冷再生用乳化瀝青與水性環(huán)氧樹(shù)脂的適用性研究

裴 強(qiáng)

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

冷再生技術(shù)可將廢舊瀝青混合料重新再利用，避免資源浪費(fèi)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，與其他傳統(tǒng)的施工方法相比，可節(jié)省總投資40%～50%，符合交通部關(guān)于“推進(jìn)綠色交通發(fā)展”的政策導(dǎo)向，值得大力推廣?，F(xiàn)階段冷再生技術(shù)再生后的混合料只能用于低等級(jí)道路或低層次路面，不能用于上面層，很大程度地限制了冷再生技術(shù)的有效發(fā)揮與推廣。如果可以通過(guò)添加改性劑將冷再生技術(shù)應(yīng)用于一二級(jí)公路的面層改建中，不僅可提升廢舊料的附加值，還能帶來(lái)十分顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益[1-2]。

基于水性環(huán)氧樹(shù)脂獨(dú)特的高黏結(jié)性、良好的抗變形能力、環(huán)保性，以及與乳化瀝青體系的可相容性，用該材料解決冷再生混合料性能不足的問(wèn)題是切實(shí)可行的。目前市售水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青配伍性差，混合后易破乳，鑒于此，本課題組自主開(kāi)發(fā)出與乳化瀝青冷再生配套的水性環(huán)氧樹(shù)脂，并研究了水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的各項(xiàng)性能，為后期推廣應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 主要原材料

表1 主要原材料情況

2 水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青相容性研究[3-4]

2.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的制備

首先將水性環(huán)氧樹(shù)脂于溫水浴中攪拌，將乳化瀝青按一定比例緩慢倒入，再使用剪切分散乳化機(jī)在5 000 rpm 下剪切攪拌20 min，制備出水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青。

2.2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

通過(guò)機(jī)械剪切制備水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的過(guò)程中，兩種乳液中分子鏈發(fā)生吸附、包裹，達(dá)到了一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這種穩(wěn)定狀態(tài)維持的時(shí)間，影響改性乳化瀝青的儲(chǔ)存和使用。因此，考察了共混體系的5 d 儲(chǔ)存穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

由上述結(jié)果可知，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，體系的儲(chǔ)存穩(wěn)定性均呈降低的趨勢(shì)，其中市售產(chǎn)品與乳化瀝青配伍性很差，體系的儲(chǔ)存穩(wěn)定性無(wú)法滿足規(guī)范要求（小于等于5%），而自制水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青在摻量25%以內(nèi)都可滿足規(guī)范要求。

2.3 Zeta電位研究

取不同配比的樣品備用，各樣品達(dá)到室溫平衡后，取少量上層清液稀釋500 倍后，置于外加電場(chǎng)中，帶電顆粒會(huì)在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，使散射光發(fā)生多普勒頻移，再通過(guò)技術(shù)分析可計(jì)算出顆粒的Zeta 電位[5]。每種樣品均進(jìn)樣3 次，每次重復(fù)記錄3 次，取其平均值。結(jié)果如表3所示。

表3 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)粒徑、Zeta 電位的影響

表3、圖1、圖2中結(jié)果表明，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，改性乳化瀝青的Zeta 電位絕對(duì)值均呈降低的趨勢(shì)，顆粒平均粒徑增大，摻量超過(guò)30%后變化明顯。而自制水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青后，有效粒徑更低，Zeta 電位更高，體系更穩(wěn)定，這說(shuō)明自制水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青配伍性更好，能吸附在瀝青微粒周?chē)瑫r(shí)兩者互相包裹，導(dǎo)致乳液的粒徑較小，而市售水性環(huán)氧樹(shù)脂游離在體系之外，導(dǎo)致平均粒徑迅速增大，Zeta 電位迅速降低。

圖1 水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)有效粒徑的影響

圖2 水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)Zeta 電位的影響

3 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青黏度變化

乳化瀝青在使用過(guò)程中，工作性能對(duì)乳化瀝青的黏度提出一定要求。黏度過(guò)低會(huì)造成與集料拌合時(shí)稠度偏小，離析和乳液流失的現(xiàn)象容易發(fā)生，施工和易性也受到影響。如果乳化瀝青黏度太高，則會(huì)導(dǎo)致噴灑、拌合困難，因此施工技術(shù)規(guī)范要求拌合用改性乳化瀝青恩格拉黏度應(yīng)滿足3～30 的要求。

本體系中水性環(huán)氧樹(shù)脂和水性固化劑在常溫下會(huì)緩慢發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，導(dǎo)致體系的黏度處于動(dòng)態(tài)變化中。為了考察水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的黏度變化，分別對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為5%、15%、30%的改性乳化瀝青進(jìn)行了恩格拉黏度試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 自制水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青黏度變化

圖4 市售水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青黏度變化

從圖3、圖4中可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的恩格拉黏度隨著儲(chǔ)存時(shí)間推移在不斷增長(zhǎng)。而水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量越高，黏度增長(zhǎng)越快，適用期變短。這是由于改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑在常溫下共混接觸后，會(huì)緩慢發(fā)生環(huán)氧基開(kāi)環(huán)并逐步形成環(huán)氧樹(shù)脂微凝膠體，導(dǎo)致體系黏度增長(zhǎng)[6-7]。而水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量越大，形成環(huán)氧樹(shù)脂微凝膠體所用時(shí)間越短，黏度增長(zhǎng)越迅速。

當(dāng)自制水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量分別為5%、15%、30%時(shí)，改性乳化瀝青黏度增長(zhǎng)到30，所用時(shí)間分別為9 h、7 h、4 h。而市售水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青黏度增長(zhǎng)到30 所用時(shí)間為7 h、5 h、3 h。自制產(chǎn)品改性乳化瀝青的適用期更長(zhǎng)，更滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的黏附性

通過(guò)對(duì)不同摻量的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青進(jìn)行黏附性測(cè)試，分析水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青在集料表面固化成膜后黏結(jié)性能和受環(huán)境影響下與集料結(jié)合的穩(wěn)定性。試驗(yàn)參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中黏附性試驗(yàn)的水煮法進(jìn)行測(cè)試[8]。結(jié)果如表4所示。

表4 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青黏附性等級(jí)

由表4可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入能顯著提升乳化瀝青與石料的黏附性[9]。主要因?yàn)樗原h(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)固化和乳化瀝青的破乳黏結(jié)同步進(jìn)行，二者可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)體系與集料的黏附性。而自制水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青的協(xié)同效應(yīng)更好，體系黏附性提升更加明顯。當(dāng)自制水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為30%時(shí)，可達(dá)到5 級(jí)。

5 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青的力學(xué)性能

本文采用拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)試體系受拉破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率，進(jìn)而評(píng)價(jià)材料的強(qiáng)度和韌性。

拉伸試驗(yàn)所用試件的成型方法為：在室溫下將一定比例的水性環(huán)氧樹(shù)脂、水性固化劑及乳化瀝青混合均勻并倒入矩形模具中，再將模具放入60 ℃的恒溫干燥箱中養(yǎng)護(hù)24 h，然后放置常溫下6 h 后脫模，把成型好的試驗(yàn)樣品用切割機(jī)裁切成規(guī)范要求的形狀，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的抗拉強(qiáng)度

圖6 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的斷裂伸長(zhǎng)率

從圖5、圖6可以看出，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的加大，拉伸強(qiáng)度均增大，斷裂伸長(zhǎng)率均降低。這主要是由于水性環(huán)氧樹(shù)脂的添加，增加了體系的熱固屬性，并隨著摻入量的增多，體系由瀝青為主相的熱塑性材料逐步演變?yōu)榄h(huán)氧樹(shù)脂為主相的偏熱固性材料，最終形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10-11]。當(dāng)自制水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為15%時(shí)，改性乳化瀝青在兼顧韌性的同時(shí)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1.5 MPa 以上，可滿足工程需要。

6 結(jié)論

自制的水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青相容性好，適用期長(zhǎng)，可提升與石料的黏附性，當(dāng)摻量為15%時(shí)，黏附性等級(jí)為4 級(jí)，抗拉強(qiáng)度大于1.5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率61%，可賦予體系良好的抗變形能力和柔韌性，其性能完全優(yōu)于市售產(chǎn)品，能應(yīng)用于一、二級(jí)公路瀝青面層的翻修改造。