彩色環(huán)氧樹脂抗滑層在道路中的應(yīng)用研究

吳 迪，韓亞芳

（1、廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廣州510500；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州510500）

1 概述

傳統(tǒng)路面如水泥混凝土路面或瀝青路面常為灰色或黑色，顏色相對單一。根據(jù)相關(guān)研究表明，長期注視黑色可使人腎上腺素減少，產(chǎn)生壓抑情緒［1］。黑色和灰色在視覺上和心理上是一種消極色彩，讓人產(chǎn)生寂寞、黑暗的感覺［2］。對于城鎮(zhèn)化建設(shè)相對發(fā)達的地區(qū)，彩色路面得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。彩色路面可以美化環(huán)境，給人以良好心理感受的作用；它在促進道路交通安全和美化街道空間環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用［3-4］。其作為一種城市道路景觀鋪裝材料，在城市交通與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代，具有良好的發(fā)展前景。

目前，彩色路面已經(jīng)在美國、歐洲等發(fā)達國家得到了廣泛的應(yīng)用。在我國的上海、北京、天津、廣州等城市也已開始推廣使用。當(dāng)前，我國比較常用的彩色路面技術(shù)有涂料類彩色路面、彩色瀝青混凝土路面、彩色水泥混凝土路面及高分子類彩色防滑路面等［5-6］。其中，涂料類彩色路面、彩色瀝青混凝土路面、彩色水泥混凝土路面因耐磨性不足，導(dǎo)致路面顏色衰減快，常用于人行道及非機動車道［7］。

本文通過對環(huán)氧樹脂膠及耐磨骨料進行改進，開發(fā)出一種顏色持久、使用壽命長、抗滑性能好的彩色薄層環(huán)氧防滑路面。

2 試驗部分

2.1 原材料

本文所用的環(huán)氧樹脂膠粘劑為甲、乙雙組分型膠粘劑，甲組分自主研發(fā)，主要由雙酚A 型環(huán)氧樹脂E-44、活性稀釋劑、聚氨酯改性環(huán)氧樹脂和促進劑組成。乙組分為固化劑組分，由腰果酚型固化劑和固化劑促進劑（DMP-30）組成；膠粘劑雙組分比例為：m（甲組份）∶m（乙組份）=1.00∶0.75。對于顏料的選擇需要保證顏色持久、艷麗、不褪色，通常有機顏料價格較高、在陽光直射狀態(tài)下經(jīng)常出現(xiàn)褪色情況，無機顏料相對成本低、不褪色，更適合室外使用。選擇的無機金屬顏料主要是一些氧化鐵系，將顏料加入到膠液中，可以得到多種色彩的鋪裝材料。例如將氧化鐵鐵紅加入膠液中可以得到鐵紅色的膠液；加入氧化鉻可以得到墨綠色的膠液。所用的彩色陶瓷骨料單位粒徑為1.18～4.75 mm，其級配為粒徑1.18～2.36 mm，含量為35%，粒徑2.36～4.75 mm，含量為65%，且要求骨料干凈、干燥、表面粗糙、無雜色，具體技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

2.2 性能測試方法

將改性環(huán)氧膠黏劑按各組分以m（A 組份）∶m（B組份）=1.00∶0.75的比例調(diào)配，攪拌均勻后備用。

⑴拉伸強度：按照ASTM D 638 拉伸強度測試標(biāo)準(zhǔn)，在電子萬能試驗機（GMT 4304）中進行，試驗速率為50 mm/min。

⑵粘接強度：在室溫（23±2℃）下養(yǎng)護1 d，粘接面尺寸為22.5 mm×22.2 mm。按照《建筑防水涂料試驗方法：GB/T 16777-2008》，在電子萬能試驗機（GMT 4304）中測定粘接強度，試驗速率為2.0 mm/min，勻速拉到試樣斷裂，記錄破壞載荷及斷面位置。

⑶與鋼基面的粘接性能：用電子萬能試驗機進行測試，試驗速率控制為2.0 mm/min。

⑷與潮濕混凝土試塊粘接強度及水煮老化試驗：所用水泥混凝土試塊的制備按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程：JGJ 55-2000》的規(guī)定制備養(yǎng)護，強度達到C50 水泥混凝土設(shè)計要求，并將膠結(jié)料和骨料攤鋪在混凝土面層。將制好的粘接試樣（與水泥混凝土基面的粘接試樣）于40℃下固化1 d，再放入80℃熱水中進行老化，到預(yù)定時間后取出粘上鋼制接頭后備用。

表1 彩色陶瓷骨料技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical of Indexes Colored Ceramic Aggregate

3 結(jié)果與討論

3.1 顏料的添加量對力學(xué)性能的影響

在固化劑組分中加入顏料，添加量分別為1%、3%、5%、7%、9%及11%，確保攪拌混合均勻。制備成的膠條在23℃下養(yǎng)護1 d，測試?yán)鞆姸?、斷裂伸長率及剪切強度等。由表2 所示，隨著顏料添加量的逐漸增加，拉伸強度、斷裂伸長率及剪切強度均出現(xiàn)先提升后下降的微弱變化。當(dāng)添加的顏料小于5%時，隨著顏料的增加，顏料相當(dāng)于添加了無機填料，起到了增強作用。當(dāng)添加量為5%時，拉伸強度達到18.87 MPa，斷裂伸長率達到49.37%，剪切強度為14.65 MPa。當(dāng)顏料含量超過5%后，隨著顏料的添加，由于顏料粒徑較小，約為30 μm，在攪拌及放置過程中容易結(jié)團存在，過量的加入會使得膠料攪拌不均勻，導(dǎo)致力學(xué)強度下降。同類型實驗分別做了紅色、黑色、綠色、黃色的測試。因此，考慮到綜合性能選擇添加固化劑質(zhì)量的5%，作為路面膠粘劑顏料的添加量。

表2 顏料添加量對路面膠力學(xué)性能的影響Tab.2 Influence of Pigment Amount on Mechanical Properties of Pavement Adhesive

3.2 增韌劑的添加量對力學(xué)性能的影響

采用聚氨酯增韌劑改性環(huán)氧樹脂，是由于聚氨酯的柔性鏈段連續(xù)貫穿于樹脂，形成“互穿”“半互穿”的特殊結(jié)構(gòu)，與環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而使環(huán)氧樹脂固化材料的力學(xué)性能得以提高［8］。由圖1 可知，聚氨酯改性環(huán)氧樹脂作為增韌劑，隨著增韌劑添加量的增加，拉伸強度、斷裂伸長率呈先上升后下降的趨勢。由于聚氨酯改性的環(huán)氧樹脂增韌劑參與到固化物反應(yīng)的成形過程中，可以進一步形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高拉伸強度和斷裂伸長率［9-10］。但是隨著增韌劑的添加量由7%上升到11%，拉伸強度和斷裂伸長率呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于過量的增韌劑不能與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在固化物中呈游離狀態(tài)，導(dǎo)致拉伸強度及增韌下降。因此，為平衡拉伸強度和斷裂伸長率，增韌劑的添加量選擇為7%。

圖1 增韌劑添加量對力學(xué)性能的影響Fig.1 Influence of Addition Amount of Toughenging Agent on Mechanical Properties

3.3 耐水煮老化性能的影響

由于改性環(huán)氧薄層用膠粘劑鋪于路面后，受到自然光、濕熱天氣、紫外照射等的影響，隨著使用時間延長力學(xué)性能下降。因此，膠結(jié)料粘接性能在環(huán)境因素尤其是雨水、高溫等作用下的變化，直接關(guān)系到鋪裝層的路用性能及使用壽命，具有非常重要的現(xiàn)實意義。試樣制備根據(jù)《建筑防水涂料試驗方法：GB/T 16777-2008》，每3個砂漿塊一組，將抗滑層膠料及骨料按照規(guī)定用量平鋪在砂漿塊上，顏料添加量控制為5%的固化劑，在23±2℃下養(yǎng)護1 d 后，用于正常養(yǎng)護測試，80°C 恒溫水箱中水煮7 d、14 d 測試。

表3 為水煮老化時間對膠結(jié)料粘結(jié)強度的影響。由表3 可知，膠結(jié)料具有良好的耐水煮老化性能。正常養(yǎng)護，水煮7 d、水煮14 d 下，粘結(jié)強度分別為2.65 MPa，2.16 MPa，1.97 MPa；經(jīng)80℃水煮7 d、14 d 后，粘結(jié)強度較老化前分別下降了18.5%、25.7%，但破壞形式仍為混凝土破壞，表明改性樹脂膠粘劑的粘結(jié)強度仍高于混凝土本體強度，耐水煮老化性能較好。

表3 水煮老化時間對膠結(jié)料粘結(jié)強度的影響Tab.3 Effect of Aging Bonding Strength of Cement

4 路用性能研究

4.1 工程應(yīng)用及效果

彩色防滑施工既可以滿足抗滑需要，又可實現(xiàn)市政道路美觀、整潔、大方，主要的施工步驟包括：基面處理、膠水混合、膠水撒鋪、骨料撒布、養(yǎng)生、骨料回收。目前彩色抗滑層項目施工主要集中在園區(qū)景觀道路、城市公交車道功能區(qū)域的劃分、高速公路隧道口抗滑警示、人行天橋等路段。典型的施工效果圖如圖2所示，圖2a、圖2b 為廣州城建職業(yè)學(xué)院園區(qū)道路的攤鋪情況，圖2c 為廣東清連高速公路隧道口抗滑警示層，圖2d 為廣州海珠區(qū)公交車道功能區(qū)域劃分的彩色功能層，圖2e 為廣東省建筑科學(xué)研究院院內(nèi)道路美化升級，圖2f 為廣州福今路人行天橋抗滑鋪裝。

應(yīng)用結(jié)果表明，通過彩色抗滑層的鋪裝園區(qū)道路更加美觀、自然；對于公交車道功能區(qū)域劃分，具有良好的警示作用，可提醒行人注意安全區(qū)域；隧道口彩色抗滑警示層可提高駕駛?cè)藛T對路面的辨別能力，注意行車安全；人行天橋采用彩色環(huán)氧薄層既滿足抗滑需求，又可滿足城鎮(zhèn)道路美觀、整潔、大方的要求，成為城鎮(zhèn)道路一條靚麗的風(fēng)景線。

圖2 彩色抗滑層施工典型案例Fig.2 Typical Construction Cases of Color Anti-skid Layer

4.2 抗滑系數(shù)和構(gòu)造深度

表4 為水泥混凝土面層和彩色抗滑層擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度隨使用時間的變化，從表中可以看出，隨著使用時間的增加，擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度均呈逐漸降低的趨勢。與水泥混凝土路面比較，加鋪彩色環(huán)氧樹脂抗滑層后的路面，擺值由76 增加到95以上，構(gòu)造深度由0.36 mm 提升到1.20 mm，提高幅度分別為25%和253%。開放交通早期（0～4個月）隨著時間的延長，彩色抗滑面層未粘接牢固的骨料逐漸被車輪帶走，面層的抗滑性能明顯下降，后期抗滑性能逐漸穩(wěn)定。

表4 擺式摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度Tab.4 Pendulum Friction Coefficient and Structural Depth

5 結(jié)論

⑴通過室內(nèi)試驗研究表明，添加不同量的顏料隨添加量的增加，力學(xué)性能呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)顏料添加量為5%時，拉伸強度達到18.87 MPa，斷裂伸長率達到49.37%，剪切強度為14.65 MPa，力學(xué)性能最優(yōu)；聚氨酯改性環(huán)氧樹脂作為增韌劑，隨著增韌劑添加量的增加，拉伸強度、斷裂伸長率呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)增韌劑添加量為7%時，拉伸強度和斷裂伸長率最優(yōu)；經(jīng)80℃水煮老化7 d、14 d 后，粘接強度破壞形式仍為混凝土破壞，表明改性樹脂膠粘劑的粘結(jié)強度仍高于混凝土本體強度，耐水煮老化性能較好。

⑵通過工程應(yīng)用案例及路用性能研究表明，彩色樹脂抗滑層可應(yīng)用于園區(qū)景觀道路、城市公交車道功能區(qū)域的劃分、高速公路隧道口抗滑警示、人行天橋等特殊路段，美觀、整潔、大方，具有警示功能；隨開放交通后跟蹤測試表明，構(gòu)造深度、擺值呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢，相對水泥混凝土路面具有良好的抗滑性能。通車1年后，環(huán)氧薄層罩面的構(gòu)造深度穩(wěn)定在約1.09 mm、擺值87，說明其具有較好的抗滑性能。