水性環(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)微表處混合料的改性工藝研究

張俊豪，劉俊權(quán)

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

微表處預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)是一種能提升路面抗滑性能及使用壽命、經(jīng)濟(jì)有效、能快速恢復(fù)路面表面功能的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段[1-3]。通常微表處結(jié)構(gòu)中，瀝青與集料的黏結(jié)力提供混合料的主要強(qiáng)度[4-5]?，F(xiàn)階段，微表處預(yù)養(yǎng)護(hù)的主要膠結(jié)料為普通乳化瀝青和SBR膠乳改性乳化瀝青。普通乳化瀝青混合料存在柔韌性差、黏結(jié)度低、溫度敏感性大、防水效果不佳等缺點(diǎn)；SBR改性乳化瀝青的低溫延展性較好，但其高溫性能不佳，黏韌性較差。在如今車輛超速、重載情況愈發(fā)嚴(yán)重的大環(huán)境下，高性能乳化瀝青膠結(jié)料的選擇，逐漸成為改善微表處早期病害多發(fā)問(wèn)題，提升微表處使用壽命的關(guān)鍵因素。水性環(huán)氧樹(shù)脂是近年來(lái)一種新型的環(huán)境友好型路面材料，以特定的化學(xué)工藝將環(huán)氧樹(shù)脂水性化，既保留其黏結(jié)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又具備操作性能優(yōu)異、儲(chǔ)存和運(yùn)輸方便安全等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)水性環(huán)氧樹(shù)脂固化體系和乳化瀝青按一定比例摻配而成的水性環(huán)氧乳化瀝青，黏結(jié)性能大幅提升，又保留了較好的柔韌性、耐候性和與原路面的相容性，是一種理想的瀝青路面微表處用膠結(jié)料。不同于常規(guī)聚合物改性劑，水性環(huán)氧樹(shù)脂體系是由水性環(huán)氧乳液A和水性固化劑B雙組份發(fā)生化學(xué)交聯(lián)固化反應(yīng)后發(fā)揮作用，探究水性環(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)乳化瀝青的改性工藝，以提升改性乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度及微表處混合料的耐磨耗性能是能否實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 原材料

1.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂

選用I型水性環(huán)氧體系，即“環(huán)氧乳液A+水性固化劑B”。環(huán)氧乳液A是通過(guò)化學(xué)接枝手段獲得兩親性乳化劑，直接乳化環(huán)氧樹(shù)脂所得。環(huán)氧乳液A選用購(gòu)自太原市路邦科技有限公司的水性環(huán)氧乳液，水性環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)要求應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 水性環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)要求

1.2 水性固化劑

環(huán)氧乳液A須輔以水性環(huán)氧固化劑（能溶于水的胺類物質(zhì)），二者在室溫潮濕環(huán)境下發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，固化后就改變了原來(lái)可溶可熔的性質(zhì)而變成不溶不熔的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成較好的強(qiáng)度。水性固化劑采用自主研發(fā)的WAT-4-1，其基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2。環(huán)氧乳液A與WAT-4-1按質(zhì)量比1∶1使用。

表2 水性環(huán)氧固化劑WAT-4-1基本性能指標(biāo)

1.3 乳化瀝青

選用陽(yáng)離子型SBR改性乳化瀝青，以河南漯河天龍化工有限公司的CMK-206慢裂快凝乳化劑為基礎(chǔ)，輔以陽(yáng)離子SBR膠乳生產(chǎn)的乳化瀝青（60wt%，外摻SBR膠乳含量為3%），其技術(shù)要求見(jiàn)表3，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40的規(guī)定。

表3 SBR改性乳化瀝青基本性能表

1.4 水性環(huán)氧樹(shù)脂乳化瀝青

將環(huán)氧乳液A與水性固化劑WAT-4-1按質(zhì)量比1∶1復(fù)配，混合均勻；以此水性環(huán)氧混合體系作為特殊的“聚合物改性劑”對(duì)SBR陽(yáng)離子乳化瀝青進(jìn)行外摻改性。水性環(huán)氧樹(shù)脂乳化瀝青的技術(shù)要求應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 水性環(huán)氧樹(shù)脂乳化瀝青技術(shù)要求

1.5 集料（礦料）

選擇洞采玄武巖為集料，礦粉選用石灰?guī)r，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》JTG 5142—2019的規(guī)定。水泥選用普通硅酸鹽水泥（標(biāo)號(hào)42.5）。

1.6 水性環(huán)氧乳化瀝青的實(shí)驗(yàn)室建議配合比

依據(jù)GB/T 38990—2020要求，水性環(huán)氧樹(shù)脂乳化瀝青稀漿混合料類型定為WEBS-10，級(jí)配采用JTG F40規(guī)定的MS-3型中值級(jí)配，見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)研究所用的中值級(jí)配表 %

基于各檔集料篩分結(jié)果及合成級(jí)配曲線（圖1），確定不同檔集料的質(zhì)量比例如表6。

圖1 混合料合成級(jí)配曲線圖

表6 不同檔集料的質(zhì)量比例表

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)稠度試驗(yàn)、拌合試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)及負(fù)荷車輪試驗(yàn)確定出水性環(huán)氧乳化瀝青稀漿混合料的初步配合比見(jiàn)表7。

表7 稀漿混合料初步配合比 g

2 水性環(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)稀漿混合料關(guān)鍵影響因素研究

2.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的可操作時(shí)間考察

不同于陽(yáng)離子SBR膠乳改性機(jī)理，水性環(huán)氧樹(shù)脂體系是由水性環(huán)氧乳液A和水性環(huán)氧固化劑B混勻后，隨著水分揮發(fā)，環(huán)氧分子與固化劑分子接觸后逐步發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)而發(fā)揮作用，是“液體—凝膠—固體”的轉(zhuǎn)變過(guò)程，因此，水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的可操作時(shí)間（使用期）是能否工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

在塑料口杯中分別稱取同等質(zhì)量的環(huán)氧乳液A與水性固化劑WAT-4-1充分混勻后靜置，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，用金屬絲在混合物里拉絲，觀察混合體系的物理狀態(tài)，直到出現(xiàn)不易斷裂的長(zhǎng)細(xì)絲后停止計(jì)時(shí)，該時(shí)間為體系的凝膠時(shí)間，即可操作時(shí)間?？紤]到料場(chǎng)及施工現(xiàn)場(chǎng)的高溫環(huán)境，使用上述方法，將盛有混合體系的塑料口杯置于60℃烘箱重復(fù)同樣過(guò)程。室溫及高溫條件（60℃）下的水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的可操作時(shí)間如表8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度的升高，會(huì)進(jìn)一步縮短體系（乳化瀝青改性劑）的使用期。

表8 不同溫度下的水性環(huán)氧樹(shù)脂混合體系的可操作時(shí)間表

2.2 水性環(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)乳化瀝青改性工藝的研究

基于2.1所述，受制于水性環(huán)氧樹(shù)脂體系較短的使用期及復(fù)雜的工況，該體系直接外摻改性乳化瀝青可行性較差。在拌合過(guò)程中引入水性環(huán)氧體系是對(duì)稀漿混合料進(jìn)行改性的理想手段。

2.2.1 混勻摻加改性法

按合成級(jí)配對(duì)應(yīng)的各檔集料的配合比例稱量總質(zhì)量100 g的礦料放入拌缸，依據(jù)表7所示的初步配合比稱取適量的水泥和水拌勻潤(rùn)濕，再加入8.3～9.8 g的SBR改性乳化瀝青拌合60±2 s；然后將水性環(huán)氧乳液A和水性固化劑WAT-4-1預(yù)混均勻后加入拌缸繼續(xù)拌合60±2 s后，倒出攤鋪。改變水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的摻量，通過(guò)1 h濕輪磨耗試驗(yàn)考察稀漿混合料的耐磨耗性能；通過(guò)黏聚力試驗(yàn)考察水性環(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)混合料開(kāi)放交通時(shí)間的影響，確定最佳摻量。

2.2.2 分步摻加改性法

按合成級(jí)配對(duì)應(yīng)的各檔集料的配合比例稱量總質(zhì)量100 g的礦料放入拌缸，依據(jù)表7所示的初步配合比稱取適量的水泥和水拌勻潤(rùn)濕。將水性環(huán)氧乳液A預(yù)先加入SBR改性乳化瀝青中攪勻備用，隨后加入拌缸中拌合60±2 s；然后將乳化瀝青中環(huán)氧乳液A同等質(zhì)量的水性固化劑WAT-4-1加入拌缸后繼續(xù)拌合60±2 s后，倒出攤鋪。

以上述拌合試驗(yàn)確定的初步配合比為基礎(chǔ)，進(jìn)行1 h濕輪磨耗試驗(yàn)和黏聚力試驗(yàn)，測(cè)得不同水性環(huán)氧體系外摻量的稀漿混合料對(duì)應(yīng)的1 h濕輪磨耗值及滿足黏聚力（矩）達(dá)到2.0 N·m所用時(shí)間（表9）?？疾斐鲈诓伙@著延長(zhǎng)開(kāi)放交通時(shí)間前提下的最佳水性環(huán)氧體系摻量。

表9 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂外摻量的混合料濕輪磨耗值及開(kāi)放交通時(shí)間

隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的摻入，稀漿混合料的1 h濕輪磨耗值逐漸減小，而開(kāi)放交通時(shí)間相比空白樣時(shí)間有所延長(zhǎng)，且環(huán)氧體系摻入量越多，開(kāi)放交通時(shí)間增長(zhǎng)愈明顯。水性環(huán)氧改性乳化瀝青體系在接觸石料后發(fā)生破乳過(guò)程的同時(shí)，隨著水分的揮發(fā)，水性環(huán)氧體系中樹(shù)脂分子（乳液A）與固化劑分子（水性固化劑B）接觸同時(shí)發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，相輔相成。環(huán)氧樹(shù)脂固化完全后形成不熔的三維空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，分布在瀝青顆粒間，與其交錯(cuò)纏繞，這種復(fù)合體系相比常規(guī)瀝青膠結(jié)料強(qiáng)度更強(qiáng)，大大提升了混合料的耐磨耗性能。水性環(huán)氧體系的固化過(guò)程相比乳化瀝青破乳時(shí)間較長(zhǎng)，也一定程度上影響了水分的揮發(fā)，且環(huán)氧體系的強(qiáng)度也是緩慢增長(zhǎng)，造成稀漿混合料的開(kāi)放交通時(shí)間有所延長(zhǎng)。

通過(guò)比較兩種改性工藝對(duì)混合料耐磨耗性能及開(kāi)放交通時(shí)間的影響，由表9、圖2和圖3所示，混勻摻加改性法比分步摻加改性法所制得樣品的耐磨耗性能略強(qiáng)，但后者的開(kāi)放交通時(shí)間相比前者較短。混勻摻加改性法環(huán)氧樹(shù)脂分子會(huì)依附于固化劑分子左右，隨著水分的揮發(fā)，二者能迅速開(kāi)始固化反應(yīng)，能較充分地發(fā)揮水性環(huán)氧體系強(qiáng)度提升優(yōu)勢(shì)；分步摻加法環(huán)氧乳液A和水性固化劑B在混合料拌合過(guò)程中才會(huì)相遇，不能充分接觸，造成發(fā)生固化反應(yīng)的環(huán)氧樹(shù)脂固化物數(shù)量要少于實(shí)際摻入量，對(duì)乳化瀝青破乳、混合料形成強(qiáng)度的過(guò)程影響小于同等摻量下混勻摻加改性手段，所以開(kāi)放交通時(shí)間更短，但混合料耐磨耗性能的提升遜色于混勻摻加改性法。綜合考慮成本、耐磨耗性能提升情況、對(duì)開(kāi)放交通時(shí)間的延長(zhǎng)情況等，確定水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的最佳摻量為10wt%。兩種改性方法均能有效提升磨耗層的耐磨耗性能。

圖2 不同改性方法的混合料濕輪磨耗值與水性環(huán)氧樹(shù)脂外摻量關(guān)系對(duì)比圖

圖3 不同改性方法的混合料開(kāi)放交通時(shí)間與水性環(huán)氧樹(shù)脂外摻量關(guān)系對(duì)比圖

2.3 水性環(huán)氧乳化瀝青微表處施工工藝建議

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，少量水性環(huán)氧乳化瀝青稀漿混合料拌合工藝為2.2中所述的“兩階段拌合工藝”，即一階段SBR改性乳化瀝青將集料充分裹附；二階段水性環(huán)氧樹(shù)脂體系在裹附瀝青的集料間起“加筋”作用。

在工程應(yīng)用中，此“兩階段拌合工藝”須對(duì)現(xiàn)有微表處攤鋪機(jī)進(jìn)行改裝，即增加水性環(huán)氧體系拌合箱體及給料裝置等，成本較高。在現(xiàn)有微表處攤鋪機(jī)基礎(chǔ)上，考慮到水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的可操作時(shí)間較短，在長(zhǎng)運(yùn)距、高溫暴曬等復(fù)雜工況條件下，將水性環(huán)氧乳液A和水性固化劑B混合均勻后加入乳化瀝青罐的方法不可行。可將水性環(huán)氧乳液A預(yù)混摻入乳化瀝青（乳化瀝青供給裝置）；而后將水性固化劑B加入添加劑箱體。

3 結(jié)語(yǔ)

a）常溫下，體系的可操作時(shí)間為43 min，溫度的升高，會(huì)進(jìn)一步縮短體系的使用期。

b）水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的摻入能有效提升乳化瀝青稀漿混合料的耐磨耗性能。在綜合成本、耐磨耗性能、開(kāi)放交通時(shí)間等基礎(chǔ)上，水性環(huán)氧樹(shù)脂體系的最佳外摻量為10wt%?；靹驌郊痈男苑?、分步摻加改性法均能有效提升微表處混合料的耐磨耗性能。

c）在現(xiàn)有微表處攤鋪機(jī)基礎(chǔ)上，可將水性環(huán)氧乳液A預(yù)混摻入乳化瀝青（乳化瀝青供給裝置）；而后將水性固化劑B加入添加劑箱體以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。