水性環(huán)氧改性乳化瀝青的制備及其性能研究

柳中萬，夏新武，張 軍，任 浩，成 猛,黃紹龍

(1.湖北長江路橋有限公司路面分公司，武漢 430207;2.宜昌砼富公路養(yǎng)護有限公司，宜昌 443007；3.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430062;4.中南安全環(huán)境設(shè)計研究院有限公司，武漢 430051)

微表處具有施工周期短、開放交通快、綠色無污染等特點是目前應(yīng)用最廣泛預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)[1]。但基質(zhì)乳化瀝青粘結(jié)力差、抗剝落以及抗水損害能力差等問題，已經(jīng)難以滿足如今的路面養(yǎng)護要求。針對傳統(tǒng)瀝青類材料感溫性高、粘結(jié)能力不足、耐久性不佳等缺點，通過引入環(huán)氧樹脂可以獲得更高強度、更高粘結(jié)力以及耐久性好等優(yōu)良性能。環(huán)氧乳化瀝青是一種通過精確組分和相態(tài)設(shè)計經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成的多組分、互穿網(wǎng)絡(luò)三維立體結(jié)構(gòu)的熱固性復(fù)合材料[2]，兼?zhèn)淞谁h(huán)氧樹脂和瀝青兩種材料的優(yōu)點，是一種具有高強度、高粘結(jié)力的復(fù)合瀝青，強度是普通瀝青的三到四倍。環(huán)氧乳化瀝青微表處與普通乳化瀝青微表處對比具有強度高、高溫穩(wěn)定性好、層間結(jié)合好、抗疲勞性能好、耐久性好等眾多優(yōu)點。如鄭木蓮[3]等通過水性環(huán)氧、SBR膠乳對乳化瀝青復(fù)合改性，大大提高了乳化瀝青的路用性能。如袁世剛[4]等通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著水性環(huán)氧樹脂的摻量增加，改性效果越好，但當水性環(huán)氧樹脂摻量過大時其離析也會越發(fā)明顯，即環(huán)氧樹脂存在最佳摻量。該文主要研究其應(yīng)用在微表處方面的性能研究[5,6]。

1 原材料技術(shù)指標

1.1 乳化瀝青

試驗采用宜昌砼富公司生產(chǎn)的SBR乳化瀝青，技術(shù)指標見表1。

表1 SBR乳化瀝青的主要指標

1.2 水性環(huán)氧樹脂和水性固化劑

試驗中水性環(huán)氧樹脂和水性環(huán)氧固化劑的部分參數(shù)性狀見表2、表3。

表2 水型環(huán)氧樹脂的部分參數(shù)

表3 水性固化劑的部分參數(shù)

2 結(jié)果和分析

2.1 不同添加方式的影響

實驗將水性環(huán)氧樹脂以不同摻入方式加入到改性乳化瀝青中，觀察不同添加方式對其性能的影響。試驗中水性環(huán)氧采用了三種不同的添加方式:第一種是將水性環(huán)氧樹脂摻入到改性乳化瀝青中，將固化劑摻入到水中；第二種是將水性環(huán)氧樹脂和固化劑按比例混合后摻入到改性乳化瀝青中；第三種是將水性環(huán)氧樹脂和固化劑按比例混合后摻入到水中。水性環(huán)氧樹脂(A)和水性固化劑(B)的比例按生產(chǎn)廠家推薦為1∶1.3，摻量為3%，根據(jù)經(jīng)驗油石比確定為5.5%，水泥添加量為1.5%。試驗結(jié)果見表4。

表4 不同摻入方式對其性能的影響

通過對比添加方式看出，第一種添加方式效果最佳，第二種添加方式效果次之，第三種添加方式效果最差。分析可能是當環(huán)氧樹脂和固化劑一經(jīng)拌合后開始產(chǎn)生固化產(chǎn)物，其產(chǎn)物與瀝青產(chǎn)生了離析，但由于水性環(huán)氧樹脂的摻量較少，離析現(xiàn)象并不明顯，水性環(huán)氧樹脂的改性效果不明顯，所以第三種添加方式的改性效果最差。對比SBR微表處，水性環(huán)氧樹脂的添加，還是明顯的提高了微表處混合料的抗水損害性能。

2.2 乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能

按上文選擇添加順序制備水性環(huán)氧樹脂摻量分別為1%、3%、5%、7%、10%的水性環(huán)氧乳化瀝青，根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[7]對其蒸發(fā)殘留物的針入度、延度和軟化點進行檢測。試驗結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可看出,加入水性環(huán)氧樹脂能提高其蒸發(fā)殘留物的軟化點;當水性環(huán)氧樹脂摻量小于5%時,蒸發(fā)殘留物軟化點變化不大,而當水性環(huán)氧樹脂摻量在5%～10%時 ,蒸發(fā)殘留物的軟化點增大。當水性環(huán)氧樹脂的摻量較低時,環(huán)氧固化后形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不足以貫穿整個瀝青結(jié)構(gòu)，因此環(huán)氧樹脂起到的改性作用很小，對軟化點的影響并不明顯；而當水性環(huán)氧樹脂的摻量繼續(xù)增加時，環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)所產(chǎn)生的固化產(chǎn)物貫穿整個瀝青結(jié)構(gòu),而環(huán)氧樹脂分子間在外力作用下也能形成了新的化學(xué)鍵,這些化學(xué)鍵具有很強的熱固性,從而使得蒸發(fā)殘留物的軟化點得到提升。由圖1(b)可看出,當水性環(huán)氧樹脂的摻量提高,其蒸發(fā)殘留物的低溫延度先增加后降低,當水性環(huán)氧樹脂的摻量達到7%以后，其蒸發(fā)殘留物的延度出現(xiàn)大幅度的降低。當水性環(huán)氧樹脂摻量較低時，固化產(chǎn)物較少，對試樣的性能影響較小；只有當水性環(huán)氧樹脂的摻量達到一定程度時，水性環(huán)氧樹脂的固化交聯(lián)反應(yīng)成為主導(dǎo)反應(yīng),其固化產(chǎn)物遍布整個瀝青薄膜，固化產(chǎn)物的熱固性則導(dǎo)致了試樣的低溫延度下降。由圖1(c)可以看出,改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物的針入度隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當水性環(huán)氧樹脂摻量超過6%后,改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物的針入度開始減小。

2.3 抗耐磨性能

在微表處施工中，需要檢測輪胎與微表處路面的磨耗，按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[7]制備試件，以浸水1 h的濕輪磨耗值來評價微表處路面的抗耐磨性能。采用MS-3型級配，石料選用玄武巖石料，填料選用水泥，油石比根據(jù)經(jīng)驗公式確定為5.5%成型試件來研究水性環(huán)氧樹脂對微表處混合料耐磨耗性能的影響規(guī)律。試驗結(jié)果見圖2。

從圖2可看出，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，濕輪磨耗值隨之減小，試件的抗耐磨耗性能得到增強，這是由于隨著環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)，在瀝青中形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分布在瀝青薄膜中，其固化產(chǎn)物具有一定的力學(xué)強度，使瀝青混合料的抗沖擊性能得到提升，抗磨耗性能增加，磨耗值的減小也表明瀝青與集料的粘附性得到提升。當水性環(huán)氧樹脂的摻量繼續(xù)增加時，試件變硬且磨耗后的試件表面有明顯的裂紋產(chǎn)生。這是因為當水性環(huán)氧樹脂摻量過大后，樹脂完全固化后，產(chǎn)生較多的固化產(chǎn)物導(dǎo)致瀝青本身的彈性性能大幅減小，使得磨耗后試件產(chǎn)生了裂紋。

2.4 抗車轍性能

車轍作為瀝青路面常見病害之一，是路面在行車反復(fù)作用下產(chǎn)生的凹槽。微表處是預(yù)防性養(yǎng)護的一種方法，可以替代熱拌瀝青混合料填補車轍，一般厚度在4～10 mm，礦料級配偏細，但可能在輪胎的碾壓下重新產(chǎn)生車轍，所以，當微表處混合料用于填補車轍時需要測定其的抗車轍能力。按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程中T 0756進行稀漿混合料車轍變形試驗[7]。根據(jù)公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40—2004對微表處混合料的技術(shù)要求是輪跡寬度變化率小于5%[8]，試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，混合料的車轍寬度變形基本都符合瀝青路合施工技術(shù)要求，當水性環(huán)氧樹脂的摻量逐漸增加時，輪跡的寬度變形率隨之相應(yīng)減小，混合料的抗車轍性能也相應(yīng)得到提升。環(huán)氧樹脂和固化劑反應(yīng)后所產(chǎn)生的固化產(chǎn)物具有一定的力學(xué)強度，增強了微表處混合料的整體的強度，故而使得微表處混合料的抗車轍能力得到增強。

3 結(jié) 論

根據(jù)殘留物性能檢測、濕輪磨耗試驗和車轍變形的試驗結(jié)果，得出以下主要結(jié)論:

a.水性環(huán)氧樹脂和固化劑要分開加入，提前混合后加入會對其性能有影響；將水性環(huán)氧樹脂摻入到改性乳化瀝青中，將固化劑摻入到水中，使用后性能比較好。

b.隨著水性環(huán)氧樹脂加入，其乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物的軟化點明顯提高，延度先增加后降低，針入度先增加后降低。適當?shù)膿郊铀原h(huán)氧樹脂可以改善乳化瀝青的性能，而過量摻加水性環(huán)氧樹脂則會降低瀝青的部分基本性能，在該文摻量變化范圍內(nèi)，加入5%的水性環(huán)氧樹脂混合料綜合性能最佳。

c.隨著水性環(huán)氧樹脂的加入，混合料的耐磨耗性能和抗車轍性能得到提升，滿足微表處的路用性能。