瀝青路面離析處治材料及其處治效果

朱宏斌，白 鑫，蔣應(yīng)軍

(1.金華市公路管理局，浙江 金華 321000； 2.長安大學(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)

0 引 言

瀝青路面以其力學(xué)強(qiáng)度高、行車平穩(wěn)舒適、噪音低、施工期短、維修方便等眾多優(yōu)點(diǎn)受到青睞，中國90%以上的路面為瀝青路面。但近年來，中國南方大部分瀝青路面在建成通車后不久(短的幾個(gè)月，長的不超過兩年)，局部就出現(xiàn)了水損害。引起路面水損害的因素眾多，其中瀝青路面離析是重要因素之一。

路面離析常產(chǎn)生于各個(gè)施工環(huán)節(jié)，其離析原因和機(jī)理引起國內(nèi)外道路工作者的普遍關(guān)注和重視，紛紛開展大量的研究工作，并提出許多行之有效的防止路面離析的措施。但這些措施只能盡量減少離析的發(fā)生，不能避免；且近年來施工普遍采用骨架密實(shí)型混合料，這使得路面離析現(xiàn)象更為普遍和嚴(yán)重。因此，路面離析除了預(yù)防之外，同樣還應(yīng)該重視治理。對(duì)于路面離析的處治，一般采取灑布乳化瀝青、銑刨等措施，但效果非常有限，且灑布乳化瀝青后在使用初期還存在泛油的風(fēng)險(xiǎn)。國外，Harold L.Cobb等人探討了瀝青密封劑、瀝青封層等表面涂層技術(shù)對(duì)保護(hù)瀝青路面、延長路面使用壽命的作用[1]；Johnson D.R等人用密封劑對(duì)加拿大蒙大拿州的瀝青路面裂縫進(jìn)行密封，發(fā)現(xiàn)密封膠可以提高路面裂縫的性能，但低溫季節(jié)密封膠處治效果顯著降低，到了高溫季節(jié)密封膠的密封效果又得到恢復(fù)[2]；Johnson G等人指出，路面離析在施工過程中就可采取相應(yīng)措施予以避免，并對(duì)離析路面經(jīng)銑刨和表面處理后的路面性能進(jìn)行了研究[3]。國內(nèi)，何遠(yuǎn)航研究了水性環(huán)氧樹脂乳液對(duì)乳化瀝青改性前后的低溫、高溫性能以及耐久性能，發(fā)現(xiàn)適宜摻量下水性環(huán)氧樹脂使乳化瀝青改性后的路用性能得到提高[4]；張慶杰研制了聚硫密封膠與瀝青混凝土預(yù)制塊相結(jié)合的材料以及環(huán)氧乳液復(fù)配SBS改性乳化瀝青，并分別用于瀝青路面的坑槽修補(bǔ)與裂縫填封，一年后路面無脫膠開裂現(xiàn)象，處治效果良好[5]；王鋒研究了環(huán)氧乳化瀝青及其混合料的性能，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧乳化瀝青混合料具有良好的路用性能，可作為路面養(yǎng)護(hù)快速修補(bǔ)材料[6]。

由于研究目的與處治病害不同，對(duì)處治材料的要求也不同，目前在離析處治材料方面的研究相對(duì)薄弱，特別是針對(duì)骨架密實(shí)型瀝青路面離析的處治[7-9]。鑒于此，本文擬研制一種乳液型灌入式封水材料，利用乳液的良好流動(dòng)性使乳液下滲，并破乳填充離析部位的空隙，實(shí)現(xiàn)離析部位的“上封下堵，適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)”目的。

1 路面離析處治材料的研發(fā)

1.1 水性環(huán)氧樹脂乳液

環(huán)氧樹脂是分子量很大的高分子化合物，具有黏結(jié)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)固結(jié)路面松散的集料、提高路面的防水性能具有明顯的效果[10-13]。采用水性環(huán)氧樹脂乳液對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性，環(huán)氧樹脂在水性固化劑作用下能夠從瀝青分子中穿過，均勻分布于薄膜中，并相互交結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，滿足離析處治材料在常溫下為液態(tài)、自身強(qiáng)度好、高用量下不會(huì)泛油的特點(diǎn)要求[14-17]。因此，研發(fā)出與乳化瀝青具有良好相容性的水性環(huán)氧樹脂乳液十分關(guān)鍵。

1.1.1 原材料

環(huán)氧樹脂選用液體雙酚A環(huán)氧樹脂E-44。乳化劑初選5種，制備的環(huán)氧樹脂乳液在室溫下的離心穩(wěn)定性結(jié)果見表1。

表1 乳化劑對(duì)E-44環(huán)氧樹脂的乳化效果

乳化劑代號(hào)ABCDE親疏水平衡值(HLB)14.58.616.715.835.0乳化性可乳化不可乳化可乳化可乳化可乳化乳液穩(wěn)定性(25 ℃,1 d)有水析出,穩(wěn)定性略好破乳,乳化失敗有水析出,穩(wěn)定性略好有水析出,穩(wěn)定性略好大量水析出、沉淀,穩(wěn)定性差

由表1可知，乳化劑B無法乳化E-44環(huán)氧樹脂；乳化劑E可以將環(huán)氧樹脂乳化，但乳液穩(wěn)定性差；乳化劑A、C、D可以將環(huán)氧樹脂乳化，且環(huán)氧樹脂乳液的HLB值在15左右，較穩(wěn)定。因此，選擇乳化劑A、C、D作為研究對(duì)象。

1.1.2 乳化劑的復(fù)配

環(huán)氧樹脂不溶于水，較難乳化，通過相反轉(zhuǎn)法采用單一乳化劑乳化很難得到穩(wěn)定性好的水性環(huán)氧樹脂乳液[18-19]。不同乳化劑對(duì)乳化效果、乳液穩(wěn)定等性能有直接影響，而合理復(fù)配的乳化劑比單一的乳化劑更能制得穩(wěn)定的乳狀液。

以HLB值作為復(fù)配乳化劑選擇的基礎(chǔ)，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法將初步篩選的乳化劑A、C、D通過復(fù)配進(jìn)行詳細(xì)的配方設(shè)計(jì)。由均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算并最終優(yōu)化可得：當(dāng)乳化劑A、D的用量比為2∶1時(shí)，制備的路用水性環(huán)氧樹脂乳液的離心穩(wěn)定度最小，復(fù)配體系的HLB值為14.9。

1.1.3 水性環(huán)氧樹脂乳液的制備

利用乳化劑復(fù)配技術(shù)，采用相反轉(zhuǎn)法制備水性環(huán)氧樹脂乳液。

將E-44環(huán)氧樹脂加熱至變稀，按配方稱取所需環(huán)氧樹脂置于燒杯中，再稱取9%的復(fù)配乳化劑(乳化劑A、D的質(zhì)量比為2∶1)加入環(huán)氧樹脂中，攪拌加熱；稱取所需水置于燒杯中，加熱備用；用熱水沖洗乳化設(shè)備后，加入有復(fù)配乳化劑的環(huán)氧樹脂，剪切均勻，隨后緩慢滴加水，在70 ℃的條件下乳化30 min，將乳液盛于燒杯中備用；用熱水沖洗設(shè)備，關(guān)機(jī)。

1.2 路面離析處治材料用乳化瀝青

鑒于常用乳化劑制備的乳化瀝青與所制備的E-44水性環(huán)氧樹脂乳液混合攪拌后相容性均較差，本文開展了專用瀝青乳化劑的研發(fā)。

1.2.1 專用瀝青乳化劑

以棉籽油為原料，通過常壓水解制備得到長碳鏈混合脂肪酸；馬來酸與混合脂肪酸反應(yīng)得到三羧酸類中間體，然后再與多乙烯多胺反應(yīng)制備得到表面活性較強(qiáng)、臨界膠束濃度較小的脂肪酰胺陽離子瀝青乳化劑，命名為專用瀝青乳化劑。

專用瀝青乳化劑呈棕褐色黏稠油狀液體，室溫下易溶于水，其水溶液為堿性，呈黃色半透明至透明狀，見圖1。

圖1 瀝青乳化劑及乳化劑水溶液

利用表面活性劑在水中的溶解情況估計(jì)專用瀝青乳化劑的HLB值，見表2。

表2 表面活性劑的HLB值與水溶液外觀的關(guān)系

由表2可知，制備的專用瀝青乳化劑HLB值在13左右，符合與制備的E-44水性環(huán)氧樹脂乳液相容的條件。

1.2.2 專用乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂的相容性

將專用瀝青乳化劑和試驗(yàn)選用的4種常用基質(zhì)瀝青均按照乳化劑、基質(zhì)瀝青、水的含量為2%、50%、48%進(jìn)行配比，制備得到4種不同的乳化瀝青，再與路用水性環(huán)氧樹脂乳液進(jìn)行相容性試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 相容性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，采用專用瀝青乳化劑制備的乳化瀝青與路用水性環(huán)氧樹脂乳液具有很好的相容性。

1.3 水性固化劑優(yōu)選

試驗(yàn)選用水性固化劑A、B、C，主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 試驗(yàn)用水性固化劑的主要技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選取的3種固化劑與水性環(huán)氧樹脂乳液均能夠混合和固化。因此，選取專用瀝青乳化劑制備的不同乳化瀝青與水性固化劑分別混合進(jìn)行相容性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 水性固化劑和乳化瀝青的相容性試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，只有固化劑A與制備的乳化瀝青混合后相容性好。因此，采用專用瀝青乳化劑和SK90#瀝青制備的乳化瀝青以及固化劑A進(jìn)行路面離析處治材料的研發(fā)。

1.4 路面離析處治材料配方設(shè)計(jì)

路面離析處治材料主要由乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂乳液、水性固化劑3種組分按照一定的配比混合、攪拌均勻制成。根據(jù)固化劑A的使用情況，水性環(huán)氧樹脂乳液和固化劑A的添加配比為3∶1。為了考察水性環(huán)氧樹脂乳液在乳化瀝青中的最佳比例，分別配制不同比例的乳液，結(jié)果見表6。

由表6可知：隨著時(shí)間推移，水性環(huán)氧樹脂乳液在水性固化劑的作用下發(fā)生固化反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致乳化瀝青的破乳；隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，整個(gè)體系交聯(lián)，呈凝膠態(tài)；隨著固化反應(yīng)的完成，形成了具有一定強(qiáng)度的固化物。

初步確定5種路面離析處治材料主要組分配比，用于后續(xù)研究評(píng)價(jià)，見表7。表中E、R、H分別表示乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂乳液、固化劑，數(shù)字下標(biāo)表示該成分所占百分比。

表6 不同比例配制而成的混合物固化情況

表7 路面離析處治材料主要組分配比

2 處治效果評(píng)價(jià)

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)NCHRP Report441對(duì)離析程度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)選取中度離析的AC-20瀝青混合料。AC-20離析混合料礦料級(jí)配見表8。AC-20瀝青混合料離析試件的物理力學(xué)性能見表9。

表8 中度離析的AC-20瀝青混合料級(jí)配

表9 離析試件物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 處治效果評(píng)價(jià)

成型相應(yīng)的中度離析AC-20試件，采用表7中5種不同配比的路面離析處治材料對(duì)離析試件表面進(jìn)行一次涂刷，以即將流出而又未流出為宜，檢驗(yàn)處治后試件性能，結(jié)果見表10。

由表10可知：采用不同配比的路面離析處治材料涂刷一次后，試件的空隙率均明顯降低，其中E55R30H15和E40R40H20對(duì)空隙率的降低效果更好；試件滲水系數(shù)顯著降低，但E85R10H5、E70R20H10、E55R30H15處治后不能滿足規(guī)范要求，E40R40H20處治后試件滲水系數(shù)從2 189 mL·min-1降低到89 mL·min-1，且滿足規(guī)范要求，E25R50H25處治后材料完全不滲水；凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均有提高，但E85R10H5、E70R20H10處治后不能滿足規(guī)范要求，E55R30H15、E40R40H20和E25R50H25處治后試件的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比達(dá)到規(guī)范要求，其中E40R40H20提升了17%，水穩(wěn)定性提升明顯；處治后動(dòng)穩(wěn)定度均有提高，其中E40R40H20動(dòng)穩(wěn)定度提升了30%以上，效果顯著；E40R40H20處治后馬歇爾穩(wěn)定度提升20%左右，效果明顯；處治之后試件抗滑性能均有所下降，不能滿足規(guī)范要求，但考慮到抗滑性能是針對(duì)表面層而言的，離析處治后局部抗滑性能的下降并不影響路面整體的抗滑性能。

表10 AC-20離析試件處治效果評(píng)價(jià)

3 結(jié) 語

(1)研究了復(fù)配技術(shù)和乳化劑比例對(duì)路面離析處治專用水性環(huán)氧樹脂乳液效果的影響。結(jié)果表明：當(dāng)選取的乳化劑A、D的用量為2∶1時(shí)，制備的路用水性環(huán)氧樹脂乳液穩(wěn)定度的離心穩(wěn)定度最小，處治效果最佳。

(2)研究了不同乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂的相容性，結(jié)果表明：專用乳化劑、SK90#瀝青、水的配比為2%、50%、48%，制備的乳化瀝青與路用水性環(huán)氧樹脂乳液具有很好的相容性，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合技術(shù)要求，適用于工程實(shí)際生產(chǎn)和使用。

(3)研究了不同配比路面離析處治材料對(duì)中度離析AC-20材料處治效果的影響。結(jié)果表明：當(dāng)乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂乳液的比例大于10∶1，水性環(huán)氧樹脂乳液與固化劑A的比例為3∶1時(shí)，制備的路面離析處治材料處治效果最好；采用E40R40H20處治材料對(duì)中度離析AC-20試件進(jìn)行一次涂刷處治，其滲水系數(shù)從2 189 mL·min-1降低到89 mL·min-1，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提升了17%，動(dòng)穩(wěn)定度提升了30%以上，馬歇爾穩(wěn)定度提升約20%，處治效果最佳。