不同改性劑對微表處性能影響研究

黃維蓉， 楊玉柱*， 王成， 黃峰， 楊波

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院， 重慶市 400074;2.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室， 重慶市 400074；3.智翔鋪道技術工程有限公司，重慶市 400067)

1 前言

微表處是一種預防性養(yǎng)護技術。它由專用的攤鋪設備攤鋪到預處理的路面上，成型后能起到愈合原路面的微裂縫、填補車轍、恢復抗滑性能、改善防水性能等作用。微表處因為經(jīng)濟環(huán)保、施工方便、抗滑性好等優(yōu)點受到國內(nèi)外專家學者越來越多的關注和研究[1-3]。

SBR作為最常用的乳化瀝青改性劑在微表處中得到了大量應用，它能提高石料的黏附性，改善基質(zhì)瀝青的低溫性能[4-5]。暢潤田[6]研究發(fā)現(xiàn)SBR膠乳可以改善瀝青的彈性；SBS改性乳化瀝青因為具有更好的高溫性能也在微表處中得到了應用，但由于其儲存穩(wěn)定性不佳，現(xiàn)在實際工程中還沒有大規(guī)模的使用[7]；韓春來[8]使用SBS膠乳制備了性能穩(wěn)定的SBS改性乳化瀝青，發(fā)現(xiàn)SBS改性乳化瀝青相對于SBR改性乳化瀝青有更好的抗車轍性能和彈性恢復性能；水性環(huán)氧樹脂和聚氨酯可以提升乳化瀝青的各種性能，近年來受到了眾多國內(nèi)外學者的關注[9-10]；季節(jié)[11]研究發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青微表處具有較好的防滑、防水和抗車轍效果；暴興才[12]發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧乳化瀝青微表處具有較好的抗松散、抗變形性能；張慶[2]發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧樹脂能改善微表處的強度和耐久性；韓繼成[13]對聚氨酯的改性機理和乳化機理進行了研究，確定了聚氨酯改性乳化瀝青的制備工藝。針對單一改性劑不能同時提高改性乳化瀝青的各項性能的情況，專家學者將改性劑進行了復配，制備了各種復合改性乳化瀝青，并在微表處上進行了應用；王志祥[14]發(fā)現(xiàn)SBR-SBS復合改性乳化瀝青微表處具有較好的路用性能；鄭洋[15]使用酚醛樹脂和902建筑膠兩種改性劑對乳化瀝青進行了改性，并通過倒置水浸法等試驗，研究了酚醛樹脂改性乳化瀝青的抗水損害性能；顧建軍[16]向SBR改性乳化瀝青中添加湖瀝青進行了復合改性，發(fā)現(xiàn)湖瀝青的加入能改善乳化瀝青的高溫性能，但其低溫性能有所降低，湖瀝青的添加可以提高微表處混合料的抗滑性和抗剝落性。

綜上所述，目前的研究大多為改性乳化瀝青抗滑、抗車轍、耐磨性能等方面的研究，對于改性瀝青微表處的長期性能方面的研究較少，且以上研究大多為單一或者兩種改性劑復配的改性乳化瀝青方面的研究，對于幾種改性乳化瀝青的優(yōu)劣未進行系統(tǒng)的比較，達不到為工程應用提供詳盡參考的目的。因此，該文研究3種(SBR、SBS和水環(huán)氧)改性乳化瀝青對微表處性能影響，先制備SBR、SBS和水環(huán)氧改性乳化瀝青，再通過試驗測試3種改性乳化瀝青混合料的耐磨性能、抗水損害性能、抗車轍性能、長期高溫性能、長期抗滑性能與長期耐磨性能，從而揭示3種改性乳化瀝青對微表處性能的影響規(guī)律，為改性乳化瀝青微表處的推廣應用提供理論支撐。

2 試驗

2.1 原材料

制備乳化瀝青的基質(zhì)瀝青為SK-70#基質(zhì)瀝青，性能指標見表1；乳化劑為黏稠狀的慢裂快凝MQK-1M型乳化劑，摻量為預制改性乳化瀝青質(zhì)量的2%；改性劑選擇SBR、SBS與水環(huán)氧；穩(wěn)定劑為氯化鈣，摻量為乳化瀝青的0.2%。集料選擇玄武巖，合成級配見表2；填料為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，固定摻量為1.5%；水為飲用水。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標

表2 MS-3微表處級配范圍

2.2 改性乳化瀝青的制備

為符合工程實踐應用，SBR改性乳化瀝青及水性環(huán)氧改性乳化瀝青按先乳化后改性的方式制得，SBS改性乳化瀝青按先改性后乳化的方式制得。每次制取1 kg的基質(zhì)乳化瀝青的具體步驟為：將基質(zhì)瀝青放入135 ℃烘箱中加熱到熔融狀態(tài)備用；將20 g乳化劑加入380 g溫度為55 ℃的溫水中充分攪拌，待乳化劑全部溶解之后用濃鹽酸并借助pH計調(diào)節(jié)皂液的pH值為2；開啟膠體磨倒入多余皂液清洗膠體磨并進行預熱，之后放出清洗皂液后關閉閥門；倒入預備好的全部皂液進行剪切，同時緩慢倒入600 g預備好的基質(zhì)熱瀝青，從倒入瀝青到剪切完成大概需要3 min，待瀝青剪切完成后打開閥門用玻璃瓶對乳化瀝青進行封裝，放置至常溫備用。試驗時，取用制得的基質(zhì)乳化瀝青，分別加入4%摻量的SBR膠乳和水環(huán)氧進行機械攪拌，使改性劑均勻分布在乳化瀝青之中，得到SBR改性乳化瀝青和水環(huán)氧改性乳化瀝青。由于SBS改性瀝青需要較高溫度才能加熱到熔融狀態(tài)，用膠體磨制備SBS改性乳化瀝青過程中容易出現(xiàn)起皮、堵塞膠體磨等不良現(xiàn)象，因此SBS改性乳化瀝青使用MD-300改性乳化試驗機制備。制得的幾種改性乳化瀝青各項性能如表3所示。

2.3 性能測試

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》與《微表處和稀漿封層技術指南》，采用1 h濕輪磨耗試驗檢驗微表處混合料的耐磨性能；利用6 d濕輪磨耗試驗檢驗微表處混合料的抗水損害性能；運用輪轍變形試驗評價微表處混合料抗車轍性能。1 h濕輪磨耗試驗、6 d濕輪磨耗試驗、輪轍變形試驗的固定水泥摻量為1.5%，保持其他條件不變，對4%SBR改性乳化瀝青、4%SBS改性乳化瀝青、4%水性環(huán)氧改性乳化瀝青在油石比分別為6.5%、7.0%、7.5%、8.0%時進行試驗。根據(jù)JTG 3450—2019 《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》，采用不同作用次數(shù)下的車轍深度評價微表處的長期高溫性能；使用車輪加速加載設備對微表處混合料進行長期耐磨性和長期抗滑性試驗用于評價微表處混合料的長期耐磨性能和長期抗滑性能，為控制油石比對結(jié)果的影響，長期高溫性能試驗、長期抗滑性能試驗、長期耐磨試驗保持3種改性乳化瀝青的油石比都為6.5%。

表3 微表處用乳化瀝青檢測結(jié)果及技術指標

3 結(jié)果與討論

3.1 不同改性乳化瀝青對混合料耐磨性能的影響

圖1為3種改性乳化瀝青混合料1 h濕輪磨耗試驗結(jié)果。

圖1 不同改性乳化瀝青混合料1 h濕輪磨耗值

由圖1可知：同種改性乳化瀝青混合料1 h濕輪磨耗值隨著油石比的增大而減小，表明改性乳化瀝青混合料的油石比越大，耐磨性能越好；在相同油石比下，SBR改性乳化瀝青的1 h濕輪磨耗值大于SBS改性乳化瀝青與水性環(huán)氧改性乳化瀝青，且3種混合料在油石比大于7.5%時1 h濕輪磨耗值相近，說明在油石比較小時，水性環(huán)氧改性劑的耐磨效果>SBS改性劑>SBR改性劑；同時，可以發(fā)現(xiàn)在較高油石比時，3種改性劑的耐磨性能差別不大。

3.2 不同改性乳化瀝青對混合料抗水損害性能的影響

圖2為3種改性乳化瀝青混合料6 d濕輪磨耗試驗結(jié)果。

圖2 不同改性乳化瀝青混合料6 d濕輪磨耗值

由圖2可知：同種改性乳化瀝青混合料6 d濕輪磨耗值與1 h濕輪磨耗值有相同的規(guī)律，都隨著油石比增大而降低，說明油石比越大，其抗水損害性能越好；在相同油石比下，SBR改性乳化瀝青的6 d濕輪磨耗值大于SBS改性乳化瀝青大于水性環(huán)氧改性乳化瀝青；當油石比為8%時，SBR和SBS混合料的6 d濕輪磨耗值相近，但也遠遠大于水環(huán)氧改性乳化瀝青混合料，說明水性環(huán)氧改性乳化瀝青的抗水損害性能優(yōu)于SBS改性乳化瀝青和BR改性乳化瀝青，這是由于環(huán)氧樹脂固化后形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使瀝青膠結(jié)料有較大的硬度和整體性，因此在水浴作用后也能抵抗磨耗頭的磨耗。

3.3 不同改性乳化瀝青對混合料抗車轍性能的影響

圖3、4為3種不同改性乳化瀝青混合料寬度變形率與車轍深度率。

由圖3、4可知：整體上來看，3種改性乳化瀝青混合料的寬度變形率和車轍深度率具有相同的作用趨勢，在油石比為6%時，3種改性乳化瀝青的寬度變形率和車轍深度率相近，隨著油石比的增加，SBR改性乳化瀝青混合料的寬度變形率和車轍深度率進一步增加，但SBS和水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的寬度變形率和車轍深度率有微略下降，當油石比進一步增加時，3種改性乳化瀝青的寬度變形率和車轍深度率進一步增大，且水性環(huán)氧乳化瀝青混合料的寬度變形率和車轍深度率最小，說明水性環(huán)氧改性乳化瀝青的抗車轍能力優(yōu)于SBS改性乳化瀝青與SBR改性乳化瀝青。這是因為從3種瀝青的蒸發(fā)殘留物的三大指標(表3)可以看出：SBR改性乳化瀝青較軟，SBS改性乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青較硬，當混合料受到輪轍作用時，較軟的瀝青混合料礦料間容易發(fā)生錯動和移位，使得其抵抗變形的能力較弱，而較硬的瀝青混合料礦料間不容易發(fā)生相對移動，抵抗車轍變形的能力更強。

圖3 不同改性乳化瀝青混合料寬度變形率

圖4 不同改性乳化瀝青混合料車轍深度率

3.4 不同改性乳化瀝青對混合料長期高溫性能的影響

圖5為3種不同改性乳化瀝青混合料在不同荷載作用次數(shù)下的車轍深度對比。

由圖5可知：3種混合料的車轍深度隨荷載作用次數(shù)的增長而增長，在60 ℃膠輪作用1 000次時，3種混合料的車轍深度相近，當作用次數(shù)大于2 000次后，可以明顯看出：SBR混合料的車轍深度>水性環(huán)氧混合料>SBS混合料，說明SBS改性劑的加入能很好地改善微表處混合料的高溫性能。主要原因為：蒸發(fā)殘留物針入度越小,軟化點越高的改性乳化瀝青,其混合料高溫性能也越好，通過表3的改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的性能可以看出：SBS改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物針入度最小，軟化點最高，這解釋了其高溫性能較其他兩種乳化瀝青混合料更好的原因。

圖5 不同改性乳化瀝青混合料的車轍深度對比

3.5 不同改性乳化瀝青對混合料長期抗滑性能的影響

圖6、7為3種不同改性乳化瀝青混合料的擺值與構(gòu)造深度隨作用次數(shù)的變化圖。

圖6 3種改性乳化瀝青混合料擺值隨作用次數(shù)的變化

圖7 不同改性乳化瀝青混合料構(gòu)造深度隨作用次數(shù)的變化

由圖6可知：相同改性乳化瀝青混合料的擺值隨加載次數(shù)的增加而降低，加速加載為1 000次時，3種混合料的擺值下降速率最快，加速加載為1 000～10 000次，3種混合料的擺值逐漸下降，其中SBS微表處混合料的擺值>SBR>水環(huán)氧，加速加載為10 000次之后，SBS微表處混合料的擺值突然大幅度下降，加速加載為20 000次之后，3種改性乳化瀝青混合料的擺值逐漸穩(wěn)定，其中水環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的擺值>SBR>SBS改性乳化瀝青混合料。說明水環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的長期抗滑性能優(yōu)于其他兩種改性乳化瀝青混合料。

由圖7可知：相同改性乳化瀝青混合料的構(gòu)造深度隨加載次數(shù)的增加而降低，為0～2 000次時，SBS微表處混合料的構(gòu)造深度>水性環(huán)氧微表處混合料>SBR微表處混合料，加速加載為10 000后，SBR和水性環(huán)氧微表處混合料的構(gòu)造深度繼續(xù)減小，SBS微表處混合料的構(gòu)造深度開始變大。水環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的長期抗滑性能優(yōu)于SBR。

造成以上試驗結(jié)果的原因是：由于SBS改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物(表3)的針入度、延度都較小，其成型后的微表處混合料較硬，石料的棱角突出且在加速加載作用下不易移位，因此混合料表面紋理豐富不容易發(fā)生變化，擺值和構(gòu)造深度衰減較慢，而SBR和水環(huán)氧改性乳化瀝青的針入度、延度較大，其混合料成型后石料在加速加載作用下容易移位，使得表面石料的棱角被整平，構(gòu)造深度和擺值衰減較快。加速加載為10 000次后，由于SBS改性乳化瀝青混合料的石料大幅度脫落，使得微表處混合料的表面和擺式儀接觸時摩擦力減小，擺值因此大幅度減小，而石料留下的空洞使得用鋪砂法測構(gòu)造深度時，構(gòu)造深度假性增高，因此在加速加載為10 000次后SBS微表處混合料的構(gòu)造深度變化不可信。

3.6 不同改性乳化瀝青對混合料長期耐磨性能的影響

圖8為3種不同改性乳化瀝青混合料質(zhì)量損失隨作用次數(shù)的變化圖。

由圖8可知：相同改性乳化瀝青混合料的磨耗損失隨加速加載次數(shù)的增加而增加，其中SBS微表處混合料的磨耗損失>水環(huán)氧微表處混合料>SBR微表處混合料。這是由于SBS改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物(表3)的針入度、延度都較小，其成型后的微表處混合料較硬，石料在車輪作用下難以移位、重新分布，因此在車輪作用次數(shù)增大后被剝落掉，而SBR瀝青較軟，因此石料能夠移位和重新分布來減少車輪的撞擊和摩擦，因此磨耗損失較小，長期磨耗性能較好。將加速加載結(jié)果和濕輪磨耗(圖1)結(jié)果對比可以看出：SBS微表處混合料的濕輪磨耗值比SBR小，這是因為磨耗頭對微表處試件的作用方式和實際上車輪對路面的作用方式不同，SBS微表處混合料由于成型后較硬，在5 min內(nèi)能較好地抵抗磨耗頭的磨耗，但是在加速加載試驗時，混合料受到輪胎壓力、摩擦力和離心力作用，越硬的瀝青混合料的石料在相同胎壓下越不容易發(fā)生遷移和重新定位，所以越容易被剝落。

圖8 不同改性乳化瀝青混合料質(zhì)量損失隨作用次數(shù)的變化

4 結(jié)論

(1) 水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料耐磨性能與抗水損害性能優(yōu)于SBR改性乳化瀝青混合料與SBS改性乳化瀝青混合料，且油石比越大，耐磨性能與抗水損害性能越好。

(2) 水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的抗車轍性能優(yōu)于SBR改性乳化瀝青混合料與SBS改性乳化瀝青混合料，且油石比為6.5%時，抗車轍性能最佳。

(3) 3種改性乳化瀝青的長期性能規(guī)律為，長期抗滑性能：水環(huán)氧>SBR>SBS；長期耐磨性能：SBR>水環(huán)氧>SBS；長期高溫性能：SBS>水環(huán)氧>SBR。綜合以上性能來看，水環(huán)氧改性乳化瀝青的綜合性能最好。該文結(jié)論是基于試驗所用材料得出的，結(jié)論的普適性還需要更多驗證。