水性環(huán)氧樹脂/SBR 復合改性乳化瀝青制備及微表處性能評價

■游培鈞

（福建新路達交通建設監(jiān)理有限公司，南平 353000）

微表處是一種常用的路面預防性養(yǎng)護技術，對于路面早期病害問題有良好的處治效果[1]。 它是通過將稀漿混合料攤鋪在原路面上而形成的薄層罩面[2]。 工程實踐經(jīng)驗表明，微表處對輕度車轍病害和細微裂縫有良好修復效果，同時可提高路面的耐磨耗和抗滑性能[3-4]。 鑒于以上優(yōu)勢，微表處已經(jīng)在國內(nèi)外瀝青路面養(yǎng)護工程中得到了廣泛應用[5-6]。

目前， 微表處常用的SBR 改性乳化瀝青可改善微表處低溫抗裂性能， 但是對高溫性能的作用效果并不明顯。 此外，還存在粘結強度低，易導致微表處集料松散剝落和層間剪切滑移等問題，難以達到預期的養(yǎng)護效果[8]。水性環(huán)氧樹脂是對環(huán)氧樹脂做水性化處理而得到的一種環(huán)保型新材料，在與固化劑混合后，經(jīng)過水分蒸發(fā)、粒子聚結、固化劑擴散、交聯(lián)固化反應，可形成具有良好粘結性能的三維網(wǎng)狀交聯(lián)結構，具有良好的黏結力、強度和高溫穩(wěn)定性， 近年來被越來越多地應用于道路工程領域， 將其與SBR 改性乳化瀝青復配有望獲得更好的使用性能[9]。

本研究依托南平松建高速公路路面預防性養(yǎng)護工程項目，開展微表處材料設計研究，旨在為工程應用提供參考依據(jù)。通過在SBR 改性乳化瀝青中摻加水性環(huán)氧樹脂，制備復合改性乳化瀝青，開展試驗研究其對微表處施工性能和路用性能的影響。

1 原材料和方法

1.1 原材料

SBR 改性乳化瀝青的技術指標見表1。

表1 SBR 改性乳化瀝青技術指標

水性環(huán)氧體系包括水性環(huán)氧樹脂 （A 組分）和固化劑（B 組分）兩個組分，技術指標見表2。

表2 水性環(huán)氧體系技術指標

粗細集料和礦粉的技術指標見表3。 采用普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），摻量為0.2%。 水起到潤濕集料表面的作用，同時影響稀漿混合料的稠度和密實度，采用自來水。

表3 粗細集料和礦粉技術指標

1.2 復合改性乳化瀝青制備

復合改性乳化瀝青的主要制備步驟如下：將水性環(huán)氧樹脂與固化劑按照2∶1 的質(zhì)量比例拌合均勻后，加入到SBR 改性乳化瀝青中，并以2 000 r/min的速率高速攪拌10 min， 得到復合改性乳化瀝青。設置水性環(huán)氧體系摻量分別為SBR 改性乳化瀝青質(zhì)量的4%、8%、12%、16%。通過直接加熱法測試復合改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標和旋轉薄膜烘箱短期老化后指標。

1.3 配合比設計

采用我國常用的MS-3 型級配， 級配曲線見圖1。根據(jù)1 h 濕輪磨耗試驗和負荷車輪粘砂試驗，確定油石比范圍為6.5%～8.5%。 同時考慮到混合料的施工性和經(jīng)濟性，確定最佳油石比為7.0%。

圖1 微表處混合料級配曲線

1.4 試驗方法

1.4.1 拌合試驗

依據(jù)T0757-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）進行微表處混合料拌合試驗。 在拌合過程中，當混合料開始變稠，拌和產(chǎn)生明顯阻力時，表明乳化瀝青開始破乳，此時對應的拌合時間即為可拌合時間。

1.4.2 粘聚力試驗

粘聚力試驗主要用于評價微表處的早期強度，評價指標為微表處混合料30 min 和60 min 粘聚力。 根據(jù)試件破損狀態(tài)劃分為4 種情況：完全成型、中度成型、初級成型和未成型，詳見《規(guī)程》。

1.4.3 濕輪磨耗試驗

按照《規(guī)程》開展1 h 濕輪磨耗試驗，根據(jù)公式（1）計算濕輪磨耗值，評價微表處的耐磨耗性能。此外，為研究微表處混合料的水穩(wěn)定性能，將試件25℃水浴浸水時長分別延長到1、3、6、9、12 d，分析濕輪磨耗值隨浸水時長的變化規(guī)律。

式中：WTAT 為濕輪磨耗值；ma為試件在磨耗試驗前的質(zhì)量；mb為試件在磨耗試驗后的質(zhì)量；A 為磨耗面積。

1.4.4 負荷車輪碾壓試驗

采用負荷車輪碾壓試驗評價微表處混合料抗車轍性能， 評價指標為車轍深度率和寬度變形率，具體試驗方法和評價指標計算方法參見《規(guī)程》。

2 結果與分析

2.1 復合改性乳化瀝青性質(zhì)

由表4 可知， 當水性環(huán)氧體系摻量從0%增加至16%時，復合改性乳化瀝青的針入度由54.2℃降低到46.2℃，延度由39.5 cm 降低到28.4 cm，軟化點由57.1℃增加到73.1℃， 短期老化后殘留物的質(zhì)量變化由0.93%降低到0.31%， 針入度比由50.1%增加到68.7%，說明水性環(huán)氧使得改性乳化瀝青高溫穩(wěn)定性和抗老化性能得到增強，但是可能會對低溫性能造成不利影響。

表4 復合改性乳化瀝青技術指標

2.2 施工性能

由圖2 可知，隨著水性環(huán)氧體系摻量和外加水量的增大，微表處混合料含水量不斷增加，使得瀝青破乳時間推遲，可拌合時間得到延長。 我國《微表處和稀漿封層技術指南》（以下簡稱《指南》）要求可拌合時間不少于120 s。 當水性環(huán)氧摻量低于8%，且外加水量低于7%時，可拌合時間不能滿足要求。當外加水量達到7%時， 可拌合時間均大于120 s，繼續(xù)增加用水量雖然能進一步延長可拌合時間，但是會造成破乳時間過長， 導致開放交通時間延遲，因此本研究采用7%作為外加水量。

圖2 微表處混合料可拌合時間測試結果

微表處30 min 和60 min 粘聚力測試結果見圖3。 未摻加水性環(huán)氧樹脂時，微表處30 min 粘聚力達到1.4 N·m，60 min 粘聚力達到2.1 N·m，說明微表處粘聚力隨時間增加，在60 min 時開始初步成型。 摻加水性環(huán)氧樹脂后，微表處30 min 粘聚力逐步下降，說明水性環(huán)氧樹脂對微表處早期強度產(chǎn)生了不利影響，這是因為水性環(huán)氧樹脂增加了混合料含水量，破乳速度降低，使得其30 min 粘聚力降低。隨著時間的延長，水性環(huán)氧樹脂開始固化，乳化瀝青逐漸破乳，使得60 min 粘聚力得到提高。 水性環(huán)氧體系摻量達到12%時，60 min 粘聚力值為2.3 N·m，微表處為中度成型狀態(tài)。 《指南》中規(guī)定，微表處的30 min 和60 min 粘聚力值分別不應低于1.2 N·m和2.0 N·m。從圖3 可知，60 min 粘聚力值都能滿足《指南》要求，但是30 min 粘聚力則在水性環(huán)氧樹脂摻量達到16%時低于《指南》要求，因此應將水性環(huán)氧體系摻量控制在16%以下。

圖3 微表處混合料粘聚力試驗結果

2.3 耐磨耗性能

由圖4 可知，1 h 濕輪磨耗值越大，說明微表處越容易剝落，耐磨耗能力越差。 根據(jù)指南要求，微表處試件1 h 濕輪磨耗值不應超過540 g/m2， 測試結果均滿足這一要求。 當水性環(huán)氧體系摻量從0%增加到8%時，1 h 濕輪磨耗值不斷降低， 說明微表處耐磨耗性能得到改善。 水性環(huán)氧樹脂的交聯(lián)固化產(chǎn)物使得瀝青被分隔嵌固在三維網(wǎng)絡結構中，增強了改性乳化瀝青的空間穩(wěn)定性及與集料的界面黏附性能， 從而降低了車輪荷載對微表處表面的磨耗。水性環(huán)氧體系摻量為8%時，1 h 濕輪磨耗值最小，微表處耐磨耗性能最好。 隨后，繼續(xù)增加水性環(huán)氧摻量，反而會造成1 h 濕輪磨耗值增大，這是因為水性環(huán)氧摻量過高導致改性乳化瀝青變脆，微表處混合料容易發(fā)生脆斷，耐磨耗性能降低。

圖4 微表處混合料1 h 濕輪磨耗值試驗結果

2.4 水穩(wěn)定性

由圖5 可知，隨著浸水時長的增加，濕輪磨耗值不斷增大，而增長幅度則在逐漸減小。 摻加水性環(huán)氧后，濕輪磨耗值明顯減小，說明水性環(huán)氧樹脂提高了微表處的水穩(wěn)定性。 水性環(huán)氧樹脂提高了瀝青在水環(huán)境中的抗剝落能力，其固化產(chǎn)物的三維網(wǎng)狀結構增加了瀝青的黏度和強度，約束了瀝青分子的流動和水分向試件內(nèi)部的遷移滲透過程，微表處混合料水穩(wěn)定性得到提高。水性環(huán)氧摻量為8%時，濕輪磨耗值達到最小值，微表處水穩(wěn)定性最好。

圖5 濕輪磨耗值隨浸水時長變化規(guī)律

2.5 抗車轍性能

從圖6 可知， 隨著水性環(huán)氧體系摻量的增加，寬度變形率和車轍深度率不斷降低，說明水性環(huán)氧樹脂增強了微表處混合料抗車轍能力。 這是因為水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物的空間網(wǎng)狀結構使得混合料的剛度和抗變形能力提升， 水性環(huán)氧體系摻量越大，該網(wǎng)狀結構密度就越大，對車輪荷載產(chǎn)生的豎向壓應力和橫向拉應力的抵抗能力越強，因此寬度變形率和車轍深度率隨水性環(huán)氧體系摻量的增加呈現(xiàn)下降趨勢。

圖6 微表處混合料抗車轍性能

3 結論

（1）水性環(huán)氧樹脂使得改性乳化瀝青變硬變脆，瀝青的針入度和延度降低，軟化點增大，抗老化能力提高。 （2）隨著水性環(huán)氧體系摻量和外加水量的增大，微表處混合料的可拌合時間得到延長。 綜合考慮施工性和開放交通時間，推薦外加水量為7%。水性環(huán)氧樹脂會對微表處早期強度產(chǎn)生不利影響，應將水性環(huán)氧體系摻量控制在16%以下。 （3）隨著水性環(huán)氧體系摻量的增大，1 h 濕輪磨耗值先減小后增大，水性環(huán)氧體系摻量為8%時，微表處耐磨耗性能最好。 （4）摻加水性環(huán)氧樹脂有效增強了瀝青和集料的粘附性能，提高了瀝青在水環(huán)境中的抗剝落能力，約束了瀝青分子的流動性，提高了微表處混合料的水穩(wěn)定性。 （5）摻加水性環(huán)氧樹脂使得微表處的剛度和抗變形能力增加，有效提高了微表處的抗車轍性能。