水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處制備及性能研究

陳舟宇，劉魯清，閆兆柏

(1.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司，浙江 溫州 325000； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

微表處作為公路工程最主要的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)之一，可以有效改善路表使用狀況，延長道路使用壽命，并具有施工便捷、能耗低、快速開放交通等技術(shù)優(yōu)勢[1-3]。目前，常用的微表處技術(shù)主要有SBS改性乳化瀝青微表處、SBR改性乳化瀝青微表處、水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處等。其中，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處因具有綠色環(huán)保、無污染、存儲運輸方便、可顯著改善乳化瀝青的黏結(jié)力等技術(shù)優(yōu)點[4-6]，越來越受眾多專家和學(xué)者的青睞。Luo Y等分析了水性環(huán)氧改性乳化瀝青的改性效果，并研究了微表處的抗裂性及抗車轍性能[7-10]。Li X等提出了一種采用多層密級配水性環(huán)氧微表處的設(shè)計方法，并探討了影響微表處道路性能的主要因素[8]。李秀君等提出了多級嵌擠型水性環(huán)氧樹脂微表處設(shè)計方法，并研究了影響微表處耐久性的主要因素[9]。周啟偉等評價了水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料的抗車轍性能[10]。鄭木蓮等使用水性環(huán)氧樹脂配合丁苯橡膠(SBR)對乳化瀝青進(jìn)行復(fù)合改性,制備復(fù)合改性水性環(huán)氧乳化瀝青微表處，并評價了其耐久性能[11]。張慶等研究了不同水性環(huán)氧樹脂摻量下改性乳化瀝青的穩(wěn)定性和黏附性[12]。綜上可知，目前國內(nèi)外學(xué)者對水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的研究基本都是針對混合料某項性能的提升，缺乏對水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處性能的系統(tǒng)評價。

鑒于此，本文制備水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處，優(yōu)化水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處級配，并基于濕輪磨耗試驗和負(fù)荷輪粘砂試驗，確定水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處油石比，在此基礎(chǔ)上，全面評價水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的路用性能，為水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

1 原材料與制備方法

1.1 原材料

水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處制備的主要原材料包括水性環(huán)氧改性乳化瀝青、集料、填料、水。其中，水性環(huán)氧改性乳化瀝青為自制；集料選用優(yōu)質(zhì)玄武巖，具有優(yōu)良的抗壓、耐磨耗及抗沖擊性能；填料由礦粉、水泥組成，可起到改善礦料級配和工作特性的作用；試驗用水為飲用水。根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》(TJG/T F40-02—2005)(以下簡稱《指南》)相關(guān)規(guī)定，對主要原材料進(jìn)行性能測試，結(jié)果見表1～3。

表1 水性環(huán)氧改性乳化瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

表2 玄武巖集料技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 制備方法

水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處制備方法與普通乳化瀝青微表處基本一致，按照普通乳化瀝青微表處混合料制備流程依次加入集料、填料、水、水性環(huán)氧改性乳化瀝青，然后進(jìn)行拌合即可。水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處具體制備流程如下。

表3 填料技術(shù)性能指標(biāo)

(1)準(zhǔn)備潔凈且無雜質(zhì)的粗、細(xì)集料及填料，并將上述材料烘干備用。

(2)按設(shè)計配合比稱取一定質(zhì)量的集料放入拌合鍋內(nèi)，摻入填料后拌合均勻，然后加入一定質(zhì)量的水，再次拌合均勻。

(3)稱取一定質(zhì)量自制水性環(huán)氧改性乳化瀝青(水性環(huán)氧改性乳化瀝青稱取之前要攪拌均勻)，加入拌合鍋，順時針攪拌至礦料表面均勻裹附水性環(huán)氧改性乳化瀝青。

(4)將拌合均勻的水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料倒入試模，最后將試件置于特定養(yǎng)生環(huán)境中養(yǎng)生。

2 水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的配合比設(shè)計

2.1 級配選擇

按照礦料級配的不同，微表處通常分為Ⅱ型和Ⅲ型，分別用MS-2和MS-3表示，本文選擇MS-3型級配，具體設(shè)計級配見表4。其中，水泥用量為1.5%，礦粉用量為8.5%。

2.2 最佳油石比的確定

根據(jù)《指南》，采用1 h濕輪磨耗試驗(WTAT)和負(fù)荷輪粘砂試驗(LWT)確定乳化瀝青微表處的最佳油石比，其中微表處混合料的最大及最小油石比分別由LWT的負(fù)荷輪粘砂量和WTAT的1 h濕輪磨耗損失率控制，具體試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：隨著油石比的增加，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的濕輪磨耗損失逐漸減少，當(dāng)油石比為6.6%時，濕輪磨耗損失最大，為450 g·m-2，與之相比，當(dāng)油石比增加至7.2%時，濕輪磨耗損失降低38.17%，但測試結(jié)果均滿足規(guī)范限值要求(≤540 g·m-2)；相反，隨著油石比增加，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處負(fù)荷輪粘砂量逐漸減大，當(dāng)混合料油石比由6.6%增加至7.2%時，黏附砂量增加51.67%，但滿足規(guī)范限值(≤450 g·m-2)要求。

表4 微表處設(shè)計級配

圖1 不同油石比下水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處1 h WTAT和LWT測試結(jié)果

綜上可知，本文水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處最佳油石比宜為7%左右，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)油石比大于7.0%時，混合料表面有泛油現(xiàn)象，并且在負(fù)荷輪碾過程中有輕微粘輪現(xiàn)象發(fā)生，這表明微表處混合料油石比不宜過大。因此，結(jié)合道路經(jīng)濟(jì)性，為保證水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料的路用性能最佳，最終確定最佳油石比為7.0%。

3 水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處性能評價

3.1 可拌合時間及成型狀態(tài)

參照《指南》，通過拌合試驗和黏聚力試驗，分別測試了水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的可拌合時間、30 min黏聚力及60 min黏聚力，從而進(jìn)行水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處可拌合時間和成型狀態(tài)的評價?！吨改稀芬?guī)定，微表處混合料30 min黏聚力不得小于1.2 N·m，60 min黏聚力不得小于2.0 N·m。具體測試結(jié)果見表5、6。

由表5可知，隨著外加水量的增加，水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的可拌合時間逐漸增大，當(dāng)外加水量大于8%時，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料的可拌合時間均大于300 s，滿足規(guī)范要求(>120 s)。因此，為使水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料的可拌合時間在滿足規(guī)范要求的前提下不影響混合料的攤鋪質(zhì)量，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處外加水量宜為8%。

表5 不同外加水量下水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處可拌合時間測試結(jié)果

表6 水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處黏聚力測試結(jié)果

由表6可知，隨著水性環(huán)氧樹脂的加入，微表處混合料30 min黏聚力呈下降趨勢，60 min黏聚力略微增大，同時，60 min的破壞狀態(tài)表明水性環(huán)氧改性乳化瀝青為中度成型。分析認(rèn)為：水性環(huán)氧樹脂的摻加能夠延緩水泥的水化反應(yīng)，導(dǎo)致水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料的30 min黏聚力值低于普通乳化瀝青微表處混合料；但隨著時間的增加，水泥水化反應(yīng)逐漸進(jìn)行，同時水性環(huán)氧樹脂也開始固化，最終導(dǎo)致水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料的60 min黏聚力值高于普通乳化瀝青微表處混合料。

3.2 耐磨耗性能及抗水損壞性能

微表處運營后將長期經(jīng)受車輪磨耗以及雨水等的侵蝕，故研究水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的耐磨耗性能和抗水損壞性能具有重要意義。參考《指南》，采用1 h濕輪磨耗損失和6 d濕輪磨耗損失分別評價水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的耐磨耗性能和抗水損壞性能，結(jié)果見圖2。

圖2 水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處1 h和6 d濕輪磨耗損失

由圖2可知，普通乳化瀝青微表處和水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的耐磨耗性能及抗水損壞性能均滿足規(guī)范要求。與普通乳化瀝青微表處相比，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的耐磨耗性能和抗水損壞性能提升效果較明顯，其中耐磨耗性能提高28.77%，抗水損壞性能提高23.97%。這表明水性環(huán)氧樹脂的加入可增強乳化瀝青的黏度和剛度，有效改善乳化瀝青與集料間的黏結(jié)力。

3.3 抗車轍性能

參照《指南》，采用輪轍變形試驗評價水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的抗車轍性能，主要評價指標(biāo)為寬度變形率和深度變形率，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處輪轍變形率

由圖3可知，水性環(huán)氧樹脂的加入能夠提升乳化瀝青微表處的抗車轍能力，相比于普通乳化瀝青微表處，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處輪轍變形率明顯降低，其中輪轍寬度和深度變形率分別降低43.55%和42.24%。分析認(rèn)為，這是由于水性環(huán)氧樹脂在乳化瀝青中與固化劑發(fā)生反應(yīng)后，生成了具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化產(chǎn)物，這種固化產(chǎn)物與破乳后的瀝青呈相互穿插狀，并與集料緊密地黏結(jié)在一起，因此微表處的強度明顯增強，抗車轍性能得到顯著改善。

3.4 抗滑性能

水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處應(yīng)具有良好的抗滑性能，以保障行車安全性，參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E2—2011)，采用構(gòu)造深度和抗滑擺值評價微表處的抗滑性能，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 水性環(huán)氧改性乳化瀝青構(gòu)造深度及抗滑擺值

由圖4可知，在乳化瀝青中加入水性環(huán)氧樹脂后，微表處的構(gòu)造深度和抗滑擺值均有一定的增長，但增長幅度并不明顯。水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的構(gòu)造深度大于1.0 mm，抗滑擺值大于77(BPN)，試驗結(jié)果均滿足規(guī)范《公路工程質(zhì)量檢查評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F 801—2012)中的要求，且處于較高水平，明顯優(yōu)于常規(guī)微表處的構(gòu)造深度和抗滑擺值，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗滑性能。

4 結(jié) 語

(1)水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處可拌合時間大于300 s，60 min黏聚力可達(dá)2.18 N·m，且60 min時為中度成型狀態(tài)。

(2)相比普通乳化瀝青微表處，水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的耐磨耗性能和抗水損壞性能分別提升了28.77%和23.97%，輪轍寬度和深度變形率分別降低了43.55%和42.24%，表明水性環(huán)氧樹脂的加入有效改善了乳化瀝青與集料間的黏結(jié)力，并且大幅提升了微表處抗車轍性能。

(3)水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的構(gòu)造深度大于1.0 mm，抗滑擺值大于77(BPN)，明顯優(yōu)于常規(guī)微表處的構(gòu)造深度和抗滑擺值，處于較高水平，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗滑性能。