水性環(huán)氧-SBR低溫型冷補瀝青研發(fā)及其混合料性能

張爭奇，趙勤勝，張 偉，成高立

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.陜西高速機械化工程有限公司，陜西 西安 710038)

冷補料是路面坑槽修補的常用材料，它是一種全天候修補材料，可及時、高效修補路面坑槽，預(yù)防其進一步發(fā)展，保證公路的服務(wù)水平和使用壽命.目前國內(nèi)外對于冷補料的研究成果主要集中在冷補瀝青稀釋劑的選擇、冷補瀝青外加劑的研發(fā)、冷補料配合比優(yōu)化設(shè)計及性能評價等方面[1-2].其中美國、加拿大等國家的相關(guān)研究水平較高，且應(yīng)用效果較好.國內(nèi)主要采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、萜烯樹脂、石油樹脂、聚酰胺和水性環(huán)氧樹脂等材料研制冷補瀝青外加劑[3-4]，此類材料的黏附性、熱穩(wěn)定性較好，但在低溫環(huán)境下韌性較差，導(dǎo)致以此研發(fā)的冷補料在低溫季節(jié)時出現(xiàn)松散、剝落等病害[5].

針對當(dāng)前冷補料在低溫季節(jié)應(yīng)用的缺陷，利用SBR膠乳對水性環(huán)氧固化體系的韌性進行改善，研發(fā)出一種低溫型冷補瀝青，對新型冷補料的路用性能和施工性能進行評價，研究成果可應(yīng)用于低溫氣候環(huán)境下瀝青路面坑槽修復(fù)，對提高瀝青路面修補水平及質(zhì)量具有重要意義.

1 試驗材料和方法

1.1 冷補瀝青材料組成

冷補瀝青一般由基質(zhì)瀝青、稀釋劑和添加劑等材料組成，通過在瀝青中摻入合適的稀釋劑來提高混合料的施工和易性，摻加添加劑來保證瀝青的路用性能.

試驗中基質(zhì)瀝青選用SK90#基質(zhì)瀝青；考慮到揮發(fā)性、安全性，稀釋劑選用0#柴油；增黏劑選用深圳市吉田化工有限公司生產(chǎn)的萜烯樹脂T-100；抗剝落劑選用重慶海木交通技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AMR(II)；水性環(huán)氧組分由水性環(huán)氧樹脂和固化劑組成，其中前者采用自乳化型水性EP-20乳液，后者采用經(jīng)過化學(xué)改性的聚酰胺類固化劑HGC.水性環(huán)氧組分技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 水性環(huán)氧組分技術(shù)指標(biāo)

從改善水性環(huán)氧固化體系韌性的目的出發(fā)，選用了美國美德維實偉克公司生產(chǎn)的INDUL IN 1468陽離子丁苯膠乳(SBR膠乳)作為低溫型冷補瀝青的增強劑.

1.2 試驗方法

1.2.1冷補瀝青相關(guān)試驗

冷補瀝青既要滿足冷補料的施工和易性和儲存穩(wěn)定性，又要使冷補料方便壓實，經(jīng)攤鋪壓實后能夠形成較強的黏聚力，擬測試其黏度、揮發(fā)性、儲存穩(wěn)定性及蒸餾殘余物性質(zhì)等主要性能指標(biāo).試驗方案如下：

1) 黏度試驗.操作步驟參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》.

2) 儲存穩(wěn)定性試驗.將定量冷補瀝青注入試管，在室溫下存放3 d，再將試管置于(-20±2)℃冰箱中保溫3 h，然后測量瀝青上、下部分黏度差，黏度差越小，則冷補瀝青儲存穩(wěn)定性就越好.

3) 蒸餾.保證在5～10 min內(nèi)達(dá)到液體瀝青沸點，蒸餾結(jié)束后將殘余瀝青倒出，然后取一定量殘余物，通過測定瀝青針入度、軟化點和延度評價殘余物的性能.

1.2.2冷補料相關(guān)試驗

結(jié)合坑槽修補對冷補料強度、抗變形能力和耐久性的需求，擬測試其初始及成型穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等主要性能指標(biāo).

1) 初始穩(wěn)定度.將試件雙面擊實25次之后，連同試模在25 ℃恒溫箱中通風(fēng)養(yǎng)生6 h，再雙面擊實25次，脫模后在 (25±1)℃恒溫水槽中養(yǎng)生30 min，立即測試穩(wěn)定度.

2) 成型穩(wěn)定度.將試件雙面各擊實50次后，連同試模側(cè)立放在110 ℃烘箱中養(yǎng)生24 h，再雙面各擊實25次，脫模后在(60±1)℃恒溫水槽中養(yǎng)生30 min，立即測試其穩(wěn)定度.

3) 高溫穩(wěn)定性.將新拌冷補料裝入試模，用輪碾儀往返碾壓8次，按照修正成型條件進行烘箱養(yǎng)生，再將試件往返碾壓4次，壓實成型后繼續(xù)在室溫通風(fēng)放置7 d后，測試其動穩(wěn)定度.

4) 低溫抗裂性.將新拌冷補料裝入試模，用輪碾儀往返碾壓8次，然后置于5 ℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后將試件往返碾壓4次，再養(yǎng)生7 d即可切割小梁試件，測試其低溫抗裂性能.

5) 水穩(wěn)定性.浸水馬歇爾試驗參照J(rèn)TG E20—2011《 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》.

6) 漢堡車轍試驗法.按照初始穩(wěn)定度的成型方法成型車轍板，待脫模養(yǎng)生后進行漢堡車轍試驗.試驗指標(biāo)為荷載作用20 000次后的車轍深度或車轍深度達(dá)到20 mm時的荷載作用次數(shù)，試驗結(jié)果由車轍深度、蠕變速率、剝落點及剝落斜率等評價指標(biāo)構(gòu)成[6].

2 低溫型冷補瀝青的制備

2.1 冷補瀝青微觀分散性分析

采用熒光顯微鏡，探究水性環(huán)氧組分和SBR膠乳在冷補瀝青中的分散性，試驗結(jié)果見圖1.根據(jù)熒光顯微鏡的測試原理，水性環(huán)氧組分和SBR膠乳可以被激發(fā)出黃綠色的熒光，基質(zhì)瀝青因沒有可被激發(fā)顯色的化學(xué)基團而呈現(xiàn)綠色.圖1b中，可以明顯分辨出改性劑相和瀝青相的位置，水性環(huán)氧-SBR和基質(zhì)瀝青形成兩相穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由此可知水性環(huán)氧組分和SBR膠乳在瀝青相中的分散性均良好.

圖1 冷補瀝青熒光顯微鏡圖像

2.2 冷補瀝青各組分摻量確定

筆者采用正交試驗，分析確定冷補液稀釋劑、增黏劑、抗剝落劑、水性環(huán)氧組分及SBR膠乳等5個組分的最佳摻量.

2.2.1正交試驗設(shè)計

以5個組分作為因素進行正交試驗設(shè)計.初定m(基質(zhì)瀝青)：m(稀釋劑)：m(增黏劑)：m(抗剝落劑)：m(水性環(huán)氧組分)：m(SBR膠乳)=100 ∶26 ∶5 ∶0.4 ∶4 ∶3，在此基礎(chǔ)上，調(diào)整各組分摻量，按L16(45)正交表安排試驗.正交試驗方案設(shè)計如表2所示.

表2 正交試驗方案設(shè)計

2.2.2試驗結(jié)果及分析

冷補瀝青技術(shù)指標(biāo)見表3.正交試驗直觀分析表見表4，據(jù)此選擇低溫型冷補瀝青各組分最佳摻配比.蒸餾殘余物技術(shù)指標(biāo)見表5.

表3 冷補瀝青技術(shù)指標(biāo)

表4 正交試驗直觀分析表

表5 蒸餾殘余物技術(shù)指標(biāo)

1) 通過表4獲取各因素對各指標(biāo)影響的主次關(guān)系，匯總見表6.由表6可知，SBR膠乳、稀釋劑及增黏劑是影響冷補瀝青性能的主要因素，其次是水性環(huán)氧組分，最后是抗剝落劑.

表6 各因素影響次序

2) 單因素分析.① 黏度.為保證冷補瀝青易于拌和，并均勻裹附集料，同時保證冷補料的低溫施工和易性，其黏度不應(yīng)太高.由表3可知，2-5 號冷補瀝青黏度較大，不宜作為優(yōu)選方案.② 揮發(fā)性.為保證冷補瀝青便于儲存，并根據(jù)需要及時使用，其揮發(fā)量不宜太大.圖2為冷補液的3 d質(zhì)量損失率曲線.通常情況下，3 d質(zhì)量損失率越小，表明冷補瀝青揮發(fā)量越少.根據(jù)表3和圖2，可知11-16號冷補瀝青揮發(fā)量較大，不宜作為優(yōu)選方案.③ 儲存穩(wěn)定性.為保證冷補瀝青在短期儲存時不發(fā)生離析現(xiàn)象，其儲存前后黏度差不宜太大.圖3為冷補瀝青儲存前后黏度差.從表3和圖3可知，1-3和7-8號冷補瀝青的儲存前后黏度差較小，儲存穩(wěn)定性明顯優(yōu)于其他冷補瀝青.

圖2 冷補液的3 d質(zhì)量損失率

圖3 冷補瀝青儲存前后黏度差

從高低溫性能來看：稀釋劑揮發(fā)完后的殘余物性質(zhì)是決定低溫型冷補瀝青性能的關(guān)鍵，利用蒸餾試驗?zāi)M自然條件下冷補瀝青的成分變化情況，分別利用蒸餾殘余物的軟化點和延度表征冷補瀝青的高、低溫性能.由表5可知，3-6和11號的軟化點較高，高溫性能較好，另外3-6和11-14號的延度較高，低溫性能較好.

3) 綜合分析.6，7，11，14號冷補瀝青黏度適中，但 11和14 號冷補瀝青揮發(fā)性能不佳.7號儲存穩(wěn)定性優(yōu)于6號，但6號高低溫性能顯著優(yōu)于7號.由此可知，綜合性能最佳的冷補瀝青為6號，參考各因素的影響順序，稀釋劑、SBR膠乳、增黏劑的摻量參考6號冷補瀝青，水性環(huán)氧組分和抗剝落劑的摻量綜合考慮6號和7號，本節(jié)推薦稀釋劑、增黏劑、抗剝落劑、水性環(huán)氧組分和SBR膠乳的最佳摻量分別為26.0%，5.0%，0.5%，4.0%和2.0%.

3 冷補料性能評價

3.1 混合料級配及油石比

采用AC-13型礦料級配，級配設(shè)計見表7.按馬歇爾法確定水性環(huán)氧-SBR型、水性環(huán)氧型、SBR型和PT冷補料的最佳油石比分別為4.4%,4.2%,4.5%和4.0%.

表7 AC-13級配表

3.2 冷補料強度

冷補料強度是隨著稀釋劑逐漸揮發(fā)而緩慢增長，故冷補料從修補坑槽至達(dá)到最大使用壽命，必須滿足一定的初始穩(wěn)定度及成型穩(wěn)定度[7-8]，對4種冷補料進行初始馬歇爾穩(wěn)定度和成型馬歇爾穩(wěn)定度試驗，結(jié)果見圖4.

圖4 冷補料穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由圖4可知：4種冷補料的初始穩(wěn)定度均滿足呂偉民等[9]提出的要求，成型穩(wěn)定度均滿足JIG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，此外，水性環(huán)氧-SBR型冷補料的初始穩(wěn)定度和成型穩(wěn)定度均明顯優(yōu)于另外3種冷補料.水性環(huán)氧-SBR型冷補料初始穩(wěn)定度的提高是因為在冷補瀝青制備及冷補料拌和過程中，水性環(huán)氧組分存在少量固化，進而提高了冷補瀝青的黏度及冷補料的初始穩(wěn)定度，且隨著時間增長，水性環(huán)氧組分能使冷補料成型穩(wěn)定度提高1.74倍，分析其原因為稀釋劑的逐漸揮發(fā)提高了冷補瀝青的黏度，使膠結(jié)料的黏附性得到提高，水性環(huán)氧組分逐漸固化，生成網(wǎng)狀交聯(lián)固化產(chǎn)物，進一步加強冷補料的粘結(jié)力，將冷補瀝青和礦料緊密連接為一整體.從SBR型和PT型冷補料的初始穩(wěn)定度及成型穩(wěn)定度試驗結(jié)果看，SBR膠乳的加入對冷補料的穩(wěn)定度影響較小.

3.3 高溫穩(wěn)定性

為保證研發(fā)的低溫型冷補料具有較好的耐久性，要求冷補料在經(jīng)歷長時間的稀釋劑揮發(fā)及水性環(huán)氧組分固化作用后具備足夠的高溫穩(wěn)定性.對4種冷補料進行車轍試驗，結(jié)果見圖5.

圖5 冷補料車轍試驗結(jié)果

由圖5可知，相比SBR型和PT型冷補料，水性環(huán)氧組分的摻入能明顯提高冷補料的動穩(wěn)定度，水性環(huán)氧-SBR型冷補料的動穩(wěn)定度是PT型冷補料的1.91倍，這是因為隨著稀釋劑的揮發(fā)，水性環(huán)氧組分在冷補料中的固化反應(yīng)逐漸進行，最終形成強度較高的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抗車轍能力得到極大提升.

3.4 低溫抗裂性能

研發(fā)的低溫型冷補瀝青主要針對低溫季節(jié)的坑槽修補，還要求冷補料在使用階段具有較好的低溫抗裂性能.對4種冷補料進行低溫小梁試驗，結(jié)果見圖6.

圖6 低溫小梁試驗結(jié)果

由圖6可知，抗彎拉強度由大到小排序為SBR型、水性環(huán)氧-SBR型、PT型和水性環(huán)氧型，勁度模量由大到小排序為水性環(huán)氧型、PT型、水性環(huán)氧-SBR型和SBR型.這說明SBR型冷補料的低溫抗裂性能最好，其抗彎拉強度分別是水性環(huán)氧-SBR型、水性環(huán)氧型和PT型冷補料的1.15，1.61和1.45倍，且水性環(huán)氧-SBR型冷補料抗彎拉強度達(dá)到PT型冷補料的1.26倍.分析原因為SBR膠乳中的活化能和頻率因子能阻擋和減緩瀝青裂解，從而明顯改善瀝青韌性和延度，降低瀝青低溫條件下的脆性，進而對冷補料低溫抗裂性能有一定增強作用.水性環(huán)氧-SBR型冷補料兼具水性環(huán)氧型冷補料高強度、高黏聚性的優(yōu)點和SBR型冷補料優(yōu)異的低溫抗裂性能，整體路用性能較好.

3.5 水穩(wěn)定性

水是一種強極性分子，比瀝青更容易與礦料結(jié)合，所以水損害是導(dǎo)致坑槽修補失效的重要因素[10].對4種冷補料進行浸水馬歇爾試驗和漢堡車轍試驗，試驗結(jié)果見圖7和8.

圖7 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

由圖7可知，4種冷補料的殘留穩(wěn)定度均大于80%，滿足JIG F40—2004對熱拌料的要求，且殘留穩(wěn)定度由大到小依次為水性環(huán)氧-SBR型、水性環(huán)氧型、SBR型和PT型.分析其原因為環(huán)氧固化物與集料保持著高黏附性，其形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將瀝青大分子包裹，吸附瀝青中的小分子輕質(zhì)組分，從而增強瀝青對水的抵抗能力，不會輕易剝離集料.

由圖8可知：4種冷補料試件均在荷載作用一定次數(shù)后達(dá)到最大車轍深度，水性環(huán)氧-SBR型、水性環(huán)氧型、SBR型、PT型冷補料荷載作用次數(shù)分別為15 496，13 587，8 632和7 966次.這說明水性環(huán)氧-SBR型冷補料抗變形能力較好；相關(guān)研究表明，當(dāng)試件的車轍深度達(dá)到剝落點之后，破壞形式主要轉(zhuǎn)化為水損害，剝落斜率越大，表明冷補料的抗水損害能力越好.水性環(huán)氧-SBR型、水性環(huán)氧型、SBR型和PT型冷補料的剝落斜率分別為417.82，396.21，257.84和235.16，分析其原因為水性環(huán)氧固化體系能夠形成三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固化物，約束瀝青分子流動，從而使瀝青抵抗水損害能力增加，由此可知水性環(huán)氧-SBR型冷補料的抗水損害能力最好.

圖8 浸水漢堡車轍試驗結(jié)果

3.6 低溫施工和易性

在保證冷補料具有較好的初始穩(wěn)定度時不可忽視施工和易性的重要性，尤其是在低溫氣候條件下，瀝青黏度較大，在儲存階段，冷補料較容易出現(xiàn)粘結(jié)成塊現(xiàn)象，所以在考慮冷補料路用性能的同時必須檢驗其工作性能.4種冷補料的低溫施工和易性均滿足JIG F40—2004，且水性環(huán)氧-SBR型、水性環(huán)氧型、SBR型冷補料的低溫施工和易性評價等級均為4，PT型冷補料等級為5.其原因為水性環(huán)氧-SBR、水性環(huán)氧及SBR型冷補料由于水性環(huán)氧組分和SBR膠乳發(fā)生固化反應(yīng)，交聯(lián)固化產(chǎn)物提高了冷補瀝青的黏度，從而使冷補料的低溫施工和易性有所下降.

4 結(jié) 論

1) 通過熒光顯微鏡試驗，證明了水性環(huán)氧組分和SBR膠乳在稀釋瀝青中的分散性均較好.基于正交試驗，確定了自制的低溫型冷補瀝青摻配方案如下：基質(zhì)瀝青選用SK90#瀝青，稀釋劑、增黏劑、抗剝落劑、水性環(huán)氧組分和SBR膠乳的摻量分別為26.0%，5.0%，0.5%，4.0%和2.0%.

2) 將研發(fā)的水性環(huán)氧-SBR低溫型冷補瀝青與SBR型、水性環(huán)氧組分型、PT型等冷補瀝青配制成冷補料，并進行性能對比：水性環(huán)氧-SBR型冷補料的初始穩(wěn)定度、成型穩(wěn)定度、高溫抗車轍能力及水穩(wěn)定性均較好；相比PT型冷補料和水性環(huán)氧組分型冷補料，水性環(huán)氧-SBR型冷補料的低溫抗裂性能較好；雖水性環(huán)氧-SBR型冷補料的低溫施工和易性略劣于普通冷補料，但滿足JIG F40—2004要求.