微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的性能研究

雪彥鵬，張 丹，閆兆柏，余功新

(1.浙江溫州甬臺(tái)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

微表處封層作為一種路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，具有抗滑、耐磨、快速開放交通等特點(diǎn)，在高等級(jí)公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)微表處用乳化瀝青材料普遍存在高溫穩(wěn)定性差、層間黏結(jié)性不夠的問題，導(dǎo)致微表處因黏結(jié)強(qiáng)度低、耐久性不足而出現(xiàn)松散、剝落、蛻皮等病害，嚴(yán)重限制了其在道路領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[1-5]。相比于傳統(tǒng)微表處用乳化瀝青，水性環(huán)氧改性乳化瀝青具有熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)等特點(diǎn)，在道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。基于此，國內(nèi)外也對(duì)微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青展開了一系列研究[6-9]。季節(jié)等采用6 d的WTAT試驗(yàn)、抗滑擺值試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)與車轍試驗(yàn)評(píng)定了微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青材料的抗水損壞性、抗滑性、滲水性與抗車轍性[10]。韓森等采用直剪試驗(yàn)對(duì)水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的層間抗剪性能進(jìn)行了研究與評(píng)價(jià)[11]。余定洋等采用濕輪磨耗試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、輪轍變形試驗(yàn)和低溫劈裂試驗(yàn)測定了微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的路用性能[12]。Liu等采用負(fù)載輪試驗(yàn)、濕軌磨損試驗(yàn)、抗滑試驗(yàn)、負(fù)載輪跟蹤試驗(yàn)、Cantabro試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)，研究了水性環(huán)氧乳化瀝青的抗滑性能、結(jié)合性能、車轍性能和磨損性能[13]。Zhang等采用45°斜剪試驗(yàn)對(duì)微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的層間抗剪性能進(jìn)行了研究與評(píng)價(jià)[14]。以上研究表明，目前有關(guān)微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的研究主要集中在混合料的路用性能方面，缺乏對(duì)水性環(huán)氧改性乳化瀝青自身基本性能的研究，然而材料自身性能直接影響微表處路用性能，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。

基于此，本文制備水性環(huán)氧改性乳化瀝青材料，系統(tǒng)分析不同溫度及水性環(huán)氧樹脂摻量下水性環(huán)氧改性乳化瀝青的固化時(shí)間以及黏附性，并深入研究不同溫度下水性環(huán)氧改性乳化瀝青黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 水性環(huán)氧改性乳化瀝青的制備

1.1 原材料

原材料主要包括水性環(huán)氧樹脂、基質(zhì)瀝青、固化劑、乳化劑及穩(wěn)定劑等。其中，水性環(huán)氧樹脂采用改性E-51水性環(huán)氧樹脂和改性E-44水性環(huán)氧樹脂，固化劑采用ZH型；基質(zhì)瀝青采用SK 90#瀝青；乳化劑為拌合型陽離子慢裂中凝乳化劑，用于制備微表處結(jié)合料；穩(wěn)定劑為有機(jī)穩(wěn)定劑聚乙烯醇；此外還采用鹽酸來調(diào)節(jié)皂液的pH值。原材料主要技術(shù)指標(biāo)見表1、2。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 改性水性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)

1.2 制備方法

1.2.1 乳化瀝青的制備

瀝青乳化設(shè)備選用溫州強(qiáng)忠機(jī)械科技有限公司生產(chǎn)的JM-L65型膠體磨，加工細(xì)度為2～4 μm。具體制備工藝如下：基質(zhì)瀝青溫度控制在140 ℃～150 ℃，皂液溫度控制在60 ℃～70 ℃，根據(jù)需要依次加入適量乳化劑、穩(wěn)定劑和鹽酸，攪拌混合均勻；將膠體磨預(yù)熱到與皂液的溫度相當(dāng)后，啟動(dòng)膠體磨循環(huán)30 s左右，使得磨體被皂液充分浸潤；待浸潤所用皂液放出后，加入試驗(yàn)配比所用皂液量，溫度要確保在60 ℃～70 ℃，循環(huán)10～20 s后，緩慢加入預(yù)熱到規(guī)定溫度的基質(zhì)瀝青；基質(zhì)瀝青加入時(shí)要確保勻速，加入完成后繼續(xù)循環(huán)2～3 min，使得皂液與瀝青充分混合反應(yīng)，制得乳化瀝青。

1.2.2 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的制備

將一定質(zhì)量的改性水性環(huán)氧樹脂加入乳化瀝青中，攪拌混合均勻；利用高速混合剪切儀將該混合乳液先以100～300 r·min-1的速度低速剪切攪拌3 min，再以500～800 r·min-1的速度高速剪切攪拌2 min，攪拌過程中可適當(dāng)調(diào)整攪拌速度；最后手動(dòng)慢速攪拌1 min，消泡后制得水性環(huán)氧改性乳化瀝青。

2 微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的固化時(shí)間

水性環(huán)氧改性乳化瀝青干燥和固化時(shí)間直接影響微表處的可操作時(shí)間和黏結(jié)強(qiáng)度的形成。因此，系統(tǒng)研究不同溫度條件下微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的干燥及固化時(shí)間，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的表干時(shí)間

圖2 微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的實(shí)干時(shí)間

分析圖1、2可知，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，各溫度下2種水性環(huán)氧改性乳化瀝青材料的干燥與固化時(shí)間均逐漸減少。當(dāng)溫度為25 ℃，水性環(huán)氧樹脂摻量從5 %增加到10 %時(shí)，E-51型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的表干時(shí)間從45 min縮短到30 min，實(shí)干時(shí)間從190 min縮短到170 min；E-44型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的表干時(shí)間從40 min縮短到35 min，實(shí)干時(shí)間從230 min縮短到215 min。

當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為5%時(shí)，在45 ℃與60 ℃條件下，E-51型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的表干時(shí)間均為30 min；當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為10 %時(shí)，在45 ℃與60 ℃條件下，E-51型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的干燥時(shí)間均為20 min。其余情況下，水性環(huán)氧改性乳化瀝青的干燥時(shí)間與固化時(shí)間均隨溫度的升高而降低。對(duì)應(yīng)溫度與水性環(huán)氧樹脂摻量下，2種類型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的干燥與固化時(shí)間差距較小，均具有一定的可操作時(shí)間。

3 微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青與集料的黏附性

微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青應(yīng)具備良好的黏附性和高溫穩(wěn)定性，以保證微表處自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用黏結(jié)料脫落率評(píng)價(jià)微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青與集料的黏附性能，優(yōu)化微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青配比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青與集料的黏附性

分析圖3可知，摻加水性環(huán)氧樹脂對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性，能明顯降低其脫落率，提高瀝青與集料的黏附性。隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增多，2種水性環(huán)氧改性乳化瀝青的脫落率均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量從0增加到5%時(shí)，脫落率降幅較大，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量從5%增加到10%，脫落率降幅較小，幾乎可忽略不計(jì)。因此，建議水性環(huán)氧樹脂摻量為5 %。

當(dāng)溫度升高，2種水性環(huán)氧改性乳化瀝青的脫落率均隨之升高，各溫度下，E-51型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的脫落率均小于與之對(duì)應(yīng)的E-44型水性環(huán)氧改性乳化瀝青，具有更好的黏附性與高溫水穩(wěn)定性。當(dāng)溫度為100 ℃，改性水性環(huán)氧樹脂摻量為5%時(shí)，E-51型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的脫落率僅為4.35 %，仍具有良好黏附性，表現(xiàn)出較好的高溫水穩(wěn)定性。

4 微表處用水性環(huán)氧改性乳化瀝青的黏度

水性環(huán)氧改性乳化瀝青用于制備微表處稀漿混合料時(shí)，為確保混合料具有一定的可施工性和可操作時(shí)間，要求水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青具有合適的黏度，黏度過低易發(fā)生流淌，黏度過高不利于微表處拌合施工。利用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，研究水性環(huán)氧改性乳化瀝青黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律。首先將轉(zhuǎn)子和盛樣筒在相同設(shè)定溫度下保溫1.5 h，同時(shí)將布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)恒溫容器在設(shè)定溫度下保溫30 min，然后按照設(shè)定的配比制備水性環(huán)氧樹脂摻量為5%的E-51水性環(huán)氧改性乳化瀝青，初步選擇21#轉(zhuǎn)子，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，測試25 ℃、45 ℃和60 ℃三個(gè)試驗(yàn)溫度條件下黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律

分析圖4可知，溫度越高，黏度增長速率越快，固化速度越快。在25 ℃條件下，黏度幾乎不增長；在45 ℃條件下，前2.5 h內(nèi)，黏度幾乎不增長，2.5 h后黏度略有增長，在5.0 h時(shí)，黏度達(dá)到約2.5 Pa·s；在60 ℃條件下，黏度有較大幅度增長，前2.5 h黏度增長速度較慢，2.5 h后，黏度增長較快，在3.5 h后，黏度飛速增長，在4.5 h時(shí)，黏度達(dá)到26.5 Pa·s左右。根據(jù)水性環(huán)氧改性乳化瀝青不同溫度下黏度隨時(shí)間變化的規(guī)律，建議水性環(huán)氧改性乳化瀝青在使用時(shí)溫度盡量控制在45 ℃以內(nèi)。

4 結(jié) 語

(1)隨著養(yǎng)生溫度和水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，2種類型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的干燥與固化時(shí)間大致呈下降趨勢(shì)，且2種類型水性環(huán)氧改性乳化瀝青的干燥及固化時(shí)間差距較小，均具有一定的可操作時(shí)間。

(2)摻加水性環(huán)氧樹脂能顯著提高乳化瀝青與集料的黏附性能，隨著試驗(yàn)溫度的升高，2種水性環(huán)氧改性乳化瀝青與集料的黏附性均逐漸降低；水性環(huán)氧樹脂摻量為5 %或10 %時(shí)，2種水性環(huán)氧改性乳化瀝青黏結(jié)料脫落率相差不大，均表現(xiàn)出良好的黏附性，建議水性環(huán)氧樹脂摻量為5%。

(3)E-51型水性環(huán)氧改性乳化瀝青相比于E-44型，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的黏附性能，能有效確保微表處的抗剝落能力，尤其是100 ℃下具有較低的脫落率，表現(xiàn)出較好的高溫水穩(wěn)定性，更適用于濕熱多雨地區(qū)。

(4)在25 ℃條件下，E-51水性環(huán)氧改性乳化瀝青的黏度基本不增長；在45 ℃條件下，黏度在2.5 h后略有增長；在60 ℃條件下，黏度有較大幅增長。建議水性環(huán)氧改性乳化瀝青使用時(shí)溫度應(yīng)盡量控制在45 ℃以內(nèi)。