水性環(huán)氧樹脂對(duì)滲固材料及其改性混合料性能的影響研究

呂化冰,易可良,蔡翼航,張仰鵬

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的推進(jìn),我國(guó)各等級(jí)公路網(wǎng)日趨完善,新建公路的高潮逐漸退去,舊路養(yǎng)護(hù)日益受到重視,養(yǎng)護(hù)新材料及新工藝的研究開發(fā)成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)方向。霧封層、微表處等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施具有成本低廉、施工便捷、常溫作業(yè)等優(yōu)勢(shì)[1],曾一度得到廣泛應(yīng)用,在延緩路面病害、延長(zhǎng)使用壽命方面起到了一定作用,但由于其存在粘結(jié)性差、滲透性低、使用壽命較短等諸多缺點(diǎn),逐漸受到冷落。因此,亟須開發(fā)推廣一種滲固材料[2-3],研究提升其常溫粘結(jié)性能,加強(qiáng)淺表滲透及固化效果等,為路面養(yǎng)護(hù)提供新思路。本文將水溶性環(huán)氧樹脂(Waterborne epoxy resin,以下簡(jiǎn)稱WER)摻入乳化瀝青中,制備滲固材料,并在已有研究的基礎(chǔ)上[4-8],進(jìn)一步研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青作為瀝青路面封層及常溫膠結(jié)料的可行性,以期提高路表養(yǎng)護(hù)材料滲透性、粘結(jié)性等,改善路面養(yǎng)護(hù)效果。

1 原材料

室內(nèi)試驗(yàn)所用乳化瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》(JTG/T F40-02)(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)指南》)要求,見表1;水性環(huán)氧樹脂采用江蘇南通鳳凰牌水溶性環(huán)氧樹脂,技術(shù)指標(biāo)見表2,由A、B組分經(jīng)300 r/min機(jī)械攪拌20 min制得;助劑技術(shù)指標(biāo)見表3;集料技術(shù)指標(biāo)見下頁(yè)表4,級(jí)配見下頁(yè)表5。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 水性環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)表

表3 滲透助劑技術(shù)指標(biāo)表

表4 集料技術(shù)指標(biāo)表

表5 AC-13瀝青混合料級(jí)配表

2 WER摻量對(duì)滲固材料性能的影響

采用先乳化后改性的制備方法,獲得新制滲固材料,并與原樣乳化瀝青進(jìn)行對(duì)比?；诮?jīng)濟(jì)性及已有研究結(jié)果,WER摻量取<20%。同時(shí),為方便探究滲固材料性能隨WER摻量的變化規(guī)律,確定不同場(chǎng)景的適用配合比,本文中分別取WER摻量為0、5%、10%、15%、20%進(jìn)行研究。根據(jù)廠家推薦,WER的A、B組分質(zhì)量比為1∶2。按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[9]中T0604、T0605、T0606測(cè)試不同配合比蒸發(fā)后殘留物的25 ℃針入度、15 ℃延度及軟化點(diǎn),按照T0655進(jìn)行5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn),按照《乳化瀝青滲透性測(cè)定法》(GB/T 38050-2019)[10]測(cè)試不同配合比滲固材料的滲透系數(shù),試驗(yàn)結(jié)果見表6、圖1～5。

圖1 針入度隨WER摻量的變化曲線圖

表6 不同WER摻量滲固材料試驗(yàn)結(jié)果表

由圖1可以看出,隨WER摻量的提高,殘留物的針入度急劇減小。這是因?yàn)?WER固化物剛度較大,隨著WER摻量的提高,WER形成的交聯(lián)固化物增多,在瀝青中起到骨架支撐作用,殘留物對(duì)針頭的阻礙作用增強(qiáng),導(dǎo)致針入度急劇降低。當(dāng)WER摻量為20%時(shí),針入度值已接近規(guī)范下限值,從針入度要求來看,WER摻量<20%為宜。

由圖2可以看出,隨WER摻量的提高,殘留物的延度急劇減小。WER固化物在15 ℃下呈現(xiàn)較為明顯的脆性,容許變形較小,因而降低了殘留物的延度。由此可以推斷,隨WER摻量的增加,殘留物的低溫性能下降,滲固材料的低溫性能也將下降,因此控制WER摻量是保證滲固材料低溫性能的重要因素,但即使WER摻量達(dá)到20%,殘留物性能依舊滿足《技術(shù)指南》的要求。

圖2 延度隨WER摻量的變化曲線圖

由圖3可以看出,隨WER摻量的提高,殘留物軟化點(diǎn)急劇上升。WER固化物軟化點(diǎn)與其聚合度有關(guān),而其聚合度又與WER兩組分分子化學(xué)組成有關(guān),本研究中采用的WER固化物軟化點(diǎn)為95 ℃左右,其對(duì)滲固材料軟化點(diǎn)的提高作用是十分明顯的。

圖3 軟化點(diǎn)隨WER摻量的變化曲線圖

由圖4可以看出,隨WER摻量的提高,儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)值逐漸增大。親水的WER固化物因橋接了瀝青分子而產(chǎn)生凝絮,從而逐漸沉淀,導(dǎo)致儲(chǔ)存穩(wěn)定性的測(cè)值增大。當(dāng)WER摻量<15%時(shí),滲固材料5 d儲(chǔ)存穩(wěn)定性滿足《技術(shù)指南》的要求,因此WER摻量<15%為宜。

圖4 儲(chǔ)存穩(wěn)定性隨WER摻量的變化曲線圖

由圖5可以看出,由于WER的親水特性,滲固材料整體滲透系數(shù)隨WER摻量的提高而逐漸提高。受材料成本及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的限制,WER摻量不能無限制的提高,綜合來看,當(dāng)WER摻量<15%時(shí),滲固材料各項(xiàng)指標(biāo)是滿足規(guī)范要求的。基于最佳路用性能的需求,下文研究中采用WER摻量為0～15%的滲固材料進(jìn)行路用性能研究,以進(jìn)一步確定滲固材料中WER的最佳摻量。

圖5 滲透系數(shù)隨WER摻量的變化曲線圖

3 WER摻量對(duì)滲固材料改性混合料路用性能的影響

為進(jìn)一步探究滲固材料作為磨耗層膠結(jié)料及封層的可行性及WER摻量對(duì)滲固材料改性瀝青混合料路用性能的影響,本文基于車轍試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)及1 d濕輪磨耗試驗(yàn),評(píng)價(jià)滲固材料改性瀝青混合料抗車轍性能、抗剝落性能及抗水損性能。試驗(yàn)中采用兩種制樣方式進(jìn)行對(duì)比:(1)將不同WER摻量的滲固材料作為膠結(jié)料,代替乳化瀝青成型試件,滲固材料油石比取8.0%,置于60 ℃烘箱中烘至恒重,表征滲固材料作為磨耗層膠結(jié)料時(shí)的情況,以探究滲固材料中WER摻量對(duì)改性瀝青混合料性能的影響;(2)采用乳化瀝青成型試件,乳化瀝青油石比取8.0%,并涂覆不同WER摻量的滲固材料,涂覆量為1.2 kg/m2,同樣置于60 ℃烘箱中烘至恒重,表征滲固材料作為粘層時(shí)的情況,以探究不同WER摻量滲固材料對(duì)原瀝青混合料性能的提升效果。試驗(yàn)結(jié)果見表7、圖6～8。

圖6 不同WER摻量及制樣方式的滲固材料混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化曲線圖

表7 不同WER摻量滲固材料路用性能表

WER的摻入可顯著提升混合料抗車轍性能,涂覆也可在一定程度上提高抗車轍性能。由圖6可知,隨WER摻量的提高,無論是采用摻入還是涂覆的方式,混合料動(dòng)穩(wěn)定度均呈上升趨勢(shì),這時(shí)WER固化后軟化點(diǎn)和強(qiáng)度均較高,對(duì)混合料起到了強(qiáng)化作用。采用摻入方式時(shí),相較于5%WER摻量的混合料,10%～15%WER摻量的混合料動(dòng)穩(wěn)定度明顯較大,且較為穩(wěn)定。采用涂覆方式時(shí),混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨摻量的提高而逐漸增大,涂覆15%WER時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度與摻入5%時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度基本相當(dāng)。因此,從抗車轍性能來看,WER摻量在10%～15%為宜。

WER的摻入及涂覆均可顯著改善混合料抗剝落性能。由圖7可知,采用摻入方式時(shí),隨WER摻量的提高,混合料飛散損失率先顯著降低,后略微升高,拐點(diǎn)在10%摻量處,這是可能是因?yàn)閃ER固化后粘結(jié)性較強(qiáng),隨著WER摻量提高,混合料飛散損失率降低,而WER的摻入使瀝青延展性降低,WER摻量達(dá)到15%時(shí),混合料粘結(jié)界面在鋼球的沖擊下產(chǎn)生脆斷,從而導(dǎo)致飛散損失率的升高。采用涂覆方式時(shí),隨WER摻量的提高,混合料飛散損失率逐漸降低,這可能是因?yàn)?表面涂覆的滲固材料在混合料表面產(chǎn)生了一層強(qiáng)化粘結(jié)膜,而該強(qiáng)化膜遠(yuǎn)比集料間的瀝青膜厚,摻量達(dá)到較高時(shí),脆斷并不明顯,故飛散損失率降低。因此,從抗剝落性能來看,采用摻入方式時(shí),WER摻量在5%～15%時(shí)的改善效果皆較明顯,其中摻量為10%～15%的改善效果接近,但摻量為10%的改善最佳;采用涂覆方式時(shí)WER摻量為10%～15%的改善效果較明顯,其中15%的改善效果最佳。

圖7 不同WER摻量及制樣方式的滲固材料混合料標(biāo)準(zhǔn)飛散損失變化曲線圖

WER的摻入可顯著改善混合料的抗水損性能,涂覆有一定改善效果但不明顯。由圖8可以看出,兩種制樣方式下,當(dāng)WER摻量從0提高到15%時(shí),兩種制樣方式的混合料濕輪磨耗值,摻入方式降低約62%,涂覆方式降低約13%,二者均呈降低趨勢(shì),說明WER的摻入可顯著改善混合料的抗水損性能,WER的最佳摻量為15%。

圖8 不同WER摻量及制樣方式的滲固材料混合料1 h濕輪磨耗值曲線圖

綜合分析滲固材料改性瀝青混合料各項(xiàng)性能,摻入方式動(dòng)穩(wěn)定度、濕輪磨耗值均在15%時(shí)最佳,而飛散損失率在10%WER摻量下數(shù)據(jù)最佳,但10%～15%摻量的效果接近,因此WER最佳摻量取15%;涂覆方式三種路用性能數(shù)據(jù)均在15%WER摻量時(shí)最佳。由此可見,當(dāng)滲固材料中WER摻量在15%時(shí),該材料作為磨耗層膠結(jié)料及封層性能最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文向乳化瀝青中引入水性環(huán)氧樹脂制備滲固材料,通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證滲固材料作為磨耗層膠結(jié)料及封層材料的優(yōu)勢(shì),并探究水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)相關(guān)性能的影響,結(jié)果表明:

(1)WER摻量提高,乳化瀝青蒸發(fā)后殘留物針入度、延度降低,軟化點(diǎn)提高,儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差,滲透性提高,當(dāng)摻量<15%時(shí),滲固材料各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求,滲透性良好,適宜作為高溫地區(qū)路面建養(yǎng)材料。

(2)WER摻量提高,滲固材料摻入及涂覆的乳化瀝青混合料抗車轍性能、抗剝落性能及抗水損性能均得到明顯改善,當(dāng)WER摻量為15%時(shí)的改善效果最佳,滲固材料作為磨耗層膠結(jié)料及粘層材料是可行的。