水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料性能與應用研究

張海燕，何澄平，張艷君，唐輝

（1.長安大學材料科學與工程學院，西安 710061；2.山東大山綠道工程科技有限公司，濟南 250100；3.福建省高速公路集團有限公司，福州 350001；4.中路交建（北京）工程材料技術有限公司，北京 100088；5.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

近年來全球環(huán)境污染問題越發(fā)嚴重，低碳環(huán)保已經(jīng)成為我國一項重要發(fā)展戰(zhàn)略，主要以道路交通運輸、工程施工和技術革新等領域為重點，全方位打造低碳交通[1]。2011年國家頒布實施了《建設低碳交通運輸體系指導意見》，意見中提出大力推廣節(jié)能減排是一項重點任務，而強化交通基礎設施、低碳環(huán)保技術研發(fā)和推廣是重點實施方向?，F(xiàn)如今我國瀝青路面施工技術主要以熱拌瀝青路面技術為主，但是熱拌瀝青路面在施工過程中需要將瀝青和石料加熱到150 ～180 ℃，因此在施工過程中會產(chǎn)生大量瀝青煙等氣體污染空氣，并且會對施工人員身體造成傷害[2]。鑒于傳統(tǒng)熱拌瀝青路面施工時的高能耗、高排放等缺點，冷拌瀝青路面施工技術表現(xiàn)出了低能耗、低排放和輕污染的優(yōu)點，是一種相對節(jié)能環(huán)保的技術[3]。

乳化瀝青是道路工程中一種常見的材料，它具有節(jié)能減排、降低污染等眾多優(yōu)點，在瀝青路面施工和養(yǎng)護中得到廣泛使用。但是其黏結強度較低、高溫性能較差、強度不夠等缺點限制了其大面積使用[4]。相對于普通乳化瀝青，自制的水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青不僅具有了水性高分子強度高、黏度大、彈性高等特點，而且還具有乳化瀝青在不需要加熱情況下施工的特性，大大提升了傳統(tǒng)冷拌瀝青路面的性能，特別是高溫抗車轍性能，還有效避免了粉塵及廢氣的產(chǎn)生。

1 試驗部分

1.1 原材料

本試驗中水性環(huán)氧樹脂及固化劑均為市售產(chǎn)品，購自北京中路高科公司，其中A 組分為水性樹脂，B 組分為專用固化劑，其添加量為A:B=1:1.5。AB 組分按比例摻配后得到水性環(huán)氧樹脂，其摻量為乳化瀝青的30%，水性環(huán)氧樹脂原材料的基本指標參數(shù)見表1。

表1 水性環(huán)氧樹脂體系參數(shù)

制備水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青所需的基質瀝青為SK90#石油瀝青，其各項指標如表2所示。其中本試驗中制備乳化瀝青所需的乳化劑為陰離子，制備得到的乳化瀝青各項技術指標見表3。

表2 SK90#瀝青性能指標

表3 乳化瀝青基本技術指標

1.2 制備工藝

本試驗中水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青采用山東大山路橋工程有限公司研發(fā)的乳化瀝青設備進行生產(chǎn)。首先將熔融狀態(tài)的韓國SK90#基質瀝青放入瀝青制備罐中；然后將陰離子乳化劑和溫水共同加入乳化液制備罐中，隨后在乳液中加入酸溶液或堿溶液，待溶液pH 值達到規(guī)定范圍后將配好的溶液放入60 ～70 ℃的乳化皂液罐中；然后打開乳化機，設置好試驗參數(shù)，同時加入熱基質瀝青進行乳化，待冷卻后備用；最后按照預定的比例加入水性環(huán)氧樹脂，充分攪拌均勻直至氣泡消失，即制備得到改性乳化瀝青，具體生產(chǎn)工藝流程如圖1。

圖1 生產(chǎn)工藝流程

2 結果與討論

2.1 瀝青拉伸強度試驗

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的拉伸強度按GB/T 528—2009 中的有關規(guī)定進行測試[5]，主要方法是將制備好的啞鈴狀試件放置于室溫環(huán)境中5 h，然后進行拉伸試驗，拉伸速率為（5.0±0.5）cm/min，同時用自動記錄儀記錄斷裂時的強度和伸長率，以拉伸試驗來評價瀝青的力學強度，試驗結果見表4。

表4 瀝青拉伸試驗結果

從表4 可以看到，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的拉伸強度達到1.52 MPa，遠高于一般的改性乳化瀝青，其強度是普通改性乳化瀝青的3 倍。主要是因為瀝青顆粒和環(huán)氧樹脂高分子材料混合后，在外力作用下混合乳液產(chǎn)生了快速破乳。其中較小的瀝青顆粒均勻的聚集填充到水性環(huán)氧樹脂顆粒周圍，通過復雜的交聯(lián)反應生成穩(wěn)定的三維整體，使材料性能出現(xiàn)明顯變化，即由熱塑性轉變?yōu)闊峁绦?。其中乳化瀝青改性機理如圖2所示。

圖2 乳化瀝青改性機理

2.2 混合料性能分析

本研究的混合料試驗中，粗集料選用滿足規(guī)范要求的玄武巖，細集料選用滿足規(guī)范要求的石灰?guī)r[6]。按照瀝青路面施工技術規(guī)范要求進行配合比設計，選用AC-13 級配，如表5所示。試驗過程中混合料試樣均在60 ℃溫度下養(yǎng)護48 h再進行后期性能驗證試驗。

2.2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

本研究將自制的改性乳化瀝青混合料和普通的改性乳化瀝青混合料分別進行馬歇爾試驗，將兩種不同混合料的穩(wěn)定度進行對比研究。同時測試自制改性乳化瀝青的殘留穩(wěn)定度，驗證其水穩(wěn)定性。試驗結果如表6所示。

通過表6 對比分析可知，自制改性乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度是普通改性乳化瀝青混合料的15 倍，并且流值更小。這表明，加入水性高分子材料后混合料的性能得到大幅提升，自制的改性乳化瀝青混合料的強度較高。自制的水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度遠大于規(guī)范要求的75%，表明其水穩(wěn)定性能也較好。

表5 AC-13 級配

表6 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果

2.2.2 高溫車轍試驗

高溫車轍試驗中的動穩(wěn)定度指標可以反映瀝青混合料在高溫時抵抗變形的能力，動穩(wěn)定度值越大表明瀝青混合料在高溫時可以抵抗更多車輪的碾壓，所以其抗高溫變形能力也就越好[7]。本研究將對兩種不同乳化瀝青混合料進行車轍試驗，測試兩者的動穩(wěn)定度和總變形量，試驗結果如表7。

由表7 可知，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料的動穩(wěn)定度大于20 000 次/mm，是普通乳化瀝青混合料動穩(wěn)定度的26 倍，遠超過規(guī)范中的最低值。表明水性環(huán)氧樹脂的加入對乳化瀝青混合料的高溫性能有顯著的改善作用。

表7 車轍試驗結果

2.2.3 低溫小梁彎曲試驗

低溫小梁彎曲試驗可以用來驗證瀝青混合料的低溫性能。本研究將對自制改性乳化瀝青混合料進行小梁彎曲試驗，測試其最大彎拉應變（見表8）。通過表8 數(shù)據(jù)可知，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料的最大彎曲應變遠大于規(guī)范要求的不小于2 800 με。這表明加入水性環(huán)氧高分子材料后對瀝青混合料的低溫性能有顯著的改善作用。

表8 低溫小梁彎曲試驗結果

3 工程應用研究

3.1 試驗路概況

為了驗證水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青路面的性能、施工工藝及應用效果，本項目試驗段鋪筑在位于河北省阜平縣的阜平西高速公路服務區(qū)。阜平縣屬于夏熱冬寒地區(qū)，干濕地域劃分為濕潤區(qū)，為典型的山區(qū)氣候。本試驗段全長120 m，路面寬度為10 m，路面樁號為YK0+080 ～YK0+200。

3.2 試驗路混合料性能

本項目試驗段水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料的級配設計見表9，油石比為13%。室內試驗成型馬歇爾試件時，采用雙面擊實各50 次，然后60 ℃下養(yǎng)生48 h 后進行二次擊實，雙面擊實各25 次。水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青由水性環(huán)氧樹脂乳液:乳化瀝青=30:80 攪拌混合制成，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料外加水量為1.0 %。路面施工工藝如圖3所示。

3.3 試驗路混合料性能測試結果

本研究對工地拌和樓里的混合料進行取樣，然后進行混合料的室內試驗?，F(xiàn)場拌和水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料，其性能檢測結果見表10，均滿足現(xiàn)行規(guī)范技術要求。試驗結果表明：水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料具有較高的強度、良好的高溫性能和低溫性能，環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青效果顯著，混合料質量滿足實際工程中的中面層需要。

圖3 試驗路施工工藝流程

表9 級配設計 %

表10 瀝青混合料性能檢驗結果

4 結論

a）水性環(huán)氧樹脂高分子材料的加入使乳化瀝青性能大幅提升，與普通乳化瀝青相比水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青具有更好的力學強度；

b）水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度是普通乳化瀝青混合料的10 倍以上，加入水性高分子材料后混合料性能得到大幅提升，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料的力學性能較好；與普通乳化瀝青混合料相比，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料具有更優(yōu)的高溫和低溫性能；

c）通過實際工程中試驗路的鋪筑以及質量控制，結果表明水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青冷拌混合料滿足實際路面工程中中面層的技術要求。