水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青的性能與制備工藝

張爭(zhēng)奇， 王素青， 路國(guó)棟，2， 趙富強(qiáng)

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064； 2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710075； 3.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司， 陜西 西安 710065)

冷補(bǔ)瀝青混合料是路面坑槽養(yǎng)護(hù)工作中的常用材料.它是一種全天候修補(bǔ)材料，不受環(huán)境條件和交通條件的限制，可對(duì)路面坑槽進(jìn)行及時(shí)、高效修補(bǔ)，保障公路通暢，提高公路的服務(wù)水平和使用壽命[1-2].但目前冷補(bǔ)瀝青混合料的坑槽填補(bǔ)效果并不理想，因?yàn)椋?1)中國(guó)市場(chǎng)上冷補(bǔ)瀝青混合料產(chǎn)品參差不齊，使用性能不夠穩(wěn)定，普遍存在早期強(qiáng)度低、成型速度慢、使用壽命短等性能缺陷；(2)由于缺乏科學(xué)合理的冷補(bǔ)瀝青材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定[3]，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制.協(xié)調(diào)冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度與施工工作性是解決冷補(bǔ)瀝青混合料缺陷的基本途徑.環(huán)氧樹(shù)脂材料具有優(yōu)良的黏結(jié)特性與力學(xué)強(qiáng)度[4-5]，且隨著水性化技術(shù)的成熟與應(yīng)用，其相容性與適用性大大提高[6].

冷補(bǔ)瀝青是冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成及性能保證的關(guān)鍵.本文以目前常用的溶劑型冷補(bǔ)瀝青為基礎(chǔ)，在其中加入水性環(huán)氧組分，研究環(huán)氧組分摻量、固化劑用量、制備時(shí)間和制備溫度對(duì)水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青(以下簡(jiǎn)稱新型冷補(bǔ)瀝青)性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)新型冷補(bǔ)瀝青性能的改善效果，并提出其合理?yè)搅亢椭苽涔に?

1 試驗(yàn)材料

冷補(bǔ)瀝青又稱冷補(bǔ)膠結(jié)料，由基質(zhì)瀝青、稀釋劑、增黏劑和防水劑等按照一定比例均勻配制而成.基質(zhì)瀝青選用SK-90#石油瀝青；稀釋劑從相容性、揮發(fā)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面考慮，選用與瀝青極性相似的石油溶劑0#輕質(zhì)柴油.

作為對(duì)比，試驗(yàn)選擇2種普通溶劑型冷補(bǔ)材料ZH和LBR.ZH型冷補(bǔ)瀝青由課題組自行開(kāi)發(fā)，其配合比m(瀝青)∶m(0#輕質(zhì)柴油)∶m(樹(shù)脂增黏劑)∶m(有機(jī)抗剝落劑)=100.0∶26.0∶5.0∶0.4；LBR型冷補(bǔ)瀝青由市場(chǎng)購(gòu)買的成品LBR冷補(bǔ)改性劑配制而成，其配合比m(瀝青)∶m(稀釋劑)∶m(添加劑)=78∶20∶2.

水性環(huán)氧組分由水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液和固化劑組成.其中前者采用自乳化型水性EP-20乳液；后者采用2種經(jīng)過(guò)化學(xué)改性的聚酰胺類固化劑HGA和HGC.水性環(huán)氧組分技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 水性環(huán)氧組分技術(shù)指標(biāo)

為獲得最佳水性環(huán)氧組分，擬定2種水性環(huán)氧組分構(gòu)成及摻配比例，見(jiàn)表2.

表2 水性環(huán)氧組分構(gòu)成及摻配比例

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

冷補(bǔ)瀝青既要滿足冷補(bǔ)材料的施工和易性和存儲(chǔ)穩(wěn)定性，又要使冷補(bǔ)材料方便壓實(shí)，經(jīng)攤鋪壓實(shí)后能夠形成較強(qiáng)的黏聚力，以保證修補(bǔ)路面不會(huì)出現(xiàn)松散脫落.因此冷補(bǔ)瀝青應(yīng)滿足一定的技術(shù)要求，其技術(shù)指標(biāo)包括黏度、與集料的黏附性、存儲(chǔ)穩(wěn)定性以及殘留物性能.

本研究采用40℃黏度對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青的黏滯性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體試驗(yàn)步驟參照J(rèn)TG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》.新型冷補(bǔ)瀝青與集料的黏附性采用水煮法，以黏附性等級(jí)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中集料選用13.2mm的閃長(zhǎng)巖粗集料.新型冷補(bǔ)瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)步驟如下[7]：先將瀝青原樣加熱后注入盛樣管中，存儲(chǔ)到規(guī)定時(shí)間，將其置于(-20±2) ℃冰箱內(nèi)冷凍至少4 h取出，然后將新型冷補(bǔ)瀝青切成長(zhǎng)度相等的3段，取其中的頂部試樣和底部試樣，軟化后測(cè)試兩者黏度，以兩者的黏度差來(lái)評(píng)價(jià)新型冷補(bǔ)瀝青的存儲(chǔ)性能.對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青進(jìn)行蒸餾，保證在5～10min 內(nèi)達(dá)到瀝青液沸點(diǎn)，蒸餾結(jié)束后將殘留瀝青倒出，然后取一定量殘留物，通過(guò)測(cè)定瀝青的三大指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)殘留物的性能[8].

2.1 水性環(huán)氧組分摻量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響

將不同摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的水性環(huán)氧組分摻入冷補(bǔ)瀝青液中，得到新型冷補(bǔ)瀝青.其各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1 水性環(huán)氧組分摻量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響Fig.1 Effect of waterborne epoxy resin content on cold patch asphalt properties

由圖1(a)可知：水性環(huán)氧組分摻量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青的黏度影響十分顯著，隨著水性環(huán)氧組分摻量的增加，其黏度近似線性增長(zhǎng)；不同類型的水性環(huán)氧組分對(duì)2種新型冷補(bǔ)瀝青的黏度影響趨勢(shì)相似.有研究表明[9]，冷補(bǔ)瀝青的黏度在1.0～2.0Pa·s時(shí)，冷補(bǔ)瀝青混合料有較好的初始強(qiáng)度與施工和易性.從黏度角度考慮，LBR和ZH冷補(bǔ)瀝青中水性環(huán)氧組分摻量宜分別控制在3%和2%以內(nèi).

由圖1(b)可知：新型冷補(bǔ)瀝青存儲(chǔ)后的黏度差隨水性環(huán)氧組分摻量的增加逐漸增大，即存儲(chǔ)穩(wěn)定性逐漸降低；當(dāng)水性環(huán)氧組分摻量較小時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂顆粒與瀝青顆粒之間通過(guò)固化劑的親附作用，冷補(bǔ)瀝青可保持較好的穩(wěn)定性，黏度差較?。划?dāng)水性環(huán)氧組分摻量增至2%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青顆粒產(chǎn)生絮凝團(tuán)聚，聚集在試管底部，使試樣上下部分的黏度值出現(xiàn)差異，且水性環(huán)氧組分摻量越大，這種差異越明顯，因而水性環(huán)氧組分摻量需控制在一定范圍之內(nèi).

由圖1(b)還可知，采用水性環(huán)氧組分摻配方案②的新型冷補(bǔ)瀝青黏度差比水性環(huán)氧組分摻配方案①小，其穩(wěn)定性更加優(yōu)良，原因可能是水性環(huán)氧組分摻配方案②中固化劑HGA與冷補(bǔ)瀝青相容性更好，在冷補(bǔ)瀝青中固化反應(yīng)能夠緩慢進(jìn)行，延緩了環(huán)氧瀝青絮凝結(jié)構(gòu)的下沉速度，由此說(shuō)明改善固化劑的相容性是提高新型冷補(bǔ)瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性的措施之一.

由圖1(c)可以看出，新型冷補(bǔ)瀝青與集料的黏附性良好，隨著水性環(huán)氧組分摻量的增加，黏附性略微下降.水性環(huán)氧組分對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青黏附性的影響可能會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)性能下降，但是在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)水性環(huán)氧體系有助于改善冷補(bǔ)瀝青混合料的水穩(wěn)性能.冷補(bǔ)瀝青黏附性降低原因可能是水性環(huán)氧組分固化反應(yīng)未充分進(jìn)行導(dǎo)致的，水性環(huán)氧組分摻量較大時(shí)混合液水分較多，用水煮法測(cè)試黏附性時(shí)，瀝青膜中的水分和油分未完全揮發(fā)，容易從集料表面剝離，造成黏附性等級(jí)降低.

由圖1(d)～(f)可見(jiàn)，隨著水性環(huán)氧組分摻量的增加，殘留物的延度與針入度逐漸減小，而軟化點(diǎn)逐漸增大，說(shuō)明水性環(huán)氧組分有助于提高冷補(bǔ)瀝青液的高溫性能和稠度，但對(duì)其低溫性能有不利影響.水性環(huán)氧組分發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)生成的產(chǎn)物呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在殘留物中不溶解也不熔融，改善了瀝青的高溫性能；但是固化產(chǎn)物剛性較大，導(dǎo)致瀝青材料的黏彈性降低，在低溫環(huán)境下呈脆性，會(huì)對(duì)低溫性能產(chǎn)生不利影響.

以上研究發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧組分的摻入有助于提高新型冷補(bǔ)瀝青的黏度以及高溫穩(wěn)定性，并且摻量越高，改善效果越好；但是摻量過(guò)高，不僅增加成本，同時(shí)會(huì)對(duì)其存儲(chǔ)穩(wěn)定性和低溫性能產(chǎn)生不利影響.因此經(jīng)綜合考慮，水性環(huán)氧組分的摻量應(yīng)控制在 1%～2%.

2.2 固化劑用量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響

將固化劑用量不同的水性環(huán)氧組分摻入冷補(bǔ)瀝青中，水性環(huán)氧組分摻量控制在1.0%左右，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知：(1)固化劑用量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青的黏度和黏附性影響不大.水性環(huán)氧組分剛摻入冷補(bǔ)瀝青時(shí)，固化反應(yīng)還未進(jìn)行，混合液的黏度變化主要由水性環(huán)氧組分本身的黏度決定.水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青與集料的黏附性良好.(2)經(jīng)②型水性環(huán)氧組分改性的新型冷補(bǔ)瀝青的黏度差隨固化劑用量的增加逐漸減小，而經(jīng)①型水性環(huán)氧組分改性的新型冷補(bǔ)瀝青的黏度差略有增大，可見(jiàn)固化劑類型和用量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性影響較大，HGA固化劑能顯著提高其存儲(chǔ)穩(wěn)定性.(3)隨著固化劑用量的增加，新型冷補(bǔ)瀝青蒸餾殘留物性能也有微小變化，其中低溫延度逐漸降低，而殘留物的軟化點(diǎn)與針入度略有增大.

以上研究發(fā)現(xiàn)固化劑用量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青的黏度幾乎無(wú)影響，除存儲(chǔ)穩(wěn)定性外其他性能的變化也都不明顯，而水性環(huán)氧組分對(duì)新型冷補(bǔ)材料的性能影響最終由瀝青混合料體現(xiàn)，因此需要結(jié)合不同固化劑用量下冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)確定最佳固化劑用量.

2.3 固化劑用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度的影響

將制備好的新型冷補(bǔ)瀝青與集料在(65±5) ℃條件下均勻拌和，得到水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料.其強(qiáng)度試驗(yàn)[10]按照修正馬歇爾法進(jìn)行.水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度形成是一個(gè)稀釋劑揮發(fā)、水分喪失、固化強(qiáng)化的過(guò)程[11-12].經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料的養(yǎng)生條件：將試件在80℃的烘箱中放置24h后，把烘箱溫度調(diào)整為 110℃，繼續(xù)養(yǎng)生6h，取出后立即進(jìn)行二次擊實(shí)，然后在室溫下放置24h后脫模.固化劑用量對(duì)水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度影響如圖3所示.

由圖3可以看到，4種水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度變化比較相似，均隨固化劑用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在固化劑用量為100∶30～100∶35之間，因此2種環(huán)氧組分摻配方案中環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的最佳質(zhì)量比均為 3∶1.

圖2 固化劑用量對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響Fig.2 Effect of curing agent content on cold patch asphalt properties

圖3 固化劑用量對(duì)水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of curing agent content on cold patch asphalt mixture strength

3 新型冷補(bǔ)瀝青的制備工藝

3.1 剪切溫度對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響

通常冷補(bǔ)瀝青的制備溫度為110～130℃，據(jù)此選取7種剪切溫度配制冷補(bǔ)瀝青，來(lái)研究剪切溫度對(duì)其性能的影響.剪切時(shí)間初設(shè)為30min.由于水性環(huán)氧組分中含有大量水分，當(dāng)新型冷補(bǔ)瀝青溫度超過(guò)100℃時(shí)，攪拌過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量氣泡，且溫度越高、剪切速度越快，氣泡量越多，甚至直接從容器中溢出.這可能造成水性環(huán)氧組分過(guò)快破乳，影響其在混合液中的適用期，因此稀釋瀝青的溫度須降至100℃以下，再摻入水性環(huán)氧組分，并持續(xù)攪拌 5min.為減小試驗(yàn)消耗，僅以LBR+②和ZH+①新型冷補(bǔ)瀝青為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示.由圖4可見(jiàn)：(1)剪切溫度對(duì)LBR新型冷補(bǔ)瀝青的性能影響不顯著，其黏度和存儲(chǔ)穩(wěn)定性變化趨勢(shì)不明顯；但當(dāng)剪切溫度超過(guò)120℃時(shí)，瀝青液面出現(xiàn)許多煙塵，造成稀釋劑的大量揮發(fā)，同時(shí)過(guò)高的剪切溫度可能會(huì)導(dǎo)致冷補(bǔ)瀝青提前“老化”，因此建議LBR型冷補(bǔ)瀝青的制備溫度以110℃為宜.(2)隨著剪切溫度的升高，ZH新型冷補(bǔ)瀝青的黏度逐漸增大，存儲(chǔ)穩(wěn)定性改善，這可能是因?yàn)閆H新型冷補(bǔ)瀝青中含有樹(shù)脂類增黏劑，在較高溫度下更易溶解于稀釋瀝青中，同時(shí)適當(dāng)?shù)臏囟饶艽龠M(jìn)冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)，使各組分混合得更加均勻，提高了冷補(bǔ)瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性；當(dāng)剪切溫度達(dá)到120～130℃時(shí)，新型冷補(bǔ)瀝青黏度繼續(xù)上升，這可能是稀釋劑少量揮發(fā)造成的，因此建議ZH型冷補(bǔ)瀝青的制備溫度以120℃為宜.

圖4 剪切溫度對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響Fig.4 Effect of shearing temperature on cold patch asphalt properties

3.2 制備時(shí)間對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響

新型冷補(bǔ)瀝青的制備時(shí)間由2部分組成：一是環(huán)氧組分摻配前的剪切時(shí)間，分別選取25，30，35min 這 3個(gè)時(shí)間來(lái)配制冷補(bǔ)瀝青其他成分；二是環(huán)氧組分摻配后的剪切時(shí)間.待冷補(bǔ)瀝青溫度降至100℃摻入水性環(huán)氧組分后，剪切時(shí)間取為5，8min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，剪切時(shí)間對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青的黏度影響不顯著，黏度在一定范圍上下波動(dòng).當(dāng)新型環(huán)氧組分摻配前的剪切時(shí)間由 25min 增至30min時(shí)，新型冷補(bǔ)瀝青的黏度差有減小趨勢(shì)，尤其是ZH型冷補(bǔ)瀝青，原因是較長(zhǎng)的剪切時(shí)間使新型冷補(bǔ)瀝青各組分混合得更加均勻，有助于提高其穩(wěn)定性；當(dāng)水性環(huán)氧組分摻配前的剪切時(shí)間超過(guò)30min時(shí)，其穩(wěn)定性沒(méi)有明顯改善.因此在保證各組分充分相容的條件下，建議新型冷補(bǔ)瀝青的制備時(shí)間為30min(摻配前)+5min(摻配后).

圖5 制備時(shí)間對(duì)新型冷補(bǔ)瀝青性能的影響Fig.5 Effect of preparation time on cold patch asphalt properties

4 結(jié)論

(1)以黏度、與集料的黏附性、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和蒸發(fā)殘留物指標(biāo)評(píng)價(jià)了新型冷補(bǔ)瀝青的性能.并以此確定了其中水性環(huán)氧組分的最佳摻量為1%～2%，水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的最佳質(zhì)量比為3∶1.

(2)確定新型冷補(bǔ)瀝青試驗(yàn)室制備工藝為：LBR和ZH冷補(bǔ)瀝青的最佳制備溫度分別為110，120 ℃；先采用30min的剪切時(shí)間，在新型冷補(bǔ)瀝青溫度低于100℃時(shí)摻入水性環(huán)氧組分，繼續(xù)剪切 5min.