固化劑含量對水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處的性能影響

趙果萍

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國高速公路總里程的飛速增長及汽車保有量的不斷增加，路面維修、養(yǎng)護(hù)工作愈發(fā)重要。為實施和推廣全壽命周期成本及路面20年不大修等理念，傳統(tǒng)的“矯正性養(yǎng)護(hù)”逐漸被“預(yù)防性養(yǎng)護(hù)”所取代[1]。微表處具有成本低廉、施工方便、污染小等優(yōu)點[2-3]，逐漸成為公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)常用的手段之一。然而，由于原材料、配合比及施工環(huán)境氣候等原因，微表處仍存在性能衰減迅速、耐久性不佳、易發(fā)生早期破壞等不足。主要是因為微表處結(jié)構(gòu)中瀝青與集料之間的黏結(jié)力不佳，直接導(dǎo)致集料抗剝落性差；更有甚者，在高溫條件以及汽車荷載作用下，集料受到擠壓而重新排列，導(dǎo)致微表處抗滑性能衰減明顯。因此瀝青膠結(jié)料性能是微表處應(yīng)用的核心。

現(xiàn)階段，工程應(yīng)用中通常采用丁苯橡膠（SBR）改性乳化瀝青。添加SBR膠乳后的改性乳化瀝青殘留物擁有極佳的黏韌性，大大改善微表處的低溫抗裂性能；但對高溫及抗車轍性能提升不明顯[4-5]。水性環(huán)氧樹脂是一種固化物強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性優(yōu)異、黏附性強(qiáng)且儲運(yùn)方便的環(huán)境友好型新材料[6]，是理想的乳化瀝青聚合物改性劑。水性環(huán)氧乳化瀝青通過乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂固化體系（水性環(huán)氧樹脂+水性固化劑）按一定比例摻配而成，可兼顧二者的材料性能優(yōu)勢，作為改性瀝青膠結(jié)料應(yīng)用于微表處混合料，能提升其抗磨耗、抗水損、抗剝落等性能，增強(qiáng)微表處磨耗層的耐久性。

1 原材料

1.1 水性環(huán)氧固化體系及水性環(huán)氧固化物

該試驗中，水性環(huán)氧樹脂選用購自上海潤碳新材料科技有限公司的水性環(huán)氧乳液MU601，具體指標(biāo)如表1所示。滿足國標(biāo)《道路用水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料》（GB/T 38990—2020）[7]的要求。水性固化劑WAT-4-1由實驗室自制，技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 水性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)

表2 水性環(huán)氧固化劑技術(shù)指標(biāo)

按照環(huán)氧當(dāng)量與活潑氫當(dāng)量比例為1∶1.2進(jìn)行核算，確定MU601和WAT-4-1按質(zhì)量比1∶0.6使用，摻配混合均勻后即得水性環(huán)氧固化體系，該固化體系在室溫條件下隨著時間推移逐漸發(fā)生化學(xué)固化反應(yīng)，形成不熔不溶的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水性環(huán)氧固化物。

1.2 乳化瀝青

試驗中所用瀝青選用中海油70號基質(zhì)瀝青，其基本指標(biāo)見表3。該試驗選用市售陽離子型慢裂快凝乳化劑CMK-206，使用膠體磨制備成乳化瀝青，經(jīng)測試其性能滿足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》（JTC/T F40-02—2005）[8]，其性能如表 4 所示。

表3 中海油70號基質(zhì)瀝青主要指標(biāo)

表4 乳化瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

1.3 水性環(huán)氧乳化瀝青的制備

采用“先乳化后改性”的基本方法，取計量的水性環(huán)氧樹脂和水性固化劑按比例充分?jǐn)嚢柚脸拾咨灰后w，隨后加入至乳化瀝青，室溫條件下機(jī)械攪拌（轉(zhuǎn)速500 r/min）15 min后即得水性環(huán)氧乳化瀝青材料。

因為水性環(huán)氧固化物強(qiáng)度高脆性較大，在環(huán)氧體系改性之前，預(yù)先在乳化瀝青中加入3%（折合固體質(zhì)量）的陽離子型SBR膠乳（60 wt%）。

1.4 集（礦）料

集料及礦粉均選用石灰?guī)r，取自太原東二環(huán)檢測項目工地，各項指標(biāo)均符合《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）[9]規(guī)定。級配采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2019）[10]，如表 5所示規(guī)定的MS-3型中值級配。為加快改性乳化瀝青的破乳，提升稀漿混合料的早期強(qiáng)度，在混合料拌合過程中加入1%（占集料質(zhì)量的百分比）的硅酸鹽水泥（標(biāo)號 42.5）。

表5 MS-3型中值級配表

對集料進(jìn)行篩分，并依據(jù)中值級配表繪制合成級配曲線，最終確定各檔集料的質(zhì)量用量如表6所示。

表6 各檔集料的質(zhì)量用量比例表

1.5 微表處稀漿混合料最佳油石比的確定

該試驗通過濕輪磨耗試驗（1 h）和負(fù)荷車輪黏砂試驗測得的1 h濕輪磨耗損失、黏附砂量與油石比的關(guān)系繪制曲線來確定微表處稀漿混合料最佳油石比范圍，繼而為后續(xù)評價微表處混合料的路用性能提供基礎(chǔ)。

結(jié)合工程經(jīng)驗，固定SBR膠乳摻加量為乳化瀝青質(zhì)量的3%，且乳化瀝青內(nèi)不摻加水性環(huán)氧樹脂固化體系，水泥摻加量為集料總質(zhì)量的1%，稀漿混合料拌合用水量范圍為集料質(zhì)量的3%～8%.選定油石比范圍為4.5%～6.5%，制作濕輪磨耗及負(fù)荷車輪黏砂試件進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖1。

圖1 微表處1 h濕輪磨耗損失及黏附砂量與油石比關(guān)系曲線

由圖1分析易知，隨著瀝青質(zhì)量的逐漸增大，微表處稀漿混合料的1 h濕輪磨耗損失WTAT呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，當(dāng)油石比提升至5.5%左右即可滿足規(guī)范要求。混合料的負(fù)荷車輪黏砂量隨油石比的增加逐漸增大，當(dāng)油石比大于6.2%后便超過規(guī)范要求的上限450 g/m2。在試驗過程中觀察易知，當(dāng)油石比超過6.5%時，破乳后混合料試件表面泛油光，在工程應(yīng)用中會引起路表泛油。綜上所述，該試驗的油石比應(yīng)處于5.5%～6.2%這一范圍間。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物拉伸強(qiáng)度試驗

由于水性環(huán)氧乳化瀝青隨著水分的揮發(fā)，體系中瀝青的破乳和環(huán)氧樹脂的交聯(lián)固化反應(yīng)同時進(jìn)行，最后形成“環(huán)氧瀝青”。因此，規(guī)范JTG F40規(guī)定的對乳化瀝青殘留物性質(zhì)測試方法不再適用于水性環(huán)氧乳化瀝青。依據(jù)國標(biāo)GB/T 38990規(guī)定，通過考察蒸發(fā)殘留物的斷裂拉伸強(qiáng)度及伸長率來表征水性環(huán)氧乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物性能。

參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》（GB/528—2009）[11]，制備“啞鈴狀”試件，室溫條件下養(yǎng)護(hù)3 h后進(jìn)行拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能測定，拉伸速率為（50±5）mm/min，斷裂瞬間的強(qiáng)度和伸長率結(jié)果見圖2。

圖2 改性乳化瀝青殘留物拉伸斷裂強(qiáng)度、拉伸斷裂伸長率與水性環(huán)氧固化體系摻量關(guān)系圖

由圖2易知，水性環(huán)氧固化體系的摻加，提升了改性乳化瀝青的力學(xué)強(qiáng)度。隨著水分的蒸發(fā)，環(huán)氧樹脂分子與固化劑接觸發(fā)生化學(xué)固化反應(yīng)；與此同時，乳化瀝青不斷破乳，瀝青顆粒填充、依附在環(huán)氧樹脂固化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，形成類似“加筋”結(jié)構(gòu)，繼而使整個體系的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得以顯著增強(qiáng)。當(dāng)水性環(huán)氧固化體系摻加量為20%時，改性乳化瀝青的殘留物斷裂拉伸強(qiáng)度達(dá)到1.63 MPa，遠(yuǎn)強(qiáng)于基質(zhì)乳化瀝青。

水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的拉伸斷裂伸長率隨水性環(huán)氧固化體系摻加量的增加而逐漸降低，說明改性乳化瀝青體系從熱塑性材料逐漸向熱固性材料轉(zhuǎn)變。即體系由瀝青顆粒為主相、環(huán)氧樹脂固化物大分子為分散相的這一狀態(tài)逐步衍變?yōu)橐原h(huán)氧固化物網(wǎng)絡(luò)為主相、瀝青顆粒為分散相的結(jié)構(gòu)。

2.2 水性環(huán)氧固化體系對微表處混合料抗磨耗性能的影響

圖3呈現(xiàn)出水性環(huán)氧固化體系的摻加量分別為2%、4%、6%、8%、10%和20%的改性乳化瀝青混合料的抗磨耗性能的變化規(guī)律。隨著環(huán)氧體系摻加量的增加，濕輪磨耗損失值逐漸降低，說明混合料抗磨耗性能提升明顯。分析其原因，瀝青體系的破乳和環(huán)氧體系的固化交聯(lián)同時發(fā)生又相互影響。乳化瀝青的破乳將石料（骨料）充分裹附；環(huán)氧固化體系與瀝青顆粒交互纏繞，環(huán)氧固化物大分子網(wǎng)絡(luò)在裹附瀝青的集料間起到類似“加筋”作用，因此復(fù)合體系相比單純?yōu)r青膠結(jié)料具有更高的黏附性和強(qiáng)度。但當(dāng)環(huán)氧固化體系摻加量達(dá)到10%后，1 h濕輪磨耗損失值曲線趨于平穩(wěn)，不再產(chǎn)生大幅變化，混合料耐磨耗能力的提升不與水性環(huán)氧固化體系用量呈正相關(guān)，綜合考慮成本及混合料抗磨耗性能，確定10%為水性環(huán)氧固化體系的最佳摻量。

圖3 不同環(huán)氧固化體系摻量的改性乳化瀝青混合料濕輪磨耗損失圖

2.3 水性環(huán)氧乳化瀝青微表處的水穩(wěn)定性能影響研究

該試驗采用浸水6 d濕輪磨耗試驗、凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗分別對微表處混合料的水穩(wěn)定性能及耐久性進(jìn)行全面考察評價。按JTG F40規(guī)定成型濕輪磨耗試件分為兩組，一組置于25℃恒溫水浴中浸泡6 d進(jìn)行6 d濕輪磨耗試驗；另一組先放入25℃的恒溫水浴中浸泡1 h，后置于-18℃低溫環(huán)境中16 h進(jìn)行冷凍，接著放入45℃恒溫水箱養(yǎng)護(hù)12 h，之后進(jìn)行濕輪磨耗試驗。

該試驗使用水性環(huán)氧固化體系外摻用量分別為2%、4%、6%、8%、10%和20%的改性乳化瀝青成型濕輪磨耗試件進(jìn)行浸水6 d濕輪磨耗試驗和凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同固化體系摻量的浸水6 d濕輪磨耗試驗和凍融循環(huán)濕輪磨耗試驗損失圖

圖4中易知，水性環(huán)氧固化體系的摻入對微表處混合料的水穩(wěn)性能有明顯改善。隨著環(huán)氧固化體系摻量的增加，微表處混合料的浸水6 d和凍融循環(huán)的濕輪磨耗損失都呈下降的趨勢，且差距逐漸減小。說明水性環(huán)氧固化體系的摻入提升了微表處混合料抵抗凍破壞的能力。該結(jié)構(gòu)顯著增加了膠結(jié)料與集料間黏附作用，當(dāng)溫度應(yīng)力循環(huán)及水侵蝕作用下，有效抵抗了水及荷載對集料產(chǎn)生的凍融剝落作用，提升了微表處混合料的水穩(wěn)定性。

當(dāng)環(huán)氧體系摻量達(dá)到10%時，6 d濕輪磨耗損失和凍融濕輪磨耗損失下降均趨于平緩，因此從成本及性能角度考慮，水性環(huán)氧固化體系的最優(yōu)摻量為10%.

3 結(jié)語

a）結(jié)合工程經(jīng)驗及室內(nèi)試驗，微表處油石比應(yīng)處于5.5%～6.2%.

b）相比于傳統(tǒng)基質(zhì)乳化瀝青，水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的斷裂拉伸強(qiáng)度大大提升。當(dāng)水性環(huán)氧固化體系摻加量為20%時，改性乳化瀝青的殘留物斷裂拉伸強(qiáng)度達(dá)到1.63 MPa。水性環(huán)氧固化體系的加入，使乳化瀝青體系的力學(xué)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

c）水性環(huán)氧固化體系的摻入，顯著提升了微表處混合料的抗磨耗性能及水穩(wěn)定性能。在綜合考慮成本及性能的基礎(chǔ)上，水性環(huán)氧固化體系的最佳摻量為10%.