水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層性能研究

鄧玉訓(xùn)，謝群

(1.九江市公路管理局，江西 九江 332000；2.江西省贛北公路勘察設(shè)計(jì)院)

1 引言

碎石封層作為路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和路面功能恢復(fù)常用的養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段之一，具有簡單、經(jīng)濟(jì)、快速、高效等優(yōu)勢，主要應(yīng)用于新建路面的磨耗層和下封層、新建路面的罩面、舊路的養(yǎng)護(hù)罩面等。碎石封層具有提高路面抗滑性能、增強(qiáng)路表排水、保護(hù)路面結(jié)構(gòu)、延緩瀝青老化等作用，但目前常用的乳化瀝青、改性乳化瀝青型碎石封層存在黏結(jié)力差、易剝落松散、泛油、抗滑性能和耐磨性能較差等問題，嚴(yán)重制約了碎石封層的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。

環(huán)氧樹脂具有良好的熱穩(wěn)定性、黏結(jié)性、防水性和耐腐蝕性，對于固結(jié)路面松散集料、提高路面防水性能有明顯效果。將環(huán)氧樹脂用于瀝青的改性，可提高瀝青的強(qiáng)度、剛度、韌性以及耐疲勞性，且環(huán)氧瀝青已經(jīng)作為道路材料被廣泛應(yīng)用于道橋工程。水性環(huán)氧樹脂是以環(huán)氧樹脂微粒為分散相、以水為連續(xù)相的液相體系材料，可與乳化瀝青相容，形成穩(wěn)定的樹脂-瀝青復(fù)合型材料，兼具樹脂和乳化瀝青優(yōu)勢，具有穩(wěn)定性好、固含量高、黏稠度低、黏度大等特點(diǎn),在道路養(yǎng)護(hù)范疇具有較高的推廣價(jià)值。

該文針對目前碎石封層存在的黏結(jié)力差、集料易松散、抗滑性和耐磨性差等問題，研發(fā)一種基于水性環(huán)氧乳化瀝青的碎石封層材料。通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究水性環(huán)氧乳化瀝青的性能，并確定水性環(huán)氧和乳化瀝青的摻配比；根據(jù)正交試驗(yàn)確定水性環(huán)氧-乳化瀝青碎石封層的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對其路用性能進(jìn)行測試。

2 水性環(huán)氧乳化瀝青性能測試

2.1 原材料技術(shù)性質(zhì)

試驗(yàn)中采用兩種不同的陽離子乳化瀝青(表1)作對比：SBS改性乳化瀝青和SBR改性瀝青，分別制備水性環(huán)氧乳液(表2)摻量為：2%、4%、6%、8%、10%的水性環(huán)氧-乳化瀝青，并對這兩種乳化瀝青在5種不同環(huán)氧摻量下的蒸餾后三大指標(biāo)、黏度、拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試、對比。

表1 陽離子乳化瀝青性能參數(shù)

表2 水性環(huán)氧乳液性能參數(shù)

2.2 水性環(huán)氧摻量對蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)影響

水性環(huán)氧樹脂固化后會對乳化瀝青原有的體系產(chǎn)生影響，即：環(huán)氧樹脂包裹著瀝青顆粒，與瀝青形成穩(wěn)定的交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)，改善乳化瀝青的性能。測試的水性環(huán)氧-乳化瀝青蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)見圖1～3。

圖1 不同環(huán)氧摻量下的針入度

圖2 不同環(huán)氧摻量下的軟化點(diǎn)

圖3 不同環(huán)氧摻量下的延度

由圖1～3可知：水性環(huán)氧樹脂能夠極大地提高改性乳化瀝青的高溫性能。水性環(huán)氧樹脂屬于熱固性材料，固化后樹脂裹附著瀝青，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了改性乳化瀝青的稠度、黏結(jié)力，表現(xiàn)為隨著水性環(huán)氧摻量的增大，兩種改性乳化瀝青蒸餾殘留物的25 ℃針入度不斷下降、軟化點(diǎn)不斷升高；但同時(shí)水性環(huán)氧乳化瀝青也兼具樹脂低溫易脆斷的特點(diǎn)，表現(xiàn)為隨著水性環(huán)氧摻量的增大，5 ℃延度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(SBR型)，SBS改性乳化瀝青在環(huán)氧摻量小于6%時(shí)，樹脂、瀝青的交聯(lián)作用較弱，主要體現(xiàn)改性乳化瀝青的性能，但當(dāng)環(huán)氧摻量大于6%時(shí)，低溫脆性就比較明顯。

2.3 水性環(huán)氧摻量對乳化瀝青黏度的影響

碎石封層是在噴灑膠結(jié)料的同時(shí)撒布碎石，對于膠結(jié)料的黏度要求較高，既要保證常溫和易性，又要保證與集料的黏結(jié)性，測試不同環(huán)氧摻量下水性環(huán)氧乳化瀝青的標(biāo)準(zhǔn)黏度如圖4所示。

圖4 不同環(huán)氧摻量下的黏度

由圖4可知：水性環(huán)氧樹脂明顯地提高了改性乳化瀝青的黏度。主要由于水性環(huán)氧樹脂在固化反應(yīng)中形成了高分子環(huán)氧聚合物，增大了改性乳化瀝青的黏稠性，即隨著水性環(huán)氧摻量的增大，黏度也增大；在水性環(huán)氧摻量較小時(shí)，水性環(huán)氧與乳化瀝青交聯(lián)反應(yīng)較慢，形成微凝膠體，黏度增長緩慢，當(dāng)水性環(huán)氧摻量變大時(shí)，水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青不斷發(fā)生聚合反應(yīng)，交聯(lián)作用增強(qiáng)，形成中、大凝膠體，黏度增長較快，即在摻量小于4%時(shí)，兩種改性乳化瀝青的黏度增幅較小，當(dāng)摻量大于4%時(shí)黏度增長較快。

2.4 水性環(huán)氧摻量對乳化瀝青強(qiáng)度的影響

道路使用過程中，路面表層受力較為復(fù)雜，既承受水平方向的摩擦力，也受到豎直方向荷載的重力，所以碎石封層的膠結(jié)料必須有良好的黏結(jié)力，為驗(yàn)證水性環(huán)氧乳化瀝青的黏結(jié)性能，采用拉拔和斜剪試驗(yàn)，對其力學(xué)性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同環(huán)氧摻量下的拉拔強(qiáng)度

圖6 不同環(huán)氧摻量下的剪切強(qiáng)度

圖5、6表明：水性環(huán)氧樹脂能夠大幅度地提高改性乳化瀝青的黏結(jié)性能。隨著環(huán)氧摻量的不斷增大，拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都不斷提高，且在環(huán)氧摻量為2%時(shí)，抗拉能力和抗剪能力得到明顯的提升。

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通過對比不同環(huán)氧摻量下，SBS、SBR兩種乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)、黏度及力學(xué)性能可知：SBS環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)后針入度、軟化點(diǎn)以及黏度、拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均高于SBR環(huán)氧乳化瀝青，且在水性環(huán)氧摻量為6%時(shí)，SBS改性乳化瀝青的延度最好，所以綜合考慮，確定瀝青為SBS改性乳化瀝青，且水性環(huán)氧摻量為6%。

3 水性環(huán)氧-乳化瀝青碎石封層參數(shù)設(shè)計(jì)與性能測試

對于碎石封層的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括經(jīng)驗(yàn)法和理論計(jì)算法，由于碎石的粒徑以及平均高度等參數(shù)要求較高，該文采用經(jīng)驗(yàn)配比法進(jìn)行水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的設(shè)計(jì)，然而影響碎石封層質(zhì)量的因素較多，包括瀝青和集料的性能、用量、配比以及施工方法等，試驗(yàn)主要將水性環(huán)氧乳化瀝青噴灑量、碎石撒布量、不同粒徑碎石參配比例作為關(guān)鍵參數(shù)，采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 水性環(huán)氧-乳化瀝青碎石封層正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水性環(huán)氧乳化瀝青的噴灑量是碎石封層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其噴灑分為兩層：第一層要求黏附住碎石且乳液不流淌，第二層要求封住因碎石堆積而產(chǎn)生的裂縫；碎石的撒布量決定了封層的抗滑性能，碎石過多則易剝落，降低路面平整度和駕駛安全性，碎石過少又達(dá)不到抗滑的效果；不同粒徑碎石的配比是保證封層路用性能的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不容忽視。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對水性環(huán)氧乳化瀝青的噴灑量、碎石的撒布量、碎石粒徑2.36～4.74 mm與0～2.36 mm的質(zhì)量比，分別取3種不同摻量，進(jìn)行3因素3水平的正交設(shè)計(jì)，并對不同因素下水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、1 h磨耗進(jìn)行測試研究，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表、正交試驗(yàn)結(jié)果見表3、4。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)碎石封層的因素水平

3.2 水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對于正交試驗(yàn)結(jié)果，采用極差分析法與方差分析法綜合分析不同因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，其中極差法較為直觀，極差值的大小能夠反映各個(gè)因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響主次關(guān)系，極差越大，對應(yīng)的因素越主要；方差法通過顯著性檢驗(yàn)，判斷各個(gè)因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，若各因素F值(因素水平變化引起的平均偏差平方和與平均誤差平方和的比值)大于相應(yīng)的臨界值，則說明該因素對試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。該文分別對構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、1 h磨耗值進(jìn)行極差及顯著性分析，結(jié)果見表5、6。

由表5、6可知：① 2.36～4.74 mm碎石的摻量對構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、磨耗值的影響最為顯著；②(2.36～4.74 mm)∶(0～2.36 mm)碎石的比例越高，碎石封層的構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)越大，即摻量比例為60∶40時(shí)抗滑性能最好，但在該比例摻量下，碎石封層的磨耗值較大，耐磨性較差，而比例摻量為40∶60時(shí)，磨耗值明顯減??；③ 乳化瀝青噴灑量會顯著影響碎石封層的耐磨性能，且由表4可知，乳化瀝青噴灑量越大，磨耗值越小，當(dāng)噴灑量從(0.3+0.1)kg/m2增加到(0.35+0.1)kg/m2磨耗值下降了約23.3%，從(0.35+0.1)kg/m2增加到(0.40+0.1)kg/m磨耗值下降了26.9%，且從試件成型過程來看，噴灑量為(0.4+0.1)kg/m2時(shí)，瀝青與碎石的裹附效果最好；④ 碎石撒布量對于碎石封層性能的影響不明顯，但從節(jié)約、安全角度考慮擬采用1.4 kg/m2。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

注：乳化瀝青的噴灑分兩次，第1次噴灑分別取0.3、0.35、0.4 kg/m2，第2次噴灑量均為0.1 kg/m2。

表5 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表6 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

注：方差分析中設(shè)定顯著性水平為0.05，且F0.05(2,2)=19。

綜合考慮水性環(huán)氧碎石封層的抗滑性能與耐磨耗性能，建議水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：乳化瀝青噴灑量為(0.4+0.1)kg/m2，碎石撒布量為1.4 kg/m2，碎石粒徑(2.36～4.74 mm)∶(0～2.36 mm)=40∶60。

3.3 水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層路用性能測試

根據(jù)水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的設(shè)計(jì)參數(shù)，以水泥板為承載板，制備水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層，并對其耐磨耗性能和抗滑性能進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖7～9。

由圖7～9可知：① 對于耐磨耗性能，與傳統(tǒng)乳化瀝青碎石封層相比，水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層耐磨性有極大的提高，隨著磨耗時(shí)間的延長，磨耗值較小且變化較為平穩(wěn)；② 對于抗滑性能，相比水泥試板和傳統(tǒng)的乳化瀝青碎石封層，水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)都有大幅度的提高，具有較高的抗滑性。

圖7 不同封層下荷載磨耗值

圖8 不同表面構(gòu)造深度

圖9 不同表面摩擦系數(shù)

4 結(jié)論

研發(fā)了一種新型的基于水性環(huán)氧乳化瀝青的碎石封層，主要研究了水性環(huán)氧乳化瀝青的黏結(jié)性能和力學(xué)性能，采用正交設(shè)計(jì)方法對水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證其性能，主要結(jié)論如下：

(1)水性環(huán)氧樹脂能夠提高乳化瀝青的稠度和黏度，極大地改善乳化瀝青的高溫性能，但摻量過多乳化瀝青的低溫脆性較為明顯。

(2)水性環(huán)氧樹脂能夠大幅度地提高乳化瀝青的黏結(jié)性，其拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度有很大的提高，在水性環(huán)氧樹脂摻量為2%時(shí)，變化最為明顯。

(3)對于水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的參數(shù)設(shè)計(jì)，(2.36～4.74 mm)∶(0～2.36 mm)碎石的摻配比例對其構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、磨耗值的影響最大，其次是水性環(huán)氧乳化瀝青噴灑量。碎石撒布量對水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的功能性并無顯著影響。

(4)對比傳統(tǒng)的乳化瀝青碎石封層，水性環(huán)氧乳化瀝青碎石封層的耐磨耗性能和抗滑性能都有很大的提升，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。