基于環(huán)氧復(fù)合瀝青的嵌固抗滑極薄磨耗封層性能研究

■王家主 楊龍清

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

0 引言

我國瀝青路面通常在服役后不久即發(fā)生表面構(gòu)造磨損消耗的現(xiàn)象，造成抗滑性能急劇衰減，嚴(yán)重影響車輛的行駛安全以及道路的服務(wù)水平。針對此類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完好、僅僅需要恢復(fù)表面功能的早期病害， 通常采用含砂霧封層、微表處等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行處治。該類技術(shù)成本相對低廉， 施工簡易高效， 而且可以有效恢復(fù)路面抗滑性能，但是目前國內(nèi)大多數(shù)含砂霧封層技術(shù)中，由于膠結(jié)料的粘結(jié)強(qiáng)度不夠， 尤其在雨水較多的南方地區(qū)應(yīng)用時容易出現(xiàn)磨耗、剝落等現(xiàn)象，耐久性不夠。 本文基于水性環(huán)氧樹脂和改性乳化瀝青的優(yōu)異性能， 研發(fā)一種新型的嵌固抗滑極薄磨耗封層技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)SBS 改性瀝青采用I-D 型SBS 改性瀝青； 瀝青乳化劑為采購自北京新路時代科技有限公司的RTE-RM1型乳化劑。

(2)環(huán)氧樹脂為采購自大連志辰合成材料有限公司的ZEW-331 型自乳化環(huán)氧樹脂；水性環(huán)氧固化劑為采購自蘇州梅果望地坪材料有限公司的WG826 型固化劑。環(huán)氧樹脂和水性環(huán)氧固化劑的指標(biāo)如表1 所示。

(3) 所用骨料為產(chǎn)自河北省石家莊市靈壽縣的24 目金剛砂。

1.2 SBS 改性乳化瀝青的制備

將0.8 份乳化劑加入到60°C 水中，并通過向皂液中滴加37%鹽酸將皂液的pH 值調(diào)節(jié)至2.0～2.2 之間，充分?jǐn)嚢柙硪菏谷榛瘎┩耆芙?，隨后倒入皂液罐中；將SBS改性瀝青加熱到170～180°C 之間； 同時對膠體磨及管線進(jìn)行預(yù)加熱至85～95°C。 打開循環(huán)水換熱器，依次開啟膠體磨、皂液輸送泵和瀝青輸送泵，調(diào)節(jié)皂液輸送泵和瀝青輸送泵的流量，制備出固含量為50%的改性乳化瀝青。制得的乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如表2 所示。

表1 環(huán)氧樹脂和水性環(huán)氧固化劑的技術(shù)指標(biāo)

表2 改性乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

1.3 環(huán)氧樹脂乳液的制備

通過反相乳化法制備環(huán)氧樹脂乳液，具體步驟為：將55 份水性自乳化環(huán)氧樹脂置于50°C 水浴中， 并用高速攪拌機(jī)以1000r/min 的攪拌速度進(jìn)行攪拌。待樹脂溫度穩(wěn)定后加入18 份50°C 的水，攪拌30min；然后再加入13.5份50°C 水， 攪拌5min； 最后再加入剩余的13.5 份50°C水，攪拌5min，即得固含量為55%的環(huán)氧樹脂乳液。

1.4 粘結(jié)性能測試

采用AC-13 瀝青混合料車轍板試件作為實(shí)施嵌固抗滑極薄磨耗封層的模擬路面載體， 并進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測試。AC-13 瀝青混合料的礦料級配見表3。 膠結(jié)料為I-D型SBS 改性瀝青，最佳油石比為5.0%。 混合料的空隙率為4.2%，其它指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

將水性環(huán)氧樹脂和水性固化劑按照樹脂乳液: 水性固化劑=10:7.5 的比例進(jìn)行混合， 攪拌5min 后形成環(huán)氧樹脂膠，分別按照環(huán)氧樹脂膠:乳化瀝青:金剛砂=10:10:7的比例充分?jǐn)嚢杈鶆? 制備成嵌固抗滑極薄磨耗封層材料。 在車轍板中心選取一塊直徑為10cm 的圓形區(qū)域，將封層材料按照3kg/m2的涂抹量進(jìn)行涂抹，并用連接在拉拔儀上的φ10cm 拉拔頭與其充分粘結(jié)，靜置12h，設(shè)定拉伸速度為10mm/min 并啟動拉拔儀，測試最大拉拔力，并按照以下公式計算拉拔強(qiáng)度。

表3 AC-13 瀝青混合料礦料級配

式中，σ——拉拔強(qiáng)度，MPa；

P——拉伸過程中出現(xiàn)的最大拉力，kN。

1.5 防水性能和抗滑性能測試

與拉拔強(qiáng)度測試相同，采用AC-13 瀝青混合料車轍板試件作為模擬路面載體，并在車轍板上涂覆封層材料，固化12h 后，按照T0730-2011 規(guī)定的方法測試嵌固抗滑極薄磨耗封層的滲水系數(shù)，按照T0964-2008 規(guī)定的方法測試嵌固抗滑極薄磨耗封層的擺式摩擦系數(shù)。

1.6 耐磨刷測試

為研究水性環(huán)氧樹脂的耐水性能和耐磨耗性能，借鑒涂料測試中的耐磨刷性能測試方法， 測試設(shè)備為廣州市盛華實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的耐磨刷測試儀BEVS-2805，如圖1 所示。 為盡可能模擬實(shí)際使用過程中負(fù)重車輪與封層材料之間的磨耗過程， 將設(shè)備中的磨刷頭更換成聚氨酯輪胎橡膠塊，同時加載1000g 不銹鋼塊配重件。通過復(fù)寫紙測試， 配重后磨刷頭與試件的接觸面尺寸為10mm×1.4mm，即接地壓強(qiáng)大約為0.7MPa。 測試速度設(shè)定為每分鐘37 循環(huán)，單次磨刷距離30cm，即平均掃刷速度約為80km/h。 測試時，將嵌固抗滑極薄磨耗封層材料涂刷到白色膠片上，固化12h 后，分別采用干刷和濕刷兩種模式進(jìn)行測試， 以封層材料被刷透并導(dǎo)致局部露出白色膠片時的掃刷次數(shù)評判涂層耐磨刷能力。

圖1 耐磨刷測試儀及測試試件

1.7 室外模擬試驗(yàn)

在泉州市某城市道路施工小型嵌固抗滑極薄磨耗封層及傳統(tǒng)含砂霧封層試驗(yàn)段， 并連續(xù)跟蹤觀測試驗(yàn)段的防水及抗滑性能的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合膠結(jié)料的恩格拉粘度與粒徑

將水性環(huán)氧樹脂膠(包含環(huán)氧樹脂乳液與水性環(huán)氧固化劑) 與改性乳化瀝青按比例混合并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笮纬傻幕旌弦好芊夥胖貌煌瑫r間， 分別進(jìn)行恩格拉粘度測試，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 水性環(huán)氧樹脂膠與改性乳化瀝青混合后的恩格拉粘度變化

通過靜置存儲不同時間后的恩格拉粘度變化可知，環(huán)氧樹脂乳液與水性環(huán)氧固化劑混合形成的環(huán)氧膠會快速發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)， 體系粘度逐漸增大； 改性乳化瀝青在1h 的時間范圍內(nèi)， 恩格拉粘度幾乎不會發(fā)生任何變化；而環(huán)氧膠與改性乳化瀝青的混合物隨時存儲時間延長，也呈現(xiàn)出粘度增長的趨勢， 但由于環(huán)氧膠濃度被改性乳化瀝青稀釋，環(huán)氧樹脂與固化劑之間的反應(yīng)速率減慢，因此其粘度增長速度要明顯低于單一的環(huán)氧膠。 根據(jù)環(huán)氧膠/改性乳化瀝青混合物的粘度增長規(guī)律，為保證嵌固抗滑極薄磨耗封層材料的良好施工性和可噴灑性， 應(yīng)盡可能在混合后的30min 以內(nèi)完成噴灑施工。

圖3 水性環(huán)氧樹脂膠與改性乳化瀝青混合后的粒徑分布

將水性環(huán)氧樹脂膠與改性乳化瀝青混合液用皂液稀釋20 倍，隨后利用激光粒度儀測試混合液的粒徑，得到其粒徑分布如圖3 所示。 圖3 中出現(xiàn)的兩個峰分別是環(huán)氧樹脂乳液和乳化瀝青顆粒的粒徑， 根據(jù)兩者的摻量和濃度大小， 可以推斷出0.562μm 應(yīng)為環(huán)氧樹脂乳液顆粒的平均粒徑(兩者摻量相等， 但環(huán)氧樹脂乳液的濃度較大，峰也會較高)，2.089μm 應(yīng)為改性乳化瀝青顆粒的平均粒徑。兩個峰均呈現(xiàn)出尖而窄的形狀，表明兩種不同的顆粒粒徑基本都是呈現(xiàn)單分布狀態(tài)， 可以推斷出兩種材料的乳化過程均較為穩(wěn)定、均一。兩種膠結(jié)料的粒徑差別也較大，使得環(huán)氧樹脂乳液顆粒更容易地實(shí)現(xiàn)均勻分散，最終形成兩種膠結(jié)料相互穿插的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

2.2 粘結(jié)強(qiáng)度分析

嵌固極薄抗滑磨耗封層的拉拔強(qiáng)度測試結(jié)果如表4所示。為進(jìn)一步研究環(huán)氧膠對拉拔強(qiáng)度的影響規(guī)律，本研究中改變了不同的環(huán)氧膠摻量， 對其拉拔強(qiáng)度進(jìn)行同條件對比測試。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，未添加環(huán)氧樹脂的情況下 (近似于傳統(tǒng)的含砂霧封層)， 拉拔強(qiáng)度只有0.61MPa；而摻加環(huán)氧樹脂后拉拔強(qiáng)度大幅度提升，當(dāng)環(huán)氧膠/改性乳化瀝青/金剛砂=10∶10∶7 時， 拉拔強(qiáng)度達(dá)到2.33MPa，遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)含砂霧封層的粘結(jié)強(qiáng)度。 考慮到環(huán)氧樹脂摻加量太大的情況下， 容易造成混合體系的固化速度過快，不利于施工操作，因此在后續(xù)研究中，選用環(huán)氧膠/改性乳化瀝青/金剛砂=10∶10∶7 作為封層材料的體系。

表4 嵌固極薄抗滑磨耗封層材料的拉拔強(qiáng)度

2.3 抗滑性能

對涂覆嵌固抗滑極薄磨耗封層的車轍板利用擺式摩擦系數(shù)測試潮濕狀態(tài)下的擺值BPN，測試結(jié)果如表5所示。 盡管試驗(yàn)中所用的載體為新制的車轍板試件，表面的擺式摩擦系數(shù)較高，但是與之相比，涂覆嵌固抗滑極薄磨耗封層后仍然呈現(xiàn)出更高的擺值。 涂覆封層材料后， 試件表面一定程度上保留了原來路面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，同時又加上了金剛砂提供的表面粗糙度，因此可以大幅度提高表面的抗滑能力。

表5 潮濕狀態(tài)下磨耗層的擺值BPN

2.4 防水性能

涂覆嵌固抗滑極薄磨耗層前后的滲水系數(shù)測試結(jié)果如表6 所示。 由結(jié)果可知，涂覆封層材料后試件表面不透水。 這是由于封層材料的“膠結(jié)料/骨料”比較大，而且在施工初期環(huán)氧樹脂未發(fā)生固化時， 膠結(jié)料的粘度較低，會滲透到原路面表面，有效填充原路面的微空隙，并且在原路面表面形成一層致密的防水膜， 因此可以獲得優(yōu)異的防滲能力，有效地保護(hù)原路面，減少滲水損害。

表6 涂覆嵌固抗滑極薄磨耗層前后的滲水系數(shù)變化

2.5 耐久性能

利用耐磨刷測試儀， 分別測試了在干燥和潮濕條件下嵌固抗滑極薄磨耗封層能夠承受磨刷的次數(shù)， 測試結(jié)果如表7 所示。 由結(jié)果可知， 不管是干刷還是濕刷條件下，摻加環(huán)氧膠之后，封層材料的耐水、耐磨刷性能均比未摻加環(huán)氧膠的傳統(tǒng)含砂霧封層要有明顯提升。 其主要原因是環(huán)氧樹脂固化后形成的粘結(jié)強(qiáng)度要明顯高于改性瀝青，不僅有利于增強(qiáng)膠結(jié)料與骨料之間的粘結(jié)，同時還大幅提高了封層材料與基材之間的粘結(jié)強(qiáng)度， 有效地抵抗了水對粘結(jié)界面的侵蝕和剝離作用， 能夠顯著延長封層材料的預(yù)期使用壽命。

表7 嵌固抗滑極薄磨耗封層的耐久性測試

2.6 室外模擬

鋪設(shè)一年后對嵌固抗滑極薄磨耗封層和傳統(tǒng)含砂霧封層樣品的表面情況進(jìn)行觀察， 外觀照片如圖4 所示。 鋪設(shè)一年之后，嵌固抗滑極薄磨耗封層的表面完好無損， 而傳統(tǒng)含砂霧封層樣品的表面沿輪跡帶方向有明顯的磨損現(xiàn)象，基本可以見到原來路面的結(jié)構(gòu)。 這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂極性大，粘結(jié)能力強(qiáng)，同時固化后形成網(wǎng)絡(luò)穿插結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了封層材料的整體性能。 由表8 所示的室外模擬試驗(yàn)段的現(xiàn)場測試結(jié)果可知， 兩種樣品摩擦系數(shù)隨通車時間而減小， 其中抗滑極薄磨耗封層衰減的速率較慢，而傳統(tǒng)含砂霧封層由于磨損嚴(yán)重，其擺式摩擦系數(shù)下降明顯。

圖4 嵌固抗滑極薄磨耗封層與傳統(tǒng)含砂霧封層試驗(yàn)段對比

表8 嵌固抗滑極薄磨耗封層與含砂霧封層試驗(yàn)段的抗滑能力和防水能力對比

3 結(jié)語

本文從粘結(jié)強(qiáng)度、抗滑性能、防水能力、耐磨耗性能等方面對嵌固抗滑極薄磨耗封層與傳統(tǒng)含砂霧封層兩種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行了對比分析。 借助于環(huán)氧樹脂自身優(yōu)異的粘結(jié)能力和力學(xué)性能， 以及環(huán)氧樹脂與乳化瀝青之間形成的網(wǎng)狀穿插結(jié)構(gòu)， 嵌固抗滑極薄磨耗封層在牢固粘結(jié)、防水抗?jié)B、耐久抗滑等方面都體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。近年來以恢復(fù)路面抗滑性能、提高行車安全系數(shù)為主要目標(biāo)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)層出不窮， 實(shí)現(xiàn)快速簡易施工并且廉價耐久是主要發(fā)展趨勢。 嵌固抗滑極薄磨耗封層能夠明顯提升路面抗滑性能并且持續(xù)耐久， 還能兼顧防水抗?jié)B、改善外觀等功能，在我國公路養(yǎng)護(hù)市場中具有重要的推廣價值和廣闊的應(yīng)用前景。