基于水性環(huán)氧乳化瀝青的早強(qiáng)冷補(bǔ)料性能研究

李 毅，徐建暉，劉譽(yù)貴，陳 誠，王 杰

(1.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，云南 昆明 650217；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400000)

1 概述

隨著我國公路里程與舊路服役年限的逐年增長，“建養(yǎng)并重”的養(yǎng)護(hù)時(shí)代已經(jīng)來臨，而養(yǎng)護(hù)材料的研究開發(fā)對養(yǎng)護(hù)技術(shù)的全面發(fā)展具有重要作用。冷補(bǔ)料具有能耗低、排放低、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，環(huán)保節(jié)能效益顯著，符合“雙碳”政策要求[1-2]。水性環(huán)氧通過固化反應(yīng)可較好地提升乳化瀝青材料的力學(xué)性能，將兩者復(fù)配形成的水性環(huán)氧乳化瀝青引入冷補(bǔ)料中用作膠結(jié)料，可較好地提升冷補(bǔ)材料的路用性能[3-6]。

目前關(guān)于水性環(huán)氧乳化瀝青類冷修補(bǔ)材料的研究較多[7]，郝肖麗等[8]制備了一種水性環(huán)氧、乳化瀝青、水泥三者復(fù)合的快速修補(bǔ)材料，研究發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧可提升修補(bǔ)材料的致密性，并顯著提升修補(bǔ)混合料的后期強(qiáng)度及高低溫性能。崔通等[9]研究發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧樹脂摻量對水性環(huán)氧乳化瀝青三大指標(biāo)、黏度、車轍因子有顯著影響，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為15%時(shí)，混合料高溫性能優(yōu)異，且具有一定的低溫抗裂性能。王清洲等[10]通過微觀結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧可提升瀝青材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，當(dāng)水性環(huán)氧摻量達(dá)到15%時(shí)，環(huán)氧樹脂可在瀝青內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以提升水性環(huán)氧乳化瀝青的高溫抗變形能力。

雖然目前關(guān)于水性環(huán)氧乳化瀝青及其混合料的相關(guān)研究較多，但受水性環(huán)氧樹脂、固化劑、乳化瀝青、改性劑等原材料種類及性能的不同，使得冷補(bǔ)材料的性能存在差異，如仍存在養(yǎng)護(hù)時(shí)間長、耐久性不足等問題，導(dǎo)致水性環(huán)氧乳化瀝青類冷補(bǔ)材料大面積推廣應(yīng)用受限。本文制備一種早強(qiáng)型水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料，研究水性環(huán)氧體系摻量對水性環(huán)氧乳化瀝青膠結(jié)料性能的影響，及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對冷補(bǔ)混合料路用性能的影響，為相關(guān)研究及工程應(yīng)用提供參考。

2 原材料

2.1 水性環(huán)氧樹脂

本文選用的水性環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)水性環(huán)氧樹脂與高分子改性乳液復(fù)配制得，基礎(chǔ)水性環(huán)氧樹脂由雙酚A型環(huán)氧樹脂經(jīng)乳化得到，高分子改性乳液為市面成熟的增韌型改性乳液，兩者經(jīng)攪拌均勻混合后得到本文所用水性環(huán)氧樹脂，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)

2.2 水性環(huán)氧固化劑

水性環(huán)氧樹脂在固化劑作用下才發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)，使水性環(huán)氧樹脂具備力學(xué)性能，同時(shí)形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固瀝青材料的目的。本文選擇一種非離子型水性改性胺加成物固化劑，具有固化速度快、力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在溫度低至10 ℃時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)快速固化，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 水性環(huán)氧固化劑技術(shù)指標(biāo)

2.3 乳化瀝青

為保證水性環(huán)氧乳化瀝青具有較好的路用性能，本文所用乳化瀝青為高分子膠乳改性的乳化瀝青，其中高分子膠乳摻量為4%，此外還包含少量穩(wěn)定劑，保證乳化瀝青的穩(wěn)定性能。乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 乳化瀝青性能指標(biāo)

3 水性環(huán)氧乳化瀝青制備及混合料成型

3.1 水性環(huán)氧乳化瀝青制備工藝

水性環(huán)氧樹脂、固化劑、乳化瀝青均為較穩(wěn)定的材料體系，制備水性環(huán)氧乳化瀝青過程時(shí)僅需常規(guī)攪拌工藝即可保證各組分均勻混合，同時(shí)需要控制攪拌速度，過快攪拌時(shí)機(jī)械發(fā)熱易影響體系穩(wěn)定性或促使固化反應(yīng)提前進(jìn)行。因此本文按照圖1所示流程制備水性環(huán)氧乳化瀝青，具體過程如下：

1)將水性環(huán)氧體系(水性環(huán)氧樹脂與固化劑)按比例外摻入乳化瀝青計(jì)算三種材料的配比，外摻比例為0%,10%,20%,30%,40%,50%，其中水性環(huán)氧樹脂與固化劑的配比按環(huán)氧當(dāng)量與胺值計(jì)算得到。

2)將準(zhǔn)備好的固化劑加入乳化瀝青中，利用分散機(jī)按1 000 rpm攪拌3 min，混合均勻后加入水性環(huán)氧樹脂，繼續(xù)攪拌2 min得到水性環(huán)氧乳化瀝青。按此工藝分別得到不同水性環(huán)氧體系外摻比例的水性環(huán)氧乳化瀝青，為后續(xù)性能評價(jià)研究做好準(zhǔn)備工作。

3.2 冷補(bǔ)混合料試件成型

水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)混合料用集料配比(ECM-10)如表4所示，其中集料類型為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，礦粉摻量4%，水泥為市售常規(guī)P.O42.5R早強(qiáng)水泥，水泥摻量為50%取代礦粉用量(即礦粉與水泥各占2%)。選擇水性環(huán)氧體系摻量30%的水性環(huán)氧乳化瀝青為混合料用膠結(jié)料，根據(jù)礦料篩分結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式：P=0.06A+0.12B+0.2C初步確定油石比為8.5%，以此基礎(chǔ)分別評價(jià)油石比為7.5%,8.0%,8.5%,9.0%,9.5%條件下冷補(bǔ)混合料的馬歇爾試件性能，并最終優(yōu)選出最佳油石比為9.0%。根據(jù)表4的材料配比及9.0%的油石比成型車轍試件與馬歇爾試件，經(jīng)室溫(25 ℃)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后開展高溫車轍性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能評價(jià)。

表4 冷補(bǔ)混合料礦料配比

4 水性環(huán)氧乳化瀝青性能研究

4.1 黏度變化特性

為評價(jià)水性環(huán)氧體系摻量對乳化瀝青黏度特性的影響，以判讀水性環(huán)氧乳化瀝青施工可操作時(shí)間或黏結(jié)性能形成速度，本文選用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀測試各樣品在室溫條件下(25 ℃)的旋轉(zhuǎn)黏度，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著水性環(huán)氧體系摻量增加或時(shí)間延長，水性環(huán)氧乳化瀝青黏度總體呈增長趨勢。當(dāng)水性環(huán)氧體系摻量為0%時(shí)，純?nèi)榛癁r青的黏度最低，且隨時(shí)間延長基本保持不變，微弱的變化可考慮由乳化瀝青中水分蒸發(fā)或極少部分乳化瀝青破乳引起。當(dāng)水性環(huán)氧體系摻量為10%時(shí)，水性環(huán)氧乳化瀝青的黏度較純?nèi)榛癁r青產(chǎn)生突變，考慮原因?yàn)樗原h(huán)氧體系發(fā)生固化反應(yīng)，產(chǎn)生的交聯(lián)產(chǎn)物提升了水性環(huán)氧乳化瀝青的黏度。隨著水性環(huán)氧體系摻量的進(jìn)一步增加，水性環(huán)氧體系固化產(chǎn)物逐漸形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得水性環(huán)氧乳化瀝青黏度繼續(xù)提升。分析2 h內(nèi)黏度迅速增長的原因?yàn)樗原h(huán)氧體系固化反應(yīng)產(chǎn)生的交聯(lián)作用，隨著反應(yīng)逐漸完成，3 h后黏度增長逐漸放緩，此時(shí)主要是少量水性環(huán)氧體系的繼續(xù)反應(yīng)及乳化瀝青破乳引起黏度增長。根據(jù)時(shí)間-黏度曲線分析表明，水性環(huán)氧乳化瀝青可操作時(shí)間隨水性環(huán)氧體系摻量的增加逐漸縮短，需要在黏度迅速增長前完成施工，因此從水性環(huán)氧乳化瀝青制備完成至冷補(bǔ)料施工完畢的操作時(shí)間不宜超過0.5 h，且水性環(huán)氧體系摻量超過30%后應(yīng)繼續(xù)縮短操作時(shí)間。此外還可推斷，水性環(huán)氧體系交聯(lián)固化速度較快，表明冷補(bǔ)料早期力學(xué)性能提升會(huì)較快，后期隨著乳化瀝青的完全破乳會(huì)進(jìn)一步緩慢提升綜合路用性能。

4.2 三大指標(biāo)評價(jià)

參照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程制備水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物，并成型三大指標(biāo)性能評價(jià)所需試樣，研究不同水性環(huán)氧體系外摻量對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)性能影響規(guī)律。三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同水性環(huán)氧體系摻量對乳化瀝青三大指標(biāo)影響規(guī)律

從表5可以看出，隨著水性環(huán)氧體系摻量的增加，水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)發(fā)生顯著變化。當(dāng)水性環(huán)氧體系摻量為10%時(shí)，相較于基礎(chǔ)乳化瀝青，水性環(huán)氧乳化瀝青的三大指標(biāo)變化響應(yīng)最為明顯，其中針入度降低14.0%、軟化點(diǎn)升高14.8%、延度降低26.1%。繼續(xù)增加水性環(huán)氧體系摻量，針入度、延度持續(xù)降低，軟化點(diǎn)升高，表明水性環(huán)氧體系引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)對瀝青材料具有穩(wěn)固作用，可提升乳化瀝青膠結(jié)料的高溫性能，但低溫性能有所降低。當(dāng)水性環(huán)氧體系摻量超過40%后，三大指標(biāo)變化逐漸變緩，其中摻量為40%時(shí)的延度僅為6.5 cm，此時(shí)水性環(huán)氧乳化瀝青表現(xiàn)為脆硬性，不適于用作道路工程材料。

根據(jù)表5試驗(yàn)結(jié)果，本文選擇水性環(huán)氧體系最佳摻量為30%，此時(shí)水性環(huán)氧乳化瀝青軟化點(diǎn)達(dá)到87.2 ℃，具有優(yōu)異的高溫性能；延度為12.2 cm，也具有較好的低溫延展性能。

4.3 冷補(bǔ)料高溫性能研究

本文選用60 ℃車轍試驗(yàn)評價(jià)冷補(bǔ)料的高溫性能，為保證冷補(bǔ)混合料性能與實(shí)際應(yīng)用時(shí)更為接近，本文研究所用試件均為一次壓實(shí)成型，養(yǎng)護(hù)溫度為室溫(25 ℃)。圖3為純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料與水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下高溫抗車轍性能的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖3可看出，隨著時(shí)間的延長，純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)混合料與水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)混合料的高溫車轍性能均迅速提升，表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間對冷補(bǔ)料的高溫性能有重要影響。純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)混合料隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，乳化瀝青逐漸破乳形成力學(xué)性能，表現(xiàn)為動(dòng)穩(wěn)定度增加，且增長趨勢比較穩(wěn)定；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到36 h時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度超過3 100次/mm，且可推斷隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的進(jìn)一步延長，動(dòng)穩(wěn)定度仍會(huì)繼續(xù)增長。水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度表現(xiàn)出更快的增速，尤其是24 h內(nèi)基本呈倍速增長，24 h后增速逐漸放緩；雖然水性環(huán)氧乳化瀝青早期黏度增速較快，但體系的水分在混合料中蒸發(fā)較慢，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能較好地穩(wěn)固瀝青材料，直接影響力學(xué)性能提升，而本文研究使用的快固化型固化劑和早強(qiáng)水泥材料使混合料動(dòng)穩(wěn)定度在24 h內(nèi)達(dá)到6 150次/mm；進(jìn)一步延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，體系乳化瀝青破乳及殘余水分蒸發(fā)，冷補(bǔ)混合料動(dòng)穩(wěn)定度仍會(huì)繼續(xù)增長。綜合分析，較純?nèi)榛癁r青，水性環(huán)氧乳化瀝青由于快固化水性環(huán)氧體系形成的三維交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)及早強(qiáng)水泥的增強(qiáng)作用，使冷補(bǔ)混合料早期強(qiáng)度形成較快，有利于縮短開放交通時(shí)間。

4.4 冷補(bǔ)料低溫性能研究

為保證冷補(bǔ)料在較低溫度條件下仍有較好的服役性能，需要冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的低溫抗裂性，本文通過-10 ℃條件下冷補(bǔ)混合料小梁的低溫彎曲試驗(yàn)，及試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變兩個(gè)指標(biāo)評價(jià)冷補(bǔ)混合料的低溫抗裂性能。表6為純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料與水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下低溫抗裂性能的試驗(yàn)結(jié)果，其中純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料試件養(yǎng)護(hù)3 h,6 h與水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料試件養(yǎng)護(hù)3 h因混合料未形成較好的強(qiáng)度性能，不能切割成小梁試件而無相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表6 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對冷補(bǔ)料低溫性能影響

從表6可知，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，兩種冷補(bǔ)料的抗彎拉強(qiáng)度均逐漸增大，最大彎拉應(yīng)變逐漸降低。純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料試件隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，試件逐漸具備力學(xué)性能，表現(xiàn)出較好的低溫抗變形能力，但抗彎拉強(qiáng)度有限。水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料試件隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，冷補(bǔ)料試件力學(xué)性能提升迅速，至24 h時(shí)抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)9.2 MPa，此時(shí)試件的抗變形能力較佳，最大彎拉應(yīng)變超過3 200 με。繼續(xù)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間至36 h，抗彎拉強(qiáng)度繼續(xù)增大，但增速明顯降低，最大彎拉應(yīng)變降速也明顯降低，因此可推斷水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料低溫抗裂性能將逐漸趨于穩(wěn)定，且具有滿足低溫條件使用的抗變形能力。綜合分析，水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料較純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料有更優(yōu)異的低溫抗彎拉強(qiáng)度，且有相近的抗變形能力，低溫抗裂綜合性能更為優(yōu)異。

4.5 冷補(bǔ)料水穩(wěn)定性能研究

水穩(wěn)定性不足是冷補(bǔ)料面臨的通病，本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)冷補(bǔ)料的水穩(wěn)定性能，表7為純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料與水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水穩(wěn)定性能的試驗(yàn)結(jié)果。

表7 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對冷補(bǔ)料水穩(wěn)定性能影響

從表7可知，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，兩種冷補(bǔ)料的水穩(wěn)定性均逐漸增強(qiáng)，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間低于12 h時(shí)，試件在水處理或保溫時(shí)發(fā)生明顯變現(xiàn)，故未收集到相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間低于12 h時(shí)冷補(bǔ)料的水穩(wěn)定性很差。純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料受破乳速度影響，養(yǎng)護(hù)36 h后浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比仍較低。水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料因水性環(huán)氧體系的固化反應(yīng)，可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)固瀝青材料，提升礦料間的黏結(jié)性能[11-12]，此外早強(qiáng)水泥也可加速混合料力學(xué)性能的形成，故有較純?nèi)榛癁r青冷補(bǔ)料更優(yōu)異的水穩(wěn)定性能。

5 結(jié)論

通過本文對純?nèi)榛癁r青及水性環(huán)氧乳化瀝青的時(shí)間-黏度特性、三大指標(biāo)、高低溫性能、水穩(wěn)定性能的研究，可得出如下結(jié)論：

1)隨時(shí)間延長，水性環(huán)氧乳化瀝青黏度迅速增長，且水性環(huán)氧體系摻量越大增速越快，3 h后黏度增長趨于平緩。

2)隨水性環(huán)氧體系摻量增加，因水性環(huán)氧體系的交聯(lián)作用形成聚合物三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升了水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物穩(wěn)定性能，故表現(xiàn)為針入度、5 ℃延度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸升高。推薦水性環(huán)氧體系較佳摻量為30%，此時(shí)軟化點(diǎn)為87.2 ℃，5 ℃延度為12.2 cm，表現(xiàn)出較好的高低溫性能。

3)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，兩種冷補(bǔ)料高低溫性能、水穩(wěn)定性能均逐漸提升，但水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料綜合性能更加優(yōu)異；推薦水性環(huán)氧乳化瀝青冷補(bǔ)料養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于24 h，此時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度為6 150次/mm，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)9.2 MPa，最大彎拉應(yīng)變超過3 200 με，浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比分別為83.6%，78.7%。