(biāo)見表1，乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)見表2.同時水性環(huán)氧樹脂乳液與乳化瀝青混合均勻后的組分標(biāo)為A組分，固化劑標(biāo)為B組分，并且在整個比選試驗中為了便于試驗的進(jìn)行，在同一條件下對比，所以將水性環(huán)氧樹脂體系與乳化瀝青以3∶7(質(zhì)量比)的配比制備改性乳化瀝青[5-7].

表1 水性環(huán)氧樹脂乳液技術(shù)指標(biāo)

表2 乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)

為了挑選合適的水性環(huán)氧樹脂，通過制備好的四種改性乳化瀝青進(jìn)行性能試驗對比，從而得出水性環(huán)氧樹脂對比.從三個試驗進(jìn)行對比：界面拉伸試驗、固化時間試驗、黏附性試驗.目的是要得出強度，成型時間，黏附性能三個指標(biāo).

1.1 界面拉伸試驗

瀝青的抗拉強度和斷裂伸長率是衡量瀝青性能好壞的一項重要指標(biāo).為測定抗拉強度和斷裂伸長率，本文采用界面拉伸試驗，試驗步驟如下.

步驟1將準(zhǔn)備好的薄鋁片切成長為10 cm，兩片鋁片作為一組.

步驟2將鋁片的一端用砂紙打磨，以除去鋁片上面的保護(hù)膜，打磨長度至少大于5 cm，將打磨好的一端5 cm處做好標(biāo)記，作為改性乳化瀝青的膠結(jié)界面.

步驟3四種水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青統(tǒng)一以3∶7的比例，同時比選試驗均采用混合法制備改性乳化瀝青，將制備完成的改性瀝青均勻地涂抹在膠結(jié)界面上，厚度保持在1 mm左右，質(zhì)量控制在2 g左右，同時為減小人為誤差，控制試驗準(zhǔn)確率，每種水性環(huán)氧樹脂制備兩組模型.

步驟4將膠結(jié)好的鋁片放置在常溫下24 h，讓其完全破乳.

步驟5將制備好的模型放入微機控制電子萬能試驗機，拉伸速率控制在5 mm/min，為了提高試驗準(zhǔn)確性，在相同條件下控制速率在1 mm/min重復(fù)上述試驗步驟.

步驟6得出每種水性環(huán)氧樹脂制備的改性乳化瀝青的拉伸最大負(fù)荷值和對應(yīng)的位移值，得出的結(jié)果繪制在同一曲線圖中.

試件在24 h后，控制拉伸速率為5，1 mm/min試驗結(jié)果見圖1.

圖1 拉伸試驗結(jié)果

由圖1可知，水性環(huán)氧樹脂品種的不同，對水性環(huán)氧乳化瀝青的改性性能影響較大.其中編號A4型改性效果明顯，1和5 mm/min最大抗拉伸強度較編號為A5的乳化瀝青提升了近400%的效果，而斷裂伸長率僅僅減小了10%左右，說明A4型在與乳化瀝青混合后，其形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮出高強度的性能，而又能保持住乳化瀝青的韌性而不至于出現(xiàn)脆斷；而編號為A1和A2型水性環(huán)氧樹脂改性效果一般，較編號為A5的乳化瀝青的最大抗拉伸強度提高在100%以內(nèi)，而斷裂伸長率編號A2型與乳化瀝青基本一致，而編號A1型斷裂伸長率較低，基本不符合要求；而編號A3型改性效果不理想，最大抗拉伸強度較乳化瀝青差，不符合此次工程要求.試驗結(jié)果分析排除A1,A3型改性乳化瀝青.

1.2 固化時間試驗

水性環(huán)氧乳化瀝青的固化時間影響整個坑槽修補的時間，其固化時間應(yīng)作為水性環(huán)氧樹脂挑選的重要指標(biāo).為測定固化時間，具體試驗步驟如下.

步驟1將水性環(huán)氧樹脂乳液同乳化瀝青混合均勻后作為A組分，固化劑作為B組分，按規(guī)定比例將A,B組分混合均勻，同時水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青配比(質(zhì)量比)為3∶7；取其中的10 g改性乳化瀝青，將其均勻地涂抹在玻璃板上.

步驟2將試件置于溫度為(25±1) ℃下，每隔10 min記錄一次試樣的狀態(tài)；詳細(xì)記錄試件的表干時間和狀態(tài).

在25 ℃溫度下，四種改性乳化瀝青固化時間結(jié)果見表3.

表3 固化時間結(jié)果

由表3可見，A2僅10 min便已固化，其固化時間較快，施工的可操作性較小，所以A2型對乳化瀝青的改性效果并不理想；而A4和A1固化時間較合適，不僅滿足施工的可操作性，而且固化時間對道路的運營影響也較小，所以這兩種水性環(huán)氧比較適合用于改性乳化瀝青的制備；但A3的固化時間相對較長，在實際施工過程中對道路運營影響較大，并不適用于改性乳化瀝青的生產(chǎn).結(jié)果分析排除A2,A3型乳化瀝青.

1.3 黏附性試驗

由于水性環(huán)氧乳化瀝青中水的存在，導(dǎo)致瀝青黏度較小，混合料早期強度形成過程中瀝青與集料的黏附性較差，瀝青發(fā)揮的作用較小.因此，要使混合料初期具有足夠的強度，必須使得水性環(huán)氧乳化瀝青與集料有足夠的黏附性[8-10].對水性環(huán)氧乳化瀝青與集料的黏附性研究，主要參考了文獻(xiàn)[5]中T0654陽離子乳化瀝青與集料黏附性的試驗方法.

試驗結(jié)果以改性乳化瀝青與集料的裹覆面積大于2/3或不足2/3的形式評定其黏附性及抗水剝落的性能.為了保證試驗的準(zhǔn)確性，同一種水性環(huán)氧乳化瀝青平行試驗三次，根據(jù)多數(shù)顆粒的裹附情況做出評定.試驗結(jié)果見圖2.

圖2 黏附性試驗結(jié)果

由圖2可知，四種經(jīng)水煮后的集料上瀝青的裹覆面積均大于2/3，按規(guī)范要求，四種改性乳化瀝青的黏附性均為5級.說明四種水性環(huán)氧乳化瀝青與集料都具有很好的黏附性，在混合料初期強度形成中，改性乳化瀝青具有足夠的黏結(jié)力防止水損壞的發(fā)生.結(jié)果分析表明，四種改性乳化瀝青黏附性符合要求.

1.4 試驗結(jié)果分析匯總

由上述對比水性環(huán)氧樹脂的試驗可得出：水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青的改性作用較為明顯，能夠在保留乳化瀝青原本優(yōu)勢的情況下對乳化瀝青的缺點進(jìn)行顯著改進(jìn)，讓乳化瀝青的適用性更廣；其次不同品種的水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青的改性效果相差較大.在界面拉伸試驗中可以很明顯看到A4對乳化瀝青的改性效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他三種水性環(huán)氧樹脂.在固化時間試驗中，A2和A4都加快了乳化瀝青的固化.但是A2的固化時間太快，實際施工中的可操性較小，并非理想效果.最后在黏附性試驗中，四種水性環(huán)氧樹脂均能滿足項目的要求.

綜合考慮之后，決定選用A4型的水性環(huán)氧樹脂乳液和A4型的固化劑作為本項目用于制備水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的原材料.同時乳液與固化劑的摻配比例按廠家指導(dǎo)的1∶1進(jìn)行后續(xù)實驗.

2 水性環(huán)氧樹脂體系最佳摻量的確定

由上文試驗結(jié)果，制備好A4型水性環(huán)氧樹脂體系.要制備水性環(huán)氧改性乳化瀝青，還需確定環(huán)氧樹脂體系與乳化瀝青最佳摻配比例，本文通過界面拉拔試驗進(jìn)行比較，操作步驟同1.1的界面拉拔試驗.

驗證水性環(huán)氧樹脂體系與乳化瀝青在比例(質(zhì)量比)為0∶10，1∶9，2∶8，3∶7，4∶6，5∶5六組比例，找出隨著水性環(huán)氧樹脂體系量的增加，整個改性乳化瀝青抗拉伸強度與斷裂伸長率的變化規(guī)律.進(jìn)而找到一種性能合理，性價比較高的適合比例.控制試驗機拉伸速率在5 mm/min，溫度為25 ℃，每組比例的改性乳化瀝青抗拉伸強度的最大值與斷裂伸長率結(jié)果見表4.

由表4可知，隨著水性環(huán)氧樹脂體系占比的逐漸增加，改性乳化瀝青的抗拉伸強度逐漸增強，斷裂伸長率先增加后減小.比例為2∶8(質(zhì)量比，下同)時斷裂伸長率最大，表現(xiàn)出良好的韌性，且當(dāng)比例增加到3∶7時，斷裂伸長率減小了44%；

表4 拉伸試驗結(jié)果

同時可看出，在比例2∶8下瀝青抗拉伸強度不是最大，但明顯可以看出當(dāng)比例增加到2∶8之前抗拉伸強度增長率可達(dá)100%，當(dāng)比例上升到3∶7時，最大抗拉伸強度增長率僅為29%，因此隨著比例的增加其最大抗拉伸強度的增長率并不明顯，且性價比也會較低.故從改性乳化瀝青的最大抗拉伸強度、斷裂伸長率和性價比等因素下綜合考慮，水性環(huán)氧樹脂體系與乳化瀝青的最佳摻配比例為2∶8.水性環(huán)氧乳化瀝青各組分配方比例見表5.

表5 水性環(huán)氧乳化瀝青配方

3 水性環(huán)氧改性乳化瀝青制備工藝

3.1 制備方法

為適應(yīng)坑槽修補這種移動性大單點工程量較小的特點，同時為保證修補效果，保證成型時間的適合，本文采用直摻法制備改性乳化瀝青.該方法生產(chǎn)工藝簡單，成本低，且成品與機制法效果差別不大，滿足施工要求.

3.2 改性乳化瀝青性能測試

按照文獻(xiàn)[5]規(guī)定改性乳化瀝青應(yīng)該滿足一定的規(guī)范要求.但考慮到本項目所用水性環(huán)氧乳化瀝青為制備后立即使用，因此可不考慮其貯存穩(wěn)定性.具體試驗結(jié)果見表6.

表6 水性環(huán)氧乳化瀝青試驗結(jié)果

3.2 混合料性能評價

根據(jù)級配的選擇和施工經(jīng)驗的判斷，選擇油石比8.5%的馬歇爾試件按文獻(xiàn)[6]中現(xiàn)有冷補料的馬歇爾試驗方法進(jìn)行冷補料強度實驗，提出了具體的冷補料的黏聚性試驗方法進(jìn)行黏聚性實驗，平行實驗三組，進(jìn)行性能評價,見表7～8.

表7 水性環(huán)氧乳化瀝青冷補料強度試驗 kN

由表7可見，混合料的初期強度相對于現(xiàn)有規(guī)范對冷補料不低于3 kN的強度的要求提高了2倍以上，表明混合料的初期強度的形成中水性環(huán)氧樹脂的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)揮著重要的作用.

表8 黏聚性試驗結(jié)果

由表8可見，水性環(huán)氧乳化瀝青混合料顆粒之間黏聚性較強，破損率在2%以內(nèi)，試驗結(jié)束后試件基本完整.而單純的乳化瀝青混合料顆粒之間黏聚性較差，破損率高達(dá)30%以上，雖滿足規(guī)范要求的不超過40%的破損率，但在實際施工中并不能達(dá)到工程所需要求.水性環(huán)氧乳化瀝青，由于溫度對環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)影響較小，同時反應(yīng)速度較快，其本身的黏結(jié)性能較好，這就使得集料牢牢的黏結(jié)在一起，形成一個整體，因此，水性環(huán)氧乳化瀝青混合料相比于純的乳化瀝青混合料，黏聚性得到大大的提高，具有是十分明顯的優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

1) 通過界面拉伸試驗，固化時間試驗，黏附性試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青抗拉強度明顯提高，固化時間滿足施工要求，黏附性符合施工要求.

2) 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青最佳摻配比例：A4型水性環(huán)氧樹脂∶A4型固化劑：乳化瀝青=1∶1∶8.

3) 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青分為2個組分A和B.組分A為水性環(huán)氧樹脂乳液+乳化瀝青，組分B為A4型固化劑.水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青使用直摻法現(xiàn)配現(xiàn)用，先配制A再在A中倒入B，然后應(yīng)立即使用.

4) 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料初期強度，黏聚性相比于乳化瀝青明顯提高.