水性環(huán)氧樹(shù)脂改性泡沫瀝青冷再生混合料性能

李秀君, 高世柱, 趙麟昊, 喬向軍, 邵 晗

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院, 上海 200093; 2.包頭市市政設(shè)計(jì)研究院, 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

泡沫瀝青冷再生技術(shù)因其造價(jià)低、資源再利用等優(yōu)勢(shì)不斷應(yīng)用于道路維修養(yǎng)護(hù)工程.但近年來(lái),路面常因泡沫瀝青冷再生混合料(CRMFB)高溫穩(wěn)定性和抗水損性能不足而發(fā)生病害[1].添加外摻劑是一種改善泡沫瀝青冷再生混合料性能的有效措施,但目前常見(jiàn)的外摻劑以顆粒狀為主,改性后的瀝青存在發(fā)泡性能下降等問(wèn)題[2].因此,探尋一種能以冷拌方式來(lái)改善CRMFB性能的外摻劑具有重要意義.

水性環(huán)氧樹(shù)脂(WER)是一種高分子化合物,能夠在室溫條件下發(fā)生聚合反應(yīng)生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性材料,可以有效彌補(bǔ)瀝青高溫穩(wěn)定性不足等缺陷,其聚合產(chǎn)物也能改善水泥砂漿性能[3].因此,近幾年WER逐漸被用來(lái)改性乳化瀝青冷拌材料,并取得了較好的效果[4-9].為探索WER能否有效改善CRMFB的性能,本文研究了WER的摻加方式及摻量、混合料的儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度對(duì)CRMFB性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

選擇鎮(zhèn)海A-70瀝青,其發(fā)泡性能見(jiàn)表1.為提高混合料高溫穩(wěn)定性和抗水損性能,同時(shí)兼顧干縮和低溫性能,選取P·O 42.5水泥,摻量1)為1.8%.參照以剪切模量為指標(biāo)的粗集料級(jí)配設(shè)計(jì)法(MAS法),設(shè)計(jì)礦料級(jí)配Z[10],并以滿足推薦級(jí)配范圍的礦料級(jí)配S為參照,合成級(jí)配見(jiàn)表2.銑刨料(RAP)選自某大修工程項(xiàng)目,新料采用玄武巖,各檔銑刨料和新料質(zhì)量比為80.0∶18.2.WER包括環(huán)氧樹(shù)脂乳液(組分A)、固化劑(組分B),組分A、B的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3，A、B組分的質(zhì)量比為2∶1,WER固化物的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4.

表1 瀝青的發(fā)泡性能

表2 礦料合成級(jí)配

表3 WER中組分A、B的主要性能指標(biāo)

表4 WER固化物的主要性能指標(biāo)

1)文中涉及的摻量、含量等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.2 試驗(yàn)方案

表5為CRMFB的配合比及性能,其中：fITS為試件的劈裂強(qiáng)度;ITSR為干濕劈裂強(qiáng)度比;fUCS為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;DS為動(dòng)穩(wěn)定度.

表5 CRMFB的配合比及性能

試驗(yàn)方案：

(1)WER摻加方式：因組分A在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生固化,因此采用3種冷拌摻加方式,分別記為M1、M2、M3.M1為先配制WER,再與礦料、水泥和水一起加入拌和鍋中;M2為先將配制好的WER加入拌和水中,攪拌均勻后再與礦料一起加入拌和鍋內(nèi);M3為待CRMFB生產(chǎn)結(jié)束時(shí),將配制好的WER加入混合料中拌和均勻.3種摻加方式均確?；旌狭峡偘韬蜁r(shí)間一致.

(2)WER摻量：根據(jù)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)瀝青類(lèi)混合料性能的影響研究[11],同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性,本文設(shè)定WER摻量wWER為CRMFB質(zhì)量的0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%.

(3)儲(chǔ)存時(shí)間：混合料從拌和廠運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)攤鋪壓實(shí)有一定的時(shí)間間隔.本文參照實(shí)際工程運(yùn)輸時(shí)間,設(shè)置儲(chǔ)存時(shí)間t為0、15、30、45、60min,儲(chǔ)存方式為開(kāi)放式.

(4)儲(chǔ)存溫度：溫度對(duì)WER固化反應(yīng)速度、水泥水化速度、泡沫瀝青膠漿可塑性均有較大影響.因此,根據(jù)常見(jiàn)施工溫度,設(shè)置儲(chǔ)存溫度T為20、30、40℃.

用動(dòng)穩(wěn)定度DS(60℃)和干濕劈裂強(qiáng)度比ITSR來(lái)分別表征CRMFB的高溫穩(wěn)定性和抗水損性能,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)UCS、抗拉強(qiáng)度f(wàn)TSR和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR分別表征混合料抗壓、抗拉和抗凍性能.

2 結(jié)果與分析

2.1 摻加方式及摻量對(duì)CRMFB性能影響

2.1.1抗水損性能

不同摻加方式和摻量下CRMFB的干濕劈裂強(qiáng)度比和空隙率如圖1所示.由圖1可見(jiàn)：對(duì)于級(jí)配S組混合料,隨著WER摻量的增加,CRMFB抗水損性能均呈現(xiàn)先慢后快再趨于穩(wěn)定的上升趨勢(shì);對(duì)級(jí)配Z組混合料,其抗水損性能隨WER摻量增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì);在級(jí)配S、級(jí)配Z中wWER為1.5%、1.0%時(shí),CRMFB的ITSR可分別增大11.8%和7.1%,滿足規(guī)范要求;CFMFB的空隙率隨WER摻量增加均呈降低趨勢(shì).分析其原因：(1)在混合料拌和過(guò)程中,WER能夠單獨(dú)裹附松散的細(xì)集料而形成環(huán)氧樹(shù)脂膠漿,隨著水分的蒸發(fā),生成黏結(jié)性能強(qiáng)、致密性高的聚合產(chǎn)物(見(jiàn)圖2);(2)水泥砂漿的空隙直徑在幾納米至幾千納米之間,因此WER能夠?qū)λ嗌皾{中較大的空隙進(jìn)行填充,減少空隙數(shù)量,提高密實(shí)性;(3)WER中親水性羥基和醚基能夠吸附在水泥顆粒及水泥砂漿表面,與水泥中的Ca2+產(chǎn)生作用,生成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聚合物和膠性膜,增強(qiáng)了水泥砂漿的致密性,但WER摻量過(guò)高,形成的膠性膜會(huì)隔斷水泥砂漿的互聯(lián)結(jié)構(gòu),影響水泥產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的生成,因此抗水損性能增長(zhǎng)緩慢甚至下降[12];(4)適量WER可與瀝青膠漿形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),對(duì)瀝青顆粒有一定嵌鎖和加筋作用,提高混合料的致密性和穩(wěn)定性[13].

圖1 不同摻加方式和摻量下CRMFB的干濕劈裂強(qiáng)度比和空隙率Fig.1 ITSR and voidage of CRMFB under different mixing methods and dosage

圖2 WER摻入后CRMFB微觀結(jié)構(gòu)圖示Fig.2 Microstructure diagram of CRMFB with WER

由圖1還可見(jiàn)：對(duì)比不同摻加方式CRMFB的抗水損性能,M2最佳,M1次之,M3最差.這是因?yàn)镸2方式下,WER隨拌和水均勻地分布在膠結(jié)料中,提高了其在混合料中的分散性,充分發(fā)揮其對(duì)膠結(jié)料黏附性的改善作用;而M3是在混合料生產(chǎn)結(jié)束后加入WER,此時(shí)WER難以進(jìn)入水泥膠漿與泡沫瀝青膠漿內(nèi)部形成交聯(lián)緊密的聚合物,因此CRMFB性能較差.對(duì)比CRMFB的2種級(jí)配,級(jí)配Z混合料抗水損性能優(yōu)于級(jí)配S混合料,且其ITSR達(dá)到最大時(shí),WER摻量較少,這是因?yàn)榧?jí)配Z在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了集料的抗剪切性能和密實(shí)性,且相比于級(jí)配S,級(jí)配Z的細(xì)集料含量較少,所需的黏結(jié)劑也較少.綜上,就抗水損性能而言,建議級(jí)配S和級(jí)配Z混合料中WER的最佳摻量分別為1.5%和1.0%.

2.1.2高溫穩(wěn)定性

不同摻加方式和摻量下CRMFB的動(dòng)穩(wěn)定度DS如圖3所示.由圖3可見(jiàn)：隨WER摻量增加,CRMFB的高溫穩(wěn)定性(以DS表征)呈先升高后趨于穩(wěn)定甚至下降的趨勢(shì);級(jí)配S和級(jí)配Z的CRMFB中WER的最佳摻量分別為1.5%、1.0%;最佳摻量下,級(jí)配S和級(jí)配Z的CRMFB動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了50.6%、34.7%.這是因?yàn)椋阂环矫?WER能與細(xì)集料形成黏結(jié)性能強(qiáng)的膠漿,且與水泥砂漿和瀝青膠漿形成交聯(lián)緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了混合料中膠結(jié)料與集料的黏結(jié)性能;另一方面,WER為熱固性材料,且環(huán)氧固化產(chǎn)物具有嵌鎖效果,WER固化物穿過(guò)瀝青分子,將黏度下降的瀝青“鎖住”,阻礙瀝青分子流動(dòng),提高混合料在高溫下的黏結(jié)性能和穩(wěn)定性.但WER摻量過(guò)高時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂在水泥產(chǎn)物表面成膜,影響水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程,且WER固化物支撐荷載的能力小于水泥砂漿,因此,高WER摻量下CRMFB高溫穩(wěn)定性不再提高甚至有所下降.下文CRMFB中WER均采用最佳摻加方式和摻量.

圖3 不同摻加方式和摻量下CRMFB的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.3 Dynamic stability of CRMFB with different WER addition methods and amounts

2.2 儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度對(duì)CRMFB性能的影響

2.2.1抗水損性能

不同儲(chǔ)存時(shí)間及儲(chǔ)存溫度下CRMFB的干濕劈裂強(qiáng)度比見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)：隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加,CRMFB的抗水損性能整體呈下降趨勢(shì);30min內(nèi),混合料抗水損性能削弱較小,而45min以上,當(dāng)儲(chǔ)存溫度為20、40℃時(shí),混合料的抗水損性能大幅度下降,甚至不滿足規(guī)范限值ITSR=80%的要求.

圖4 不同儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度下CRMFB的干濕劈裂強(qiáng)度比Fig.4 ITSR of CRMFB at different storage times and storage temperatures

WER的固化產(chǎn)物呈透明,不同儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度下WER的固化過(guò)程見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)：當(dāng)溫度為20℃ 時(shí),WER固化速度慢,但隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加,混合料溫度下降明顯,泡沫瀝青膠漿結(jié)團(tuán),成型時(shí)不易壓實(shí),影響混合料的抗水損性能[14];當(dāng)溫度升高至40℃時(shí),WER的固化速度加快,當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間小于15min時(shí),WER的固化程度仍較低,而混合料溫度的提高降低了瀝青的黏度,提高了混合料的壓實(shí)效果,抗水損性能顯著提高,但隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加,WER固化程度較高,成型試件時(shí)破壞了其交聯(lián)結(jié)構(gòu),影響膠結(jié)料性能和密實(shí)性,混合料的抗水損性能有所下降;當(dāng)儲(chǔ)存溫度為30℃時(shí),混合料中瀝青膠漿的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象較少,且當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間小于45min 時(shí),WER固化程度仍較低,混合料具有較好的抗水損性能,當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間超過(guò)45min以后,水泥膠漿的硬化加劇,混合料抗水損性能則大幅降低.

圖5 不同儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度下WER的固化過(guò)程Fig.5 Curing process of WER at different storage times and storage temperatures

2.2.2高溫穩(wěn)定性

不同儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度下CRMFB的動(dòng)穩(wěn)定度如圖6所示.由圖6可見(jiàn)：CRMFB高溫穩(wěn)定性隨儲(chǔ)存時(shí)間增加呈加速下降趨勢(shì);儲(chǔ)存溫度對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性有較大影響,其中溫度過(guò)低或過(guò)高對(duì)CRMFB高溫穩(wěn)定性均有較大削弱.分析其原因：當(dāng)儲(chǔ)存溫度為20℃時(shí),混合料溫度隨儲(chǔ)存時(shí)間增加持續(xù)下降,瀝青膠結(jié)料及瀝青顆粒結(jié)團(tuán),不利于混合料壓實(shí),而在60℃車(chē)轍試驗(yàn)時(shí),結(jié)團(tuán)的瀝青膠漿軟化,降低了膠結(jié)料黏聚力和混合料的高溫穩(wěn)定性,當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間大于45min時(shí),水泥漿逐漸硬化,成型過(guò)程破壞水泥膠砂結(jié)構(gòu),降低膠結(jié)料黏結(jié)性能和混合料壓實(shí)效果,混合料高溫穩(wěn)定性急劇下降;當(dāng)儲(chǔ)存溫度為40℃時(shí),混合料溫度較高,瀝青結(jié)團(tuán)現(xiàn)象減少,高溫穩(wěn)定性提高,但當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間大于30min時(shí),WER固化程度提高,水泥漿逐漸硬化,導(dǎo)致混合料和易性變差,且破壞了環(huán)氧固化結(jié)構(gòu)和水泥砂漿結(jié)構(gòu),高溫穩(wěn)定性急劇下降.由圖6還可知,級(jí)配Z的CRMFB高溫穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于級(jí)配S,這是因?yàn)榧?jí)配Z在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了骨架的抗剪切性能,當(dāng)膠結(jié)料性能不佳時(shí),骨架的抗剪作用發(fā)揮重要作用.

圖6 不同儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度下混合料的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.6 Dynamic stability of CRMFB under different storage times and storage temperatures

2.2.3其他路用性能

通過(guò)前文,確定混合料制備條件為：WER的摻加方式為M2;級(jí)配S、級(jí)配Z的CRMFB的WER最佳摻量分別為1.5%、1.0%;儲(chǔ)存時(shí)間為45min;儲(chǔ)存溫度為20、40℃.對(duì)CRMFB抗壓、抗拉和抗凍性能等路用性能進(jìn)行驗(yàn)證,具體試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.由表6可見(jiàn),在本文提出的WER摻加方式、最佳摻量、儲(chǔ)存時(shí)間及儲(chǔ)存溫度限值內(nèi),CRMFB的抗壓、抗拉和抗凍性能均滿足規(guī)范要求.

表6 CRMFB的其他路用性能

3 結(jié)論

(1)水性環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)裹附松散細(xì)集料形成高黏結(jié)性的熱固性膠漿,并生成固化產(chǎn)物對(duì)水泥砂漿的危害空隙進(jìn)行填充,對(duì)瀝青分子產(chǎn)生“嵌鎖”作用等方式改善了泡沫瀝青冷再生混合料的性能.

(2)水性環(huán)氧樹(shù)脂的最佳摻加方式是先將其加入拌和水中,攪拌均勻后再與礦料一起加入拌和鍋內(nèi).

(3)摻入適量的水性環(huán)氧樹(shù)脂可有效提高泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性和抗水損性能,在最佳摻量和摻加方式下,級(jí)配S和級(jí)配Z混合料抗水損性能分別提高11.8%和7.1%,高溫穩(wěn)定性分別提高50.6%和34.7%,同時(shí)混合料抗壓、抗拉和抗凍性能均滿足規(guī)范要求.

(4)儲(chǔ)存時(shí)間和儲(chǔ)存溫度對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性泡沫瀝青冷再生混合料性能有較大影響,為充分發(fā)揮水性環(huán)氧樹(shù)脂的改善作用,建議混合料在45min內(nèi)從拌和廠運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)攤鋪壓實(shí),當(dāng)施工氣溫較低或較高時(shí),運(yùn)輸時(shí)間宜控制在30min內(nèi).