粘層用復(fù)合改性乳化瀝青制備及層間性能研究

宋家楠

(遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

應(yīng)用于路面養(yǎng)護(hù)和路面層間粘結(jié)的乳化瀝青粘層材料，以施工便利和節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。傳統(tǒng)的乳化瀝青固含量在50%～60%之間，有效瀝青量較少，當(dāng)作為結(jié)構(gòu)層間的粘結(jié)材料使用時(shí)，在車輛行駛產(chǎn)生的剪切力作用下極易出現(xiàn)道路結(jié)構(gòu)層間的滑移、脫離，進(jìn)而促使路面整體承載力下降，因此高性能道路粘層用改性乳化瀝青的研究越來越被業(yè)內(nèi)人士重視。周力博[1]自制一種水性聚氨酯改性粘層材料，該材料可以顯著提升粘層材料層間抗剪強(qiáng)度。張豐雷等[2]通過對(duì)自制的水性聚氨酯改性乳化瀝青進(jìn)行常規(guī)性能、熒光和紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，水性聚氨酯改性劑能同時(shí)對(duì)瀝青進(jìn)行物理改性和化學(xué)改性。李俊禧等[3]通過研究制備一種水性聚氨酯和SH溶液復(fù)合改性的乳化瀝青，該改性乳化瀝青有較好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，但SH溶液低溫性能改善有限。

水性聚氨酯因其有活潑的異氰酸酯基(-NCO)和氨基甲酸酯基團(tuán)(-NHCOO-)而使其具有優(yōu)異的粘結(jié)力[4]，由于水性聚氨酯的分散介質(zhì)是水，所以甲酸酯基團(tuán)能夠依附水分子并均勻地分散到乳化瀝青中并最終發(fā)揮粘結(jié)作用，又由于聚氨酯的化學(xué)鍵(-NHCOO-)具有軟段硬段循環(huán)重復(fù)的特性[5]，所以硬段的存在使乳化瀝青的高溫指標(biāo)得到提升但低溫指標(biāo)卻起了負(fù)面影響。SBR乳液的主要成分是丁苯橡膠，它是一種高分子彈性體材料，能有效改善乳化瀝青的低溫性能。介紹一種水性聚氨酯與SBR乳液復(fù)合改性的粘層用乳化瀝青，這種改性乳化瀝青既保持較好的高、低溫性能，又有更優(yōu)異的粘結(jié)性能。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料

本試驗(yàn)主要原材：水性聚氨酯選用萬華化學(xué)集團(tuán)生產(chǎn)的脂肪族水性聚氨酯產(chǎn)品；瀝青為遼寧盤錦的北瀝牌90#基質(zhì)瀝青，普通乳化瀝青乳化劑使用遼寧路通化學(xué)有限公司生產(chǎn)的RN-90陽離子快裂乳化劑； SBS改性瀝青為遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司生產(chǎn)的SBS-IC型改性瀝青，改性乳化瀝青乳化劑選用源榮化工生產(chǎn)的E-106型陽離子中快裂型乳化劑；SBR乳液為山東顯元化工生產(chǎn)的EL-1型陽離子膠乳，基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的主要指標(biāo)見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果

1.2 設(shè)備

乳化瀝青加工設(shè)備包括：上海越平公司生產(chǎn)的PHS-25型酸度計(jì)；昆山金珂華電子有限公司生產(chǎn)的JM3002型電子天平；山東大山路橋公司制造的Ds-ECM型乳化瀝青實(shí)驗(yàn)機(jī)。

2 基本性能試驗(yàn)

2.1 樣品制備

普通乳化瀝青和改性乳化瀝青制備過程基本相同，主要步驟為加熱瀝青，用乳化劑、水、添加劑制備皂液，熱瀝青和皂液加入到乳化瀝青實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，并按比例混合后通過膠體磨剪切和研磨制備成乳化瀝青產(chǎn)品。由于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青制備時(shí)瀝青和乳化劑均不同，制備過程中瀝青和皂液的加熱溫度、皂液的酸堿度、膠體磨的轉(zhuǎn)速等操作過程根據(jù)乳化劑使用說明書進(jìn)行調(diào)整。

水性聚氨酯改性乳化瀝青和水性聚氨酯與SBR乳液復(fù)合改性乳化瀝青(下文簡(jiǎn)稱復(fù)合改性瀝青)是將水性聚氨酯改性劑單獨(dú)或與SBR乳液復(fù)合添加到普通型粘層用乳化瀝青中混合均勻后制得。

2.2 技術(shù)性能試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的規(guī)定，對(duì)乳化瀝青樣品進(jìn)行技術(shù)性能檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 粘層用乳化瀝青檢測(cè)結(jié)果

(1)穩(wěn)定性

從篩上剩余量和貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果可知，水性聚氨酯改性乳化瀝青和復(fù)合改性乳化瀝青的穩(wěn)定性很好，說明所選水性聚氨酯與不同類型的乳化瀝青有很好的和易性和相溶性。

(2)高低溫性能

瀝青的三大指標(biāo)中，瀝青材料的高溫穩(wěn)定性能是用軟化點(diǎn)來表征的，結(jié)果越高其抵抗高溫變軟性能越優(yōu)秀。延度指標(biāo)表示試驗(yàn)條件下瀝青的變形能力，表征瀝青的低溫抗裂性能，從表2中蒸發(fā)殘留后的三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果可知，改性后的樣品2至樣品5的高溫穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于樣品1，即優(yōu)于普通乳化瀝青，其中樣品3、樣品4和樣品5的高溫穩(wěn)定性能要優(yōu)于樣品2，即普通SBS改性乳化瀝青，樣品3、樣品4和樣品5的高溫性能隨水性聚氨酯摻量的增加而增高。表2中的延度結(jié)果也顯示，水性聚氨酯改性或水性聚氨酯參與的復(fù)合改性乳化瀝青的低溫抗裂性能弱于SBS改性乳化瀝青，且水性聚氨酯摻量為10%的樣品其低溫性能明顯比摻量為5%的樣品差，即聚氨酯摻量越多瀝青的低溫抗裂性越差，這是因?yàn)镾BS是苯乙烯-丁二烯嵌段共聚的橡膠彈性體，而水性聚氨酯是重復(fù)的有機(jī)化學(xué)鍵(-NHCOO-)形成具有軟硬段的共聚物，硬段嵌段物對(duì)瀝青高溫性能奉獻(xiàn)正能量，但對(duì)低溫抗裂性能起負(fù)作用，因此樣品3、樣品4和樣品5的低溫性能差于樣品2，同時(shí)樣品3、樣品4和樣品5的低溫抗裂性能隨聚氨酯含量增加而下降的原因也是由于硬段含量增加造成的。SBR膠乳也叫丁苯橡膠乳液，作為一種液態(tài)橡膠，它的彈性可以增加瀝青的低溫性能，由于SBR沒有SBS的嵌段空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)瀝青的高溫性能不起作用，因此將SBR與水性聚氨酯共同復(fù)合改性乳化瀝青，兩種改性劑作用取長(zhǎng)補(bǔ)短，得到的復(fù)合改性乳化瀝青具有滿意的高低溫性能。

3 抗拉與抗剪切試驗(yàn)

3.1 試件制備

制作AC-10密級(jí)配瀝青混凝土馬歇爾試件若干，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，將各乳化瀝青樣品按0.9kg/m2涂布量均勻涂抹于馬歇爾試件一側(cè)平面上，當(dāng)樣品破乳時(shí)，將兩塊馬歇爾試件上下垂直放置，將涂油面相互黏結(jié)并壓實(shí)，之后將已粘接的試樣置于60℃烘箱中恒溫6h左右，待乳化瀝青完全破乳后取出置于室溫下冷卻后待用，圖1為抗拉與抗剪切試驗(yàn)試件樣品制備過程。

圖1 抗拉與抗剪試驗(yàn)試件制備

3.2 試驗(yàn)方法

對(duì)于路面粘層材料層間粘結(jié)力的抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度檢測(cè)，目前國內(nèi)外技術(shù)文獻(xiàn)無統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本研究抗拉試驗(yàn)和抗剪切試驗(yàn)使用北京航天科宇測(cè)試儀器有限公司出品的路面層間粘結(jié)力拉拔試驗(yàn)儀和路面層間直剪試驗(yàn)儀進(jìn)行檢測(cè)，見圖2、圖3。

圖2 路面層間粘結(jié)力拉拔試驗(yàn)

圖3 路面層間直剪試驗(yàn)

抗拉試驗(yàn)是在試件兩端加載垂直于粘結(jié)面的正應(yīng)力，抗剪試驗(yàn)是在試件上加載與粘結(jié)面平行的剪切應(yīng)力，抗拉試驗(yàn)和抗剪切試驗(yàn)可以模擬路面層間結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的受力狀態(tài)?？估瓘?qiáng)度和抗剪強(qiáng)度按下式(1)、式(2)計(jì)算。

R=F拉/S

(1)

τ=F剪/S

(2)

式(1)、式(2)中：R為粘層材料抗拉強(qiáng)度(MPa)；τ為粘層材料抗剪強(qiáng)度(MPa)；F拉為抗拉試驗(yàn)試件破壞時(shí)最大荷載(N)；F剪為抗剪試驗(yàn)試件破壞時(shí)最大荷載(N)；S為抗拉與抗剪試驗(yàn)受力面積(mm2)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行抗拉和抗剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖4。從試驗(yàn)結(jié)果可知5個(gè)乳化瀝青樣品中，樣品2至樣品5的改性乳化瀝青，其路面層間粘結(jié)性能，即抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度優(yōu)于普通粘層用乳化瀝青樣品1；而在改性的乳化瀝青樣品2至樣品5中，水性聚氨酯改性的乳化瀝青，即樣品3至樣品5的粘結(jié)性能又優(yōu)于普通SBS改性乳化瀝青，不同摻量的水性聚氨酯改性乳化瀝青其粘結(jié)性能隨聚氨酯摻量的增加而增強(qiáng)，這種現(xiàn)象也證明聚氨酯材料可以很好地融于乳化瀝青中并發(fā)揮其 “膠水”的特性，考慮乳化瀝青基本性能和經(jīng)濟(jì)性，水性聚氨酯改性乳化瀝青中聚氨酯摻量為5%時(shí)，其路面層間既有優(yōu)良的粘結(jié)性能，又有很好的低溫抗裂性；從樣品3和樣品4結(jié)果還可知，SBR膠乳對(duì)粘層油乳化瀝青的層間粘結(jié)性能沒有作用，結(jié)合前文分析，SBR膠乳只對(duì)乳化瀝青低溫抗裂性能有很好的幫助。

表3 抗拉與抗剪切試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖4 抗拉與抗剪切試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)語

(1)水性聚氨酯和SBR膠乳作為改性劑可以很好地與粘層用乳化瀝青相溶，復(fù)合改性后的粘層用乳化瀝青既有很好的高溫穩(wěn)定性能又有一定的低溫抗裂性能。

(2)水性聚氨酯和SBR膠乳作為改性劑共同復(fù)合改性的粘層用乳化瀝青時(shí)，兩種改性劑性能互補(bǔ)，這種復(fù)合改性乳化瀝青可以大幅提升路面層間結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

(3)考慮工程造價(jià)及綜合性能，水性聚氨酯和SBR膠乳復(fù)合改性的乳化瀝青中，水性聚氨酯摻量不宜高于5%。