高速鐵路橋面防水層用改性植物基乳化瀝青的研制

趙靜存 王鑫 丁宇 劉偉明 葉德軍

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081；2.中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司大慶工務(wù)段，黑龍江大慶163000；3.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司，北京100081

高速鐵路橋面防水層是暴露于外部環(huán)境的結(jié)構(gòu)部位，其作用是防止雨水侵入梁體，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不被銹蝕［1-2］。

我國(guó)既有線主要使用的是噴涂型防水材料。隨著列車的高速運(yùn)行和氣候變化，噴涂型防水材料龜裂、破損、剝離病害發(fā)展速度加快，甚至出現(xiàn)大面積的掀起現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全，且出現(xiàn)問題的噴涂型防水材料難以鏟除，強(qiáng)行鏟除時(shí)易損傷混凝土基體［3-5］。針對(duì)這種病害，本文提出在防水層表層攤鋪瀝青混凝土防水材料，可防止破損的防水材料卷起，并且具有防水功能。但攤鋪的瀝青混凝土顏色多為黑色，吸熱能力強(qiáng)，易引起混凝土橋梁熱脹冷縮產(chǎn)生變形，影響其耐久性。針對(duì)瀝青混凝土顏色問題，本文提出一種改性植物基乳化瀝青。

植物瀝青［6］是一種低碳、環(huán)保的可再生資源，通過添加膠粉能將其顏色調(diào)配為淺灰色，涂刷在黑色瀝青體系防水材料表層可改變?yōu)r青防水材料的顏色。但植物瀝青存在低溫環(huán)境下硬脆、高溫環(huán)境下穩(wěn)定性差的問題，難以滿足使用要求，應(yīng)作改性處理［7-11］。本文用高黏樹脂改性植物瀝青制備改性植物基乳化瀝青，并研究高黏樹脂用量對(duì)植物基乳化瀝青蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能、動(dòng)力黏度、黏結(jié)性能、儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果對(duì)高黏樹脂改性植物瀝青的應(yīng)用具有積極意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

植物瀝青（芳香烴含量30%的棕油）為工業(yè)級(jí)，由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn)；高黏樹脂為工業(yè)級(jí)，由揚(yáng)子化學(xué)科技有限公司生產(chǎn)；無水MgCl2為工業(yè)級(jí)，由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn)；十八烷基三甲基氯化銨為工業(yè)級(jí)，由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn)；甲基丙烯酸甲酯為工業(yè)級(jí)，由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)儀器

針入度試驗(yàn)儀選用的是由上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的SYD-2801E1 型；瀝青延度試驗(yàn)器選用的是由上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的SYD-4508G-1 型；瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器選用的是由上海密通機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的SYD-2806F 型；瀝青動(dòng)力黏度計(jì)選用的是由滄州求真儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SYD-0602型。

1.3 改性植物基乳化瀝青的制備

植物瀝青和高黏樹脂總質(zhì)量為100 g。試樣1#、2#、3#、4#、5#中高黏樹脂占比分別為 30%、35%、40%、45%、50%。

將植物瀝青加入反應(yīng)釜中加熱至170 ℃，然后開始攪拌，緩慢均勻加入高黏樹脂。添加高黏樹酯過程中，攪拌罐的加熱裝置保持打開，維持此溫度恒溫?cái)嚢杈鶆蛑翛]有顆粒物質(zhì)存在。攪拌均勻狀態(tài)可采用取小樣、肉眼觀測(cè)的方法來判斷。

植物瀝青與高黏樹脂攪拌均勻后，再與溶有無水MgCl2、十八烷基三甲基氯化銨的混合水溶液使用膠體磨剪切，添加甲基丙烯酸甲酯并攪拌均勻，制得改性植物基乳化瀝青。

1.4 試驗(yàn)方法

1）改性植物基乳化瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試參考JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［12］。

2）黏結(jié)強(qiáng)度性能測(cè)試參考CJJ 139—2010《城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程》［13］。

1.5 材料性能

參考公路橋梁用瀝青的性能［14］，結(jié)合高鐵橋防水層的工況，提出了改性植物基乳化瀝青的性能要求，見表1。

表1 改性植物基乳化瀝青的性能要求

2 高黏樹脂用量對(duì)植物基乳化瀝青的影響

2.1 植物基乳化瀝青常規(guī)性能

改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖1。

圖1 高黏樹脂用量對(duì)植物基乳化瀝青軟化點(diǎn)的影響

由圖1可知，隨著高黏樹脂用量的增大，改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)增大；當(dāng)高黏樹脂用量到40%時(shí)，改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)為87 ℃，滿足技術(shù)要求。這是因?yàn)楦唣渲ざ却?，熔點(diǎn)高，提高了植物基乳化瀝青的耐高溫性能，擴(kuò)大了植物基乳化瀝青的使用溫度范圍，因此高黏樹脂的用量不宜小于40%。

改性植物基乳化瀝青的針入度與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖2。

由圖2可知，隨著高黏樹脂用量的增多，改性植物基乳化瀝青的針入度逐漸下降。這是因?yàn)楦唣渲奶砑邮垢男灾参锘榛癁r青變硬，強(qiáng)度變大，提高了改性植物基乳化瀝青抵抗變形的能力。當(dāng)高黏樹脂用量大于45%時(shí)，針入度不滿足性能要求。

改性植物基乳化瀝青的延度與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖3。

由圖3 可知：改性植物基乳化瀝青的延度隨著高黏樹脂用量的增加而逐漸降低；當(dāng)高黏樹脂的用量大于45%時(shí)，延度小于60 cm，高黏樹脂用量的增多增大了改性植物基乳化瀝青的脆性，降低了改性植物基乳化瀝青的塑性變形能力，在受到較大拉伸變形時(shí)容易開裂，因此高黏樹脂的用量不宜大于45%。

2.2 植物基乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度

改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖4。

由圖4可知，隨著高黏樹脂用量的增多，改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大。因?yàn)殡S著高黏樹脂用量的增多，改性植物基乳化瀝青的黏度增大，黏性分子隨之增多，增強(qiáng)了分子間黏結(jié)力，因此黏結(jié)強(qiáng)度提高。當(dāng)高黏樹脂的用量達(dá)到40%時(shí)，改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度大于1.5 MPa，符合性能要求。

2.3 植物基乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性

改性植物基乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖5。

圖5 高黏樹脂用量對(duì)植物基乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

由圖5可知，隨著高黏樹脂用量的增多，植物基乳化瀝青1 d 的儲(chǔ)存穩(wěn)定性由0.4%增大為0.7%，5 d 的儲(chǔ)存穩(wěn)定性由1.0%增大為1.5%，變化較小。這是因?yàn)楦唣渲c植物瀝青的相容性好，兩者混合后不會(huì)出現(xiàn)較多離析。

2.4 不同溫度下改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度

采用高黏樹脂用量為40%～45%，制備改性植物基乳化瀝青，探討其低溫黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律。

瀝青為感溫性材料，其基本的力學(xué)參數(shù)與溫度有著重要的關(guān)系。不同溫度下改性植物基乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同溫度下改性植物基乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律

由圖6 可知：隨著溫度從0 ℃逐漸下降，改性植物基乳化瀝青低溫黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)，降至-15 ℃時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值，為1.72 MPa；其后隨著溫度的繼續(xù)下降，黏結(jié)強(qiáng)度迅速衰減。由此可以看出，一定低溫環(huán)境下，在輕度凍結(jié)及瀝青自身硬度增加的條件下，瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1）隨著高黏樹脂的添加，改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)升高，針入度和15 ℃延度下降，當(dāng)高黏樹脂添加量超過40%時(shí)，針入度和15 ℃延度衰減比較大。

2）高黏樹脂的添加提高了植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)高黏樹脂的添加量為35%時(shí)，改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度大于1.5 MPa，符合性能要求。

3）隨著高黏樹脂的添加，植物基乳化瀝青1 d 的儲(chǔ)存穩(wěn)定性由0.4%增大為0.7%，5 d 的儲(chǔ)存穩(wěn)定性由1.0%增大為1.5%，變化較小，說明高黏樹脂與植物瀝青的相容性較好。

4）瀝青為感溫性材料，其黏結(jié)強(qiáng)度與溫度有著重要的關(guān)系。高黏樹脂用量在40%～45%時(shí)，改性植物基乳化瀝青的低溫黏結(jié)強(qiáng)度隨著溫度降低先增大后減小，在-15 ℃出現(xiàn)最大值。