基于水性樹脂-乳化瀝青體系的坑槽修補(bǔ)材料性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用研究

吳永付

(遼寧交投公路科技養(yǎng)護(hù)有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

在瀝青路面早期病害中,坑槽病害是最典型的、難處理的病害之一,它不僅影響車輛駕駛的舒適性、道路的美觀性,而且會(huì)減少公路的使用壽命[1]。若不及時(shí)修補(bǔ)和加強(qiáng),將會(huì)使路面破損面進(jìn)一步擴(kuò)展,造成維修費(fèi)用成倍增加。目前,坑槽的維修處治方式中,冷補(bǔ)法不受天氣影響,施工簡(jiǎn)單能夠?qū)崿F(xiàn)坑槽快速修補(bǔ),但存在初期強(qiáng)度低、耐久性差等問題,路面易產(chǎn)生二次病害;若能針對(duì)冷補(bǔ)材料提升其路用性能,對(duì)提高坑槽修補(bǔ)質(zhì)量具有十分重要的意義。

乳化瀝青具有高效、節(jié)能、環(huán)保、污染小等優(yōu)勢(shì),而樹脂材料具有高粘結(jié)、高強(qiáng)度性能。水性樹脂-乳化瀝青體系是將二者有機(jī)結(jié)合,使其既具有乳化瀝青體系的常溫施工和易性,又具有樹脂體系的優(yōu)良性能?？捎行岣呖硬坌扪a(bǔ)材料的路用性能,尤其是粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性能,延長(zhǎng)使用壽命。

1 原材料

(1)基質(zhì)瀝青

在乳化瀝青組分構(gòu)成中,瀝青一般占總質(zhì)量的50%～60%,可見瀝青是乳化瀝青組成中的主要組成,因此瀝青技術(shù)指標(biāo)是影響乳化瀝青性能的關(guān)鍵因素。文章選用遼河90#基質(zhì)瀝青。性能指標(biāo)如表1所示。

(2)乳化劑

乳化劑是制備乳化瀝青能否成功的關(guān)鍵因素,乳化劑會(huì)降低水-瀝青體系的表面張力,使水和瀝青這兩個(gè)本不相容的物質(zhì),形成分散均勻、穩(wěn)定的水包油型的乳化瀝青。乳化劑的種類繁多,考慮到坑槽修補(bǔ)材料的技術(shù)要求,即破乳慢,有足夠的可拌合時(shí)間,且成型后能快速凝固,形成強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)快速開放交通的要求,同時(shí),要保證與石料具有良好的裹附性,最終選用慢裂型非離子乳化劑7TX。

(3)水性樹脂

目前,水性高分子樹脂的種類繁多,對(duì)性能的提升也是參差不齊。拌合型的乳化瀝青修補(bǔ)材料,在保證有足夠的可拌合時(shí)間的同時(shí)還要保證稀漿混合料能夠快速凝固成型,實(shí)現(xiàn)開放交通的需求[2]。經(jīng)調(diào)研、試驗(yàn)評(píng)價(jià),單組分的水性樹脂滿足上述要求。文章經(jīng)篩選,選用上海某公司生產(chǎn)的水性樹脂乳液(如圖1所示)。

圖1 水性樹脂乳液

2 乳化瀝青生產(chǎn)工藝

乳化瀝青具體生產(chǎn)工藝如下:

(1)預(yù)先準(zhǔn)備一定質(zhì)量的溫水,將穩(wěn)定劑添加到溫水中用玻璃棒攪拌均勻,然后加熱到65℃。隨后添加乳化劑,用量為0.7%,攪拌均勻即可,將皂液加熱到60℃,待用。

(2)預(yù)熱膠體磨和瀝青,膠體磨采用水循環(huán)預(yù)熱至60℃,排出廢水;將瀝青預(yù)熱至165℃,待用。

(3)啟動(dòng)膠體磨,先加入皂液,待循環(huán)均勻后,緩緩倒入瀝青,邊加瀝青邊攪拌,經(jīng)膠體磨研磨均勻分散,形成黑褐色乳液,制備出乳化瀝青。

(4)在制備的乳化瀝青中加入水性樹脂材料,攪拌均勻,備用。

3 水性樹脂-乳化瀝青體系技術(shù)性能評(píng)價(jià)

(1)水性樹脂對(duì)乳化瀝青殘留物性能的影響

文章選取水性樹脂摻量為0、8%、10%、15%和20%,進(jìn)行了水性樹脂-乳化瀝青體系的蒸發(fā)殘留物性能評(píng)價(jià),傳統(tǒng)殘留物試驗(yàn)直接用電爐加熱,考慮到水性樹脂材料預(yù)熱固化特性,采用烘箱低溫固化。將配置好的水性樹脂-乳化瀝青倒在蒸發(fā)皿中,置于70℃烘箱中,恒溫6h,每隔0.5h攪拌一次,防止乳化瀝青結(jié)皮。6h后將溫度提高至120℃,保溫1h,保證水性樹脂完全固化。試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖2所示。

圖2 水性樹脂對(duì)乳化瀝青殘留物的技術(shù)性能影響

表2 水性樹脂對(duì)乳化瀝青殘留物的性能影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著水性樹脂摻量的增加,殘留物針入度逐漸降低,軟化點(diǎn)逐漸增加,延度急劇下降。樹脂摻量為15%的針入度相對(duì)于基準(zhǔn)組降低了42.1%,軟化點(diǎn)升高了35.5%,延度降低了91.3%。也就是說,隨著水性樹脂摻量的增加,瀝青的脆性增強(qiáng),硬度增大,這主要是由于水性樹脂的溫度敏感性低,當(dāng)摻量較高時(shí)更多的表現(xiàn)為樹脂的特性?？梢?水性樹脂的添加有助于提高強(qiáng)度,增加粘結(jié)性能和高溫性能,但會(huì)降低低溫性能。

(2)水性樹脂對(duì)乳化瀝青粘度的影響

水性樹脂-乳化瀝青體系在常溫下,隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng),其塑性、軟硬程度都在不斷變化,粘度也會(huì)隨著改變。文章采用布氏黏度來測(cè)定水性樹脂-乳化瀝青體系的粘度,通過養(yǎng)生時(shí)間的變化測(cè)定不同時(shí)間內(nèi)的粘度值,為水性樹脂乳化瀝青及其混合料的施工提供參考。

常規(guī)測(cè)試中測(cè)試瀝青在不同溫度下的粘度,繪制粘溫曲線。由于水性樹脂-乳化瀝青在一定溫度下的固化過程是不斷發(fā)生的,其粘度也在不斷變化,無法用穩(wěn)定的讀數(shù)來表征該溫度下的粘度值[3]。因此文章在一定的溫度下引入時(shí)間參數(shù),測(cè)定固定溫度下不同時(shí)間的粘度。測(cè)定溫度為60℃,通過時(shí)間的變化測(cè)定不同時(shí)間內(nèi)的粘度變化,繪制粘度與時(shí)間的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水性樹脂-乳化瀝青體系粘度-時(shí)間曲線

由圖3可知,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng),水性樹脂-乳化瀝青粘度逐漸增大,且粘度增長(zhǎng)速度前期緩慢,后期相對(duì)較快。這是因?yàn)槿榛癁r青開始發(fā)生破乳,乳液中水分析出,水性樹脂裹附瀝青顆粒逐漸聚集固化,交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于聚集分子顆粒間距離減小,摩擦阻力增大,造成體系粘度上升。

經(jīng)研究,當(dāng)水性樹脂-乳化瀝青的粘度為5Pa·s時(shí),認(rèn)為此時(shí)體系完成了固化,在實(shí)際工程中,需要在此前完成全部施工工序。依據(jù)粘度-時(shí)間曲線,水性樹脂摻量為10%時(shí),其固化完成時(shí)間約為12h,可作為施工參考依據(jù)。

(3)粘結(jié)性能

坑槽修補(bǔ)質(zhì)量不僅取決于坑槽修補(bǔ)材料的路用性能,而且也與舊路面之間的粘結(jié)性能有關(guān)。坑槽修補(bǔ)材料與舊路面粘結(jié)性能若不足,在車輛荷載和雨水作用下,坑槽修補(bǔ)材料與縫壁之間易產(chǎn)生松動(dòng)、雨水順著縫隙進(jìn)入修補(bǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部,造成二次損害。文章自行設(shè)計(jì)制造了直接剪切試驗(yàn)儀測(cè)試抗剪強(qiáng)度,試驗(yàn)溫度為25℃。

坑槽修補(bǔ)稀漿混合料摻配比例:礦料100%+水4%+乳化瀝青10%+水性樹脂10%。

成型試件:先在AC-13瀝青混合料車轍試件鉆取芯樣,在芯樣上涂抹一層乳化改性瀝青,待完全破乳后放置到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試模內(nèi),拌合坑槽修補(bǔ)稀漿混合料,靜置15min后倒入試模內(nèi),旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次,取出放入80℃恒溫烘箱內(nèi)養(yǎng)生6h,再進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)壓實(shí),壓實(shí)40次。放置室內(nèi)養(yǎng)生48h后,備用。

項(xiàng)目對(duì)兩種坑槽修補(bǔ)稀漿混合料,即SMA-13和AC-13混合料進(jìn)行剪切試驗(yàn),并選取SMA-13熱拌瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 剪切(直剪)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,水性樹脂乳化瀝青稀漿混合料的抗剪強(qiáng)度要好于熱拌瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度,表明水性樹脂的添加有助于增強(qiáng)混合料的粘結(jié)強(qiáng)度。

4 實(shí)體工程

為進(jìn)一步驗(yàn)證水性樹脂-乳化瀝青體系坑槽修補(bǔ)材料的路用性能,于2022年9月29日在丹錫高速G16(盤錦方向)K181+210處鋪筑了坑槽修補(bǔ)實(shí)體工程,修補(bǔ)面積約2.4m2,深度3cm,并對(duì)其使用效果進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)。

坑槽位于行車道輪跡帶上,首先開挖坑槽,清理,涂粘層乳化瀝青,然后鋪筑基于水性樹脂-乳化瀝青體系的坑槽修補(bǔ)材料,級(jí)配為SMA-13,抹平,養(yǎng)生4h后開放交通。丹錫高速坑槽修補(bǔ)及對(duì)比段詳見圖4。

圖4 丹錫高速坑槽修補(bǔ)及對(duì)比段

經(jīng)過一個(gè)冬季通車運(yùn)行后再進(jìn)行觀測(cè),整體使用效果良好,未發(fā)現(xiàn)脫落、掉粒等現(xiàn)象。對(duì)比同路段采用裂縫貼修補(bǔ),在經(jīng)歷2個(gè)月后出現(xiàn)了大面積脫皮現(xiàn)象。可見,水性樹脂-乳化瀝青體系坑槽修補(bǔ)材料具有較好的耐久性。

5 結(jié)論

水性樹脂-乳化瀝青體系坑槽修補(bǔ)材料是一種新型的日常養(yǎng)護(hù)維修材料,具有操作簡(jiǎn)單、施工快捷、性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保、快速開放交通等優(yōu)點(diǎn),通過實(shí)體工程驗(yàn)證,坑槽修補(bǔ)材料具有較好的路用性能和耐久性,社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。