環(huán)氧乳化瀝青砂漿灌漿材料的研究

胡安宇，李宏偉，嚴慧忠，張永平，張洪亮

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

環(huán)氧乳化瀝青砂漿灌漿材料的研究

胡安宇1，李宏偉1，嚴慧忠1，張永平1，張洪亮2

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

板底灌漿技術(shù)能夠有效地預(yù)防和治理脫空。首先通過一系列灌漿材料技術(shù)指標的測評確定乳化瀝青砂漿的基本配合比，然后根據(jù)各種外加劑和環(huán)氧樹脂改性劑的不同摻量對灌漿材料性能的影響結(jié)果進行分析，確定環(huán)氧乳化瀝青砂漿的最終配合比。最后通過對環(huán)氧乳化瀝青砂漿耐久性的試驗，研究環(huán)氧樹脂對乳化瀝青砂漿抗沖刷性能和抗疲勞性能的影響，從而得出環(huán)氧樹脂對乳化瀝青砂漿性能有顯著的改善作用，且環(huán)氧乳化瀝青砂漿的最終配合比設(shè)計為礦粉∶改性瀝青∶砂∶水∶消泡劑∶鋁粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06。

板底灌漿技術(shù)；脫空；環(huán)氧樹脂；乳化瀝青

0 引 言

水泥混凝土路面具有強度高、使用壽命長、耐久性好、能源消耗少、對交通等級和環(huán)境適應(yīng)性強、價格低廉等特點[1]。然而，隨著道路里程不斷增加，我國水泥混凝土路面逐漸暴露出了諸多病害，板底脫空就是其中的一種重要病害形式。水泥混凝土路面板底脫空所引起的錯臺、唧泥和早期斷板等各種病害給公路養(yǎng)護管理帶來了較大的困難。目前，灌漿治理水泥混凝土路面板底脫空是目前國內(nèi)外最有效的方法。

從目前來看，國內(nèi)外應(yīng)用較多的灌漿材料有以水泥基為主的灌漿材料、應(yīng)用化合物或有機高分子材料的化學(xué)灌漿材料和以乳化瀝青為主的改性瀝青灌漿材料。Hyug-Moon Kwon[2]等人通過對不同改性聚合物灌漿材料性能的研究，發(fā)現(xiàn)丙烯酸聚合物乳液能夠很好的改善灌漿材料的力學(xué)強度、韌性、耐化學(xué)腐蝕性等性能。Wang G M等[3]人通過運用偏高嶺土取代一部分水泥來研究水泥基灌漿材料的力學(xué)性能和耐久性能，了解到偏高嶺土的加入可以降低水泥基灌漿材料的吸水率和電通量，并能在一定程度上提高灌漿材料的力學(xué)性能和耐久性。B.Elekolu和B.Baradan等人通過研究超細粉煤灰對水泥基灌漿材料的性能影響，提出超細粉煤灰的加入可以使水泥基灌漿材料的耐久性和工作性能得到改善。李艷春[4]等選擇橡膠粉砂漿作為灌漿材料來治理水泥混凝土路面板底脫空，研究橡膠粉砂漿的干縮和抗凍性，結(jié)果表明橡膠粉砂漿作為灌漿材料在干縮和抗凍性方面性能優(yōu)越，并確定其最優(yōu)配合比。段利艷[5]通過制備SBR-SBS 復(fù)合改性乳化瀝青得到一種耐寒型乳化瀝青砂漿，發(fā)現(xiàn)SBR-SBS 復(fù)合改性乳化瀝青的各性能均符合相應(yīng)的規(guī)范要求。王濤[6]和黃直久[7]通過采用未改性及改性的乳化瀝青砂漿對比試驗，對乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能和溫度穩(wěn)定性進行了分析，發(fā)現(xiàn)瀝青改性劑能降低乳化瀝青砂漿的熱膨脹系數(shù)，提高砂漿的溫度穩(wěn)定性。

目前工程上灌漿治理水泥混凝土路面板底脫空大多是采用水泥砂漿，但是如果水泥砂漿灌漿材料的漿體硬化后強度過小容易被行車荷載重復(fù)作用的面層壓碎,會很快再一次形成脫空,強度過大則會使板底形成不均勻支撐,對面板的受力不利，很容易產(chǎn)生病害[10]。同水泥基灌漿材料相比，改性瀝青灌漿材料在防水性、柔韌性、流動性等方面均具有優(yōu)勢。因此，改性瀝青灌漿材料是國內(nèi)外灌漿材料研究的熱點，然而本文環(huán)氧乳化瀝青砂漿作為灌漿材料應(yīng)用于處置水泥混凝土路面板底脫空鮮有研究。

1 環(huán)氧乳化瀝青砂漿的制備

環(huán)氧乳化瀝青砂漿是采用環(huán)氧樹脂對乳化瀝青進行改性，并通過添加礦粉、消泡劑、引氣劑、纖維等外加劑，而制備的一種符合現(xiàn)狀需求的改性乳化瀝青砂漿。

1.1 環(huán)氧乳化瀝青砂漿的基本配合比

環(huán)氧樹脂是極其優(yōu)良的膠結(jié)材料，目前在長大橋梁和鋼橋面上應(yīng)用較多。環(huán)氧樹脂在道路上應(yīng)用最多的是環(huán)氧乳化瀝青，其通過環(huán)氧樹脂和固化劑的混合對乳化瀝青進行改性。環(huán)氧乳化瀝青實質(zhì)上也是一種特殊的改性乳化瀝青，其兼顧了環(huán)氧樹脂強度高、粘度大、彈性高、熱固性好等特點，使得環(huán)氧乳化瀝青具有較強的粘結(jié)力、高溫穩(wěn)定性、抗變形能力和較低的熱熔性等優(yōu)點。

1.1.2 外加劑

礦粉是瀝青混合料和瀝青混凝土中重要的組成材料。砂可以提高灌漿材料的強度, 增加灌漿材料的膨脹率，減少收縮。在灌漿材料中添加礦粉可以增加拌合物的粘附性，使其不易分層離析，還可以減少灌漿材料的沉降和開裂。

乳化瀝青和砂拌制過程中極易產(chǎn)生氣泡，對灌漿材料的強度和抗凍性等產(chǎn)生不利影響。有機硅消泡劑的摻加可明顯改善此類情況的發(fā)生。引氣劑在灌漿材料中形成細小且均勻分布的氣泡，形成具有多孔狀的結(jié)構(gòu)，改善砂漿的工作性能和抗凍性，通常還有膨脹劑的效果。鋁粉通常作為灌漿材料的引氣劑使用。

粉煤灰可以代替礦料作為灌漿材料骨架，粉煤灰的加入可以增加漿液和易性，提高砂漿的可泵性和經(jīng)濟性。硅灰是一種活性礦物細摻合材，使膠凝材料具有較好的級配，提高材料的密實度和流動性，降低其透水性。

1.1.3 配合比設(shè)計

通過參照已有文獻獲得瀝青砂漿試拌及配合比設(shè)計[9-10]，在進行瀝青砂漿拌合試驗前，首先要根據(jù)強度和彈性模量來擬定瀝青、砂、礦粉的用量，通過水和細骨料的用量來調(diào)整砂漿的流動度。然后通過消泡劑等外加劑的摻量調(diào)整含氣量，反復(fù)進行試驗獲得基本配合比。通過試驗數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化，得出乳化瀝青砂漿基本配合比設(shè)計為：礦粉∶乳化瀝青砂∶水∶消泡劑∶鋁粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06。

1.2 外加劑對灌漿材料的影響分析

為了更好地提高灌漿材料的性能，采用添加硅灰、粉煤灰等外加劑來獲得最終的乳化瀝青砂漿。

720S—這是一輛典型的邁凱倫。“我終于知道人們?yōu)槭裁聪矚g邁凱倫了，”勞拉在駕駛邁凱倫后笑著說道，“動力、車身和方向盤之間配合順暢，使我無時無刻不感受到其流暢的操控—尤其是在剎車時。在我看來，這輛車唯一的不足就是過于強勁的動力。”邁凱倫720S的人體工程學(xué)設(shè)計非常出色，得益于考究的方向盤和換擋撥片設(shè)計以及座椅充足的側(cè)向支撐，邁凱倫在駕駛者和720S之間搭建起了更為積極的溝通方式，從而達到了人車合一的的境界。

1.2.1 粉煤灰對乳化砂漿性能的影響

瀝青砂漿中添加少量的粉煤灰可以調(diào)節(jié)細骨料的用量，提高拌合物的流動性，增加瀝青砂漿膨脹率。通過采用粉煤灰取代一部分礦粉來研究粉煤灰對乳化瀝青砂漿性能的影響，設(shè)定取代礦粉含量分別為0、3%、5%、7%來考查對瀝青砂漿流動度和抗壓強度的影響，如圖1。

圖1 粉煤灰摻量對瀝青砂漿流動度和抗壓強度的影響

從圖1中可以看出：粉煤灰摻量的增加使得制備的乳化瀝青砂漿流動性顯著降低；隨著粉煤灰摻量的增加，乳化瀝青砂漿的抗壓強度有所增加。綜上所述，粉煤灰在環(huán)氧乳化瀝青砂漿中的摻量應(yīng)為礦粉質(zhì)量的5%。

1.2.2 硅灰對乳化瀝青砂漿性能的影響

和粉煤灰一樣，在瀝青砂漿中添加少量的硅灰可以調(diào)節(jié)細骨料的用量，提高拌合物的穩(wěn)定性，增加瀝青砂漿膨脹率。通過采用取代礦粉含量分別為0、3%、5%、7%來測定硅灰摻量對瀝青砂漿流動度和抗壓強度的影響，如圖2。

圖2 硅灰摻量對瀝青砂漿流動度和抗壓強度的影響

從圖2中可以看出，隨著硅灰摻量的增加，制備的乳化瀝青砂漿的流動度反而增大，流動性變差，并且隨著硅灰摻量的增加，乳化瀝青砂漿的抗壓強度減小。綜上所述，硅灰在乳化瀝青砂漿中的摻量不宜過多，應(yīng)為礦粉質(zhì)量的3%。

1.3 環(huán)氧樹脂摻量的確定

本試驗采用環(huán)氧樹脂改性劑制備了環(huán)氧乳化瀝青砂漿，在23℃左右的溫度，相對濕度為60%～80%的環(huán)境下養(yǎng)護48h后脫模，然后在試件表面與夾具表面涂上高強度粘結(jié)劑，繼續(xù)養(yǎng)護24小時，接著將強度夾具裝在試驗機上，再將鋼制墊板套在灌漿材料塊上，最后將試件放置在拉伸夾具中；以5mm/min的速度加載，直到灌漿材料發(fā)生破壞。該試驗研究了環(huán)氧乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能影響。

圖3 環(huán)氧樹脂對砂漿抗壓強度和粘結(jié)強度的影響

圖3可以看出，環(huán)氧乳化瀝青砂漿的抗壓強度會隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而增大；而且隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，環(huán)氧乳化瀝青砂漿的粘結(jié)強度也隨之提高。這是由于環(huán)氧樹脂固化后在瀝青和干粉之間提供了粘附性，提高了瀝青砂漿的粘結(jié)性能。

從以上分析中我們可以得出，環(huán)氧乳化瀝青砂漿的最終配合比設(shè)計為礦粉∶改性瀝青∶砂∶水∶消泡劑∶鋁粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06。其中粉煤灰在環(huán)氧乳化瀝青砂漿中的摻量應(yīng)為礦粉質(zhì)量的5%；硅灰在環(huán)氧乳化瀝青砂漿中的摻量應(yīng)為礦粉質(zhì)量的3%。而且，由上述試驗可得改性瀝青成分中環(huán)氧樹脂摻量為5%時，環(huán)氧乳化瀝青砂漿性能較好，性價比較高。

2 環(huán)氧乳化瀝青砂漿耐久性能研究

2.1 抗凍性能

凍融循環(huán)性能試驗通過測試環(huán)氧樹脂乳化瀝青灌漿材料試樣中心溫度在-18℃±2℃～5℃ ± 2℃的凍融循環(huán)后的動彈性模量，從而評價環(huán)氧樹脂乳化瀝青灌漿材料的抗凍性能。

不摻環(huán)氧樹脂和摻5%的環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青砂漿經(jīng)過3個25次凍融循環(huán)后相對彈性模量損失如圖4。

圖4 環(huán)氧樹脂摻量對砂漿相對彈性模量的影響

從圖4可以看出，環(huán)氧樹脂的摻加，使得氧乳化瀝青砂漿的相對彈性模量減小。這是由于環(huán)氧樹脂能夠阻止砂漿在凍融期間的微裂縫產(chǎn)生，并且環(huán)氧樹脂能夠與乳化瀝青一起填充砂漿內(nèi)部細集料之間的空隙，增強砂漿之間的粘結(jié)力，使得砂漿內(nèi)部形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了凍融循環(huán)對砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2 抗沖刷性能

為了比較在不同動水壓力、沖刷作用次數(shù)等試驗條件下灌漿材料的抗沖刷性能，試驗采用了不添加環(huán)氧樹脂乳化瀝青砂漿和添加5%環(huán)氧樹脂的乳化瀝青砂漿進行對比試驗。借助有關(guān)基層材料沖刷試驗，用軸載為80kN的荷載在水泥混凝土路面板上以40km/h和72km/h的速度分別產(chǎn)生31kPa和69kPa的壓力差。采用15kPa、30kPa、45kPa、60kPa的壓力，沖刷次數(shù)分別采用5000、10000、15000、20000次，檢測到的不同浸水狀況下的動水壓力與浸水狀況關(guān)系如圖5～圖6。

圖5 無環(huán)氧樹脂砂漿在不同動水壓力下的沖刷曲線圖

圖6 5%環(huán)氧樹脂砂漿在不同動水壓力下的沖刷曲線圖

從圖5和圖6可以看出，在沖刷作用下，無環(huán)氧樹脂的瀝青砂漿與添加5%環(huán)氧樹脂乳化瀝青砂漿的沖刷量皆隨著動水壓力的增大而顯著增加，但是環(huán)氧樹脂的摻加使得沖刷量有明顯降低。且隨著作用次數(shù)的增加，動水壓力越大，沖刷量的增量也越大。

2.3 抗疲勞性能

在車輛荷載作用下，砂漿會發(fā)生疲勞損傷。本試驗研究環(huán)氧乳化瀝青砂漿的疲勞性能。通過前面的實驗結(jié)果，本試驗采用上文配制的環(huán)氧乳化瀝青砂漿進行疲勞試驗，設(shè)置的初始荷載大小為20kN，觀察砂漿在荷載10000次和20000次后的剩余抗壓強度，如圖7。

圖7 不同荷載次數(shù)作用下的抗疲勞

由圖7可以看出，在荷載的初始穩(wěn)態(tài)、頻率都相同的情況下，隨著荷載疲勞次數(shù)的增加，環(huán)氧乳化瀝青砂漿累計疲勞損壞不斷加大。在相同情況下，環(huán)氧乳化瀝青砂漿要比沒有添加環(huán)氧樹脂的砂漿剩余強度要大。

3 結(jié) 語

本文通過室內(nèi)試驗，得到了性能較好的板底脫空灌漿材料。本文得到的主要結(jié)論如下：

(1)通過調(diào)節(jié)配合比，確定了環(huán)氧乳化瀝青砂漿最終的配合比設(shè)計為：礦粉∶改性瀝青∶砂∶水∶消泡劑∶鋁粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06，粉煤灰、硅灰在灌漿材料中的最優(yōu)摻量分別為礦粉質(zhì)量的5%、3%，其中改性瀝青中環(huán)氧摻量為5%。5%的環(huán)氧樹脂的摻入，不僅可以顯著提高乳化瀝青砂漿的抗壓強度和粘結(jié)強度，還可以提高乳化瀝青砂漿的抗凍性，減少砂漿的凍融剝落量。

(2)摻入環(huán)氧樹脂的乳化瀝青砂漿，抗凍性能和抗沖刷性能比普通乳化瀝青砂漿有所提高。環(huán)氧乳化瀝青砂漿疲勞破壞后的抗壓強度比普通乳化瀝青砂漿有較大的提高，證明了環(huán)氧樹脂增加了乳化瀝青砂漿的抗疲勞破壞能力。

[1]劉建偉,張袺,申俊敏,等.水泥混凝土路面國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展新對策[J]．中外公路, 2016,36(4):73-77.

[2] Hyug-Moon Kwon,Thuy Ninh Nguyen,Tuan Anh Le.Impovement of the Strength of Acrylic Emulsion Polymer-modified Mortar in High Temperature and High Humidity by Blast Furnace Slag[J]．KSCE Journal of Civil Engineering,2009,13(1): 23-30.

[3] WANG G M, SU B.Mechaniacl Properties and Permeability of Mortar Modified with Metakaolin[J]．Journal of wuhan university of technology,2010,32(17): 127-130.

[4] 李艷春,高坤,張銀超.橡膠粉砂漿作為板底脫空灌漿材料的試驗研究[J]．混凝土，2015，(12):117-119.

[5] 段利艷.高寒區(qū)CA砂漿專用乳化瀝青的制備及其應(yīng)用研究[D]．株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2010.

[6] 王濤.高速鐵路板式無碴軌道CA砂漿的研究與應(yīng)用[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[7]黃直久,曾興華,高治雙,等.高彈模水泥瀝青砂漿強度主要影響因素的研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2013，37(1)：11-14.

[8]李燕清,向陽開,熊潮波.水泥混凝土路面板底脫空灌漿材料研究[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012，31(5):957-961.

[9]JG/T230-2007,預(yù)拌砂漿[S]．

[10]JGJ/T223-2010,預(yù)拌砂漿應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．

StudyontheEpoxyEmulsionAsphaltMortarasGroutingMaterial

HU An-yu1,LI Hong-wei1, YAN Hui-zhong1, ZHANG Yong-ping1, ZHANG Hong-liang2

(1. Hangzhou Highway Administration Bureau,Hangzhou 310030,China; 2.School of Highway, Chang-an University, Xi’an 710064,China)

Plate bottom grouting technology can effectively prevent and control the void. Firstly, this paper determine basic proportion of emulsified asphalt mortar through the evaluation of a series of grouting material technical indicators. Secondly, this paper determine final proportion of the epoxy emulsion asphalt mortar according to the analyzes of impact results of various admixtures and epoxy resin modifier with different admixture amounts. Finally, this paper study the effect of epoxy resin on scouring resistance and fatigue resistance performance through the durability test of epoxy emulsion asphalt mortar. Calculated, epoxy resin can significantly improve performance of the emulsified asphalt mortar and the final proportion of he epoxy emulsion asphalt mortar is mineral powder: modified asphalt: sand: water: defoamer: aluminum powder= 390: 445: 555: 113: 12.6: 0.06.

plate bottom grouting technology; void; epoxy resin; emulsified asphalt

U418.6

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.03.004

1671-234X(2017)03-0019-04

2017-06-05

胡安宇(1960-)，男，浙江淳安人，高級工程師,E-mail：8736958@qq.com。