復合改性乳化瀝青的制備及其微表處混合料路用性能

石福周,賈小軍,王 震,劉曉佩,吳佳云

(蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730050)

隨著越來越多的道路進入養(yǎng)護期,微表處養(yǎng)護技術(shù)的運用越來越廣泛.但是,就目前所使用的改性乳化瀝青而言,多采用SBR膠乳為改性劑,品種單一,高溫穩(wěn)定性不夠理想.SBS改性乳化瀝青的效果雖然較好,但由于生產(chǎn)要求高、難度大,制約著其大范圍的使用[1-3].水性環(huán)氧樹脂是一種水溶性綠色環(huán)保有機高分子材料,能夠較好溶于乳化瀝青溶液中,與乳化瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),從而提高乳化瀝青部分性能[4-6].2007年,廣東工業(yè)大學[7]對水性環(huán)氧改性乳化瀝青進行了改性前后的性能對比,經(jīng)水性環(huán)氧樹脂乳液改性后的乳化瀝青,其高低溫性能、耐老化性能等均優(yōu)于普通乳化瀝青.廣州大學王偉明等[8]對Sasobit和SBR膠乳進行復合改性,研制了新型SBR復合改性乳化瀝青,瀝青含量提高(達70%),高低溫性能良好,各項性能指標均優(yōu)于普通乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青.北京化工大學李勝杰[9]選用蒙脫土丁苯橡膠復合材料,研究制備了MMT/SBR復合改性乳化瀝青,結(jié)果表明,MMT/SBR相比單一改性劑SBR和SBS更好地改善了瀝青的低溫使用性能,極大地改善了瀝青的低溫延度,更適合在嚴寒地區(qū)推廣應(yīng)用.

綜上所述,乳化瀝青的改性由單一性能向綜合性能發(fā)展.而在目前的研究中,對于環(huán)氧與SBR的復合改性的研究鮮有報道,SBR對低溫性能的優(yōu)勢與環(huán)氧對高溫性能、耐老化的優(yōu)勢使得開發(fā)這一改性乳化瀝青顯得很有意義.因此,本次研究首先將水性環(huán)氧樹脂與SBR復合改性制備高性能改性乳化瀝青,采用延度與軟化點指標對改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能進行判定,然后通過濕輪磨耗試驗、劈裂試驗、高溫車轍試驗與普通微表處混合料對比,驗證其性能優(yōu)劣.

1 原材料和儀器設(shè)備選擇

1.1 基質(zhì)瀝青

采用韓國SK-90基質(zhì)瀝青,性能指標見表1.

表1 SK-90基質(zhì)瀝青部分參數(shù)指標

1.2 乳化劑

BZ160型陽離子慢裂快凝型乳化劑,褐色黏稠液體,性能指標見表2.

表2 乳化劑主要性能指標

1.3 改性劑

改性劑有SBR膠乳改性劑和環(huán)氧樹脂改性劑,其中SBR改性劑為RZ461型改性劑,白色乳狀液體.環(huán)氧采用蘇州梅果望地坪材料有限公司生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂WG827和環(huán)氧固化劑WG802,其摻加的質(zhì)量比例為2∶1.5.

1.4 主要儀器設(shè)備

試驗用到的主要儀器設(shè)備有SYD-4508C瀝青延度試驗儀、SYD-2801F型低溫針入度試驗儀、SYD-2806E全自動瀝青軟化點試驗儀、PINK試驗?zāi)z體磨、濕輪磨耗試驗儀、車轍試樣成型機、自動車轍試驗儀等,部分設(shè)備見圖1.

圖1 主要儀器設(shè)備Fig.1 Main equipment

2 改性乳化瀝青制備

采用先乳化后改性的生產(chǎn)工藝,先制備瀝青質(zhì)量分數(shù)為60%的微表處用普通乳化瀝青,再摻入SBR與水性環(huán)氧樹脂進行復合改性.

2.1 乳化瀝青的制備

乳化瀝青的制備采用PINK膠體磨進行,單次最大可制備1.5 kg乳化瀝青.

1) 取質(zhì)量分數(shù)2%的乳化劑于燒杯中,加入煮沸的飲用水350 g,攪拌2 min,待乳化劑充分溶解后,用鹽酸調(diào)至pH值2.0～2.5,加水至400 g,保溫至75 ℃?zhèn)溆?

2) 加適量開水至膠體磨中,預(yù)熱1 min.然后放掉預(yù)熱的水,將先前制好的皂液倒入膠體磨中.

3) 打開膠體磨開關(guān),將預(yù)先烘好的145 ℃熱瀝青勻速緩緩加入膠體磨的皂液中,邊加邊攪拌皂液,待瀝青加入量為600 g時,停止加入,0.5 min后關(guān)閉膠體磨開關(guān),將制好的乳化瀝青接入壺中,制備完成.

2.2 乳化瀝青的復合改性

乳化瀝青的復合改性分為兩部分,改性劑添加方式的選取與改性劑摻加比例的確定.

1) 添加方式選取

先加入質(zhì)量分數(shù)3.5%的SBR改性劑攪拌均勻,然后對質(zhì)量分數(shù)2.5%環(huán)氧樹脂的不同添加方法與時機進行對比試驗.分別通過4種方法:1) 環(huán)氧固化劑分別加入,攪拌均勻即刻檢驗試樣;2) 環(huán)氧固化劑分別加入,攪拌均勻靜置1 d,檢驗試樣;3) 環(huán)氧固化劑提前混合均勻20 min后加入,攪拌均勻即刻檢驗試樣;4) 環(huán)氧固化劑提前混合均勻20 min后加入,靜置1 d,檢驗試樣.測得其延度和軟化點如圖2所示[10].

圖2 不同改性方法的乳化瀝青指標Fig.2 Emulsified asphalt of different modification methods

圖2中,采用方法一,即水性環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂固化劑分別加入,攪拌均勻即刻檢驗試樣的方法，得到的改性乳化瀝青的綜合性能最優(yōu)；而采用方法二得到的改性乳化瀝青的延度最差.這是因為改性劑在靜置1 d后交聯(lián)固化反應(yīng)過大,反而降低了延度的改性效果.這也從側(cè)面反應(yīng)出方法一即時改性即刻使用的重要性,故選取方法一作為改性劑添加方法.

2) 配比試驗

分別改變SBR質(zhì)量分數(shù)為2.5%、3.0%、3.5%與環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)為1.5%、2.0%、2.5%、3.0%得12組試驗[11],試驗結(jié)果見圖3.當環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)為3.0%時,在蒸發(fā)脫水過程中,瀝青結(jié)團,未能得到蒸發(fā)殘留物瀝青試樣.

(1) 軟化點.如圖3a、b所示,當固定SBR摻加質(zhì)量時,隨著環(huán)氧改性劑摻加質(zhì)量的增加,軟化點呈明顯的遞增趨勢,在環(huán)氧改性劑質(zhì)量分數(shù)達到2.5%時,軟化點達70 ℃以上；當固定環(huán)氧改性劑摻加質(zhì)量時,隨著SBR改性劑摻加質(zhì)量的增加,軟化點先減小后增大,而軟化點在環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)2.5%與SBR質(zhì)量分數(shù)3.5%下最大.

圖3 不同配比的乳化瀝青指標

分析原因,環(huán)氧樹脂對乳化瀝青的改性主要是交聯(lián)固化作用,環(huán)氧樹脂與乳化瀝青混合后,環(huán)氧樹脂微粒和固化劑微粒之間聚結(jié)并相互向內(nèi)部滲透擴散交聯(lián),在瀝青分子間形成不完全交聯(lián)、非均相的固化體系,使瀝青微粒間的分子作用力增強.瀝青從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變屬于物理變化,分子間作用力的大小決定了這一變化的難易程度.因此,不同環(huán)氧樹脂摻加質(zhì)量對高溫穩(wěn)定性的改性效果顯著；但當環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)達到3.0%時,過大的交聯(lián)固化作用使得乳化瀝青在蒸發(fā)制樣時,即開始脫水結(jié)團,得不到可用于檢測的瀝青試樣.

(2) 延度.如圖3c、3d所示,當固定SBR改性劑摻加質(zhì)量時,隨著環(huán)氧樹脂改性劑摻加質(zhì)量的增加,延度先增加后減小,環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)為2.0%時,延度最大；當固定環(huán)氧改性劑摻加質(zhì)量時,隨著SBR改性劑摻加質(zhì)量的增加,延度呈明顯的遞增趨勢.

分析原因,少量的環(huán)氧樹脂增加了分子間的作用力,使其延度增大,但當環(huán)氧樹脂摻加質(zhì)量過大時,其交聯(lián)固化作用過大,進而延展度減??；而SBR改性劑對瀝青分子間的交聯(lián)固化作用要比環(huán)氧樹脂微弱許多,增加了瀝青的延展度.

通過以上分析,當SBR改性劑質(zhì)量分數(shù)為3.5%,環(huán)氧改性劑質(zhì)量分數(shù)為2.5%時,其軟化點和延度均可以達到理想指標.

3 微表處混合料路用性能分析研究

試驗選取普通乳化瀝青微表處、3.5%SBR質(zhì)量分數(shù)的改性乳化瀝青微表處、2.5%環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)的改性乳化瀝青微表處以及3.5%SBR與2.5%環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)的復合改性乳化瀝青微表處4種不同乳化瀝青的微表處混合料,分別簡記為混合料1、混合料2、混合料3、混合料4,通過濕輪磨耗試驗、劈裂試驗以及高溫車轍試驗來評價其抗水損與耐磨耗性、抗裂與抗剪性能[12-18].

試驗所用粗集料玄武巖取自蘭州市西果園料場；細集料石灰?guī)r與礦粉均取自蘭州市永登某料場.各項檢測指標均符合規(guī)范要求,其指標見表3和表4.

微表處混合料通過配合比試驗選擇MS-Ⅲ型級配中值、外加水質(zhì)量分數(shù)11%、油石比7.5%、水泥質(zhì)量分數(shù)2%,采用外摻法.

表3 粗集料技術(shù)指標

表4 細集料技術(shù)指標

3.1 抗水損/耐磨耗性能分析

1) 試驗方法

抗水損/耐磨耗性分析研究采用濕輪磨耗試驗,試驗參照“T0752-2011稀漿混合料濕輪磨耗試驗”規(guī)范進行,試驗選取MS-Ⅲ型級配中值、外加水質(zhì)量分數(shù)12%、礦粉質(zhì)量分數(shù)4%、水泥質(zhì)量分數(shù)2%,油石比7.5%進行試驗,且每組試樣進行3次平行試驗.

2) 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果見圖4.

圖4 濕輪磨耗試驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of wet wheel wear

圖4中,不論是1 h濕輪磨耗還是6 d濕輪磨耗,隨著混合料1～4變化,磨耗值均呈現(xiàn)一種遞減的趨勢,即耐磨耗性越來越好.通過計算,3種改性方式對耐磨耗性的改善作用分別達到41%、51%、74%,其中采用微表處混合料4的改性效果最佳,達到了74%,改善效果顯著.

3.2 抗裂性能分析研究

1) 試驗方法

抗裂性能分析研究采用劈裂試驗進行分析,試驗先拌和上述混合料1～4的4種不同的微表處混合料,然后迅速將其均勻倒入馬歇爾模具中,達到馬歇爾試件規(guī)定的尺寸,然后放入60 ℃烘箱中養(yǎng)生3 d,待時間滿足要求后脫膜,冷卻至室溫后進行劈裂試驗,見圖5.

圖5 劈裂試驗Fig.5 Splitting experiment

2) 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果見表5.

表5 劈裂試驗結(jié)果

表5中,4種不同乳化瀝青的微表處混合料劈裂強度呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢.其中SBR改性對微表處混合料劈裂強度的提升效果不明顯,而環(huán)氧樹脂改性使微表處混合料的劈裂強度提升了一倍,復合改性的效果更為優(yōu)越,提升了1.25倍.同時體現(xiàn)了文獻中通過環(huán)氧樹脂制備高強度混凝土的科學性.

3.3 抗剪性能分析研究

抗剪性能分析研究采用高溫車轍試驗進行,試驗先利用車轍儀成型車轍深度約7 mm的車轍板,然后取出車轍板放入深度約7 cm的車轍模板中,先對車轍處攤鋪微表處混合料進行車轍處治,再分3層攤鋪9 mm微表處混合料,每次攤鋪后均在25 ℃室溫下養(yǎng)生24 h后,方可進行上層攤鋪.待試件成型后按照車轍試驗規(guī)范進行高溫車轍試驗,車轍試驗見圖6,試驗結(jié)果見表6.

圖6 高溫車轍試驗Fig.6 High temperature rut experiment

表6 高溫車轍試驗結(jié)果

表6中,SBR改性乳化瀝青的動穩(wěn)定度提升不明顯,不到13.8%；環(huán)氧改性的動穩(wěn)定度提升較明顯,達到了46%；SBR與環(huán)氧復合改性的效果最明顯,動穩(wěn)定度提升了108%.出現(xiàn)上述情況的原因也與目前乳化瀝青界的研究相符.通過分析還可以得出,不管是采用普通乳化瀝青微表處混合料,還是復合改性微表處混合料,動穩(wěn)定度均較小,微表處對車轍深度20 mm以上(需要2層以上分層施工治理車轍)的處治效果不明顯,這與微表處級配顆粒過小,不能治理嚴重車轍的行業(yè)常識相符.

4 結(jié)論

1) 通過配合比試驗確定了SBR與環(huán)氧樹脂的最佳摻配比例,當摻配比例為3.5∶2.5時,改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的延度和軟化點最優(yōu),分別可達到400 mm和70 ℃以上,且改性劑添加采用隨用隨添加,改性效果更好.

2) 采用復合改性乳化瀝青制得地微表處混合料比普通微表處混合料的耐磨耗與抗水損性能提高74%,而單純SBR改性與環(huán)氧樹脂改性的改善效果為41%和51%,復合改性效果明顯.

3) 劈裂試驗表明,SBR改性對微表處混合料劈裂強度的提升不明顯,而環(huán)氧改性使微表處混合料的劈裂強度提升了一倍,復合改性的效果更為優(yōu)越,提升了1.25倍.

4) 高溫車轍試驗表明,SBR改性乳化瀝青的動穩(wěn)定度提升不明顯,不到13.8%；環(huán)氧改性的動穩(wěn)定度提升較明顯,達到了46%；SBR與環(huán)氧復合改性的效果最明顯,動穩(wěn)定度提升了108%.