水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青在預防性養(yǎng)護中的應用效果研究

羅 杰，鐘志欽

(1.廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530218；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，高速公路通車總里程目前已穩(wěn)居世界第一。根據(jù)《2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，2020年末我國公路總里程為519.81萬km，其中高速公路車道里程為72.31萬km。隨著公路建設(shè)總里程的不斷增長，部分早期修筑的公路路面開始出現(xiàn)開裂、車轍、坑槽、抗滑性能下降等病害，嚴重影響行車安全與舒適性，如何有效恢復與維護路面使用性能已成為公路建設(shè)行業(yè)的重要議題[1]。

2020年末，我國公路養(yǎng)護里程達514.40萬km，占公路總里程的99.0%。根據(jù)《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，目前我國公路建設(shè)行業(yè)已由早年的“建設(shè)為主”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖B(yǎng)并重”。在已通車的公路中，由于長期經(jīng)受溫度、濕度循環(huán)變化與重載車輛的綜合作用，部分道路產(chǎn)生了嚴重的病害現(xiàn)象，不少建設(shè)單位往往采用大修改造的方式進行處理?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，大修改造的維修方式會耗費大量資源，經(jīng)濟性較差，因此提出預防性養(yǎng)護概念，即在道路未發(fā)生嚴重病害時采用相關(guān)技術(shù)進行養(yǎng)護，提高路面使用性能和避免病害進一步發(fā)展，從而提高公路使用壽命，有效降低公路全壽命周期成本[2]。

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青作為一種新型常溫膠結(jié)材料，與路面養(yǎng)護技術(shù)中常用的乳化瀝青相比，具有黏度大、附著力強、耐磨等優(yōu)點，將其作為微表處材料，能修復路面細小裂縫，同時能有效改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性與抗滑性能。為研究水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青在實際工程中的使用效果，本文通過室內(nèi)試驗確定水性環(huán)氧樹脂摻量，并在已通車的某高速公路上使用水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青進行預防性養(yǎng)護，檢測分析舊路養(yǎng)護前后的使用性能[3]，以評價其實際養(yǎng)護效果。

1 原材料

1.1 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青

環(huán)氧樹脂為雙酚A(或多元醇)與環(huán)氧氯丙烷的縮聚產(chǎn)物，可與含活潑氫的化合物發(fā)生反應，固化交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是一種熱固型聚合物材料。環(huán)氧樹脂大多難溶于水，只溶于有機溶劑，極大地限制了環(huán)氧樹脂的使用范圍。根據(jù)環(huán)氧樹脂水化原理，通過化學改性法、固化劑乳化法、相反轉(zhuǎn)法等方式，可將油性環(huán)氧樹脂以微粒的形式分散在水中，從而得到穩(wěn)定分散體系，即水性環(huán)氧樹脂[4]。

水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青通過將水性環(huán)氧體系摻入乳化瀝青中制備得到，常溫下為可流動液體，固化破乳后水性環(huán)氧樹脂與瀝青共同形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高強度固化物，同時具備乳化瀝青與環(huán)氧樹脂的優(yōu)點，其材料組成為：水性環(huán)氧樹脂、固化劑、乳化瀝青、水等。將水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青用于瀝青路面預防性養(yǎng)護中，能有效改善路面水穩(wěn)定性、抗滑性能、抗磨耗性能等[5]。本文所采用的水性環(huán)氧樹脂乳液主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 水性環(huán)氧樹脂乳液技術(shù)指標表

1.2 乳化瀝青

本文乳化瀝青為陽離子慢裂快凝型乳化瀝青，主要技術(shù)指標如表2所示。

表2 乳化瀝青主要技術(shù)指標表

1.3 礦料

本文所采用礦料為玄武巖粗集料、石灰?guī)r細集料及普通硅酸鹽水泥P O42.5。粗細集料主要技術(shù)指標如表3、表4所示。

表3 玄武巖粗集料技術(shù)指標表

表4 石灰?guī)r細集料主要技術(shù)指標表

1.4 級配

本文所采用的水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處級配為MS-3。其配合比如表5所示。

表5 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處配合比表

2 水性環(huán)氧樹脂用量

2.1 耐磨耗性能

為分析水性環(huán)氧樹脂用量對微表處混合料耐磨耗性能的影響，采用浸水1 h濕輪磨耗試驗測試不同摻量下的水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青微表處混合料磨耗值，結(jié)果如表6所示。

表6 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處1 h濕輪磨耗值表

由表6可知，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，微表處混合料磨耗值明顯降低，表明水性環(huán)氧體系能有效提高微表處混合料的耐磨耗性能。這是由于微表處混合料中的水性環(huán)氧乳液破乳固化，并與水泥的水化產(chǎn)物共同形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水性環(huán)氧體系摻量越大，此空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強度越高，從而抑制外界荷載對混合料的磨耗作用。宏觀表現(xiàn)為：磨耗值明顯降低，微表處混合料耐磨耗性能明顯提高。

2.2 抗水損害性能

為分析水性環(huán)氧樹脂用量對微表處混合料抗水損害性能的影響，將成型的濕輪磨耗試件浸入25 ℃恒溫水浴箱中6 d后再進行濕輪磨耗試驗，結(jié)果如表7所示。

表7 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處浸水6 d濕輪磨耗值表

由表7可知，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的提高，微表處混合料浸水磨耗值顯著減少，浸水前后磨耗值變化率明顯降低，這表明水性環(huán)氧體系可明顯改善微表處混合料的抗水損害性能。這是由于水性環(huán)氧體系破乳固化后可提高瀝青與礦料的粘附性，同時固化形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能阻礙瀝青的流動，從而抑制水分對瀝青的置換作用。宏觀表現(xiàn)為：浸水條件對微表處混合料磨耗值的影響逐漸下降，微表處混合料的抗水損害性能顯著提高。

綜合分析表6～7可知，當水性環(huán)氧樹脂摻量為0～10%時，濕輪磨耗值與浸水變化率顯著降低，水性環(huán)氧樹脂能顯著提高微表處混合料耐磨耗性能與抗水損害性能；當水性環(huán)氧樹脂摻量為10%～20%時，濕輪磨耗值顯著降低、浸水變化率降幅較小，表明在此摻量范圍內(nèi)，水性環(huán)氧樹脂可明顯提高微表處混合料耐磨耗性能，但繼續(xù)增加摻量對抗水損害性能影響較小。根據(jù)上述分析結(jié)果，綜合考慮經(jīng)濟性與微表處混合料性能，水性環(huán)氧樹脂推薦摻量為10%。

3 工程實踐

某高速公路在開放交通兩年后，部分路面出現(xiàn)開裂、松散、抗滑性能下降等輕微病害現(xiàn)象，研究決定采用水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處對其進行預防性養(yǎng)護。

3.1 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處施工工藝

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處施工工藝和普通乳化瀝青微表處施工基本一致，主要如下：

(1)微表處施工前1 d應用高壓水槍清洗舊路面，除去路表的油污、塵土、松散顆粒等，并在水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處施工前使用高壓空氣再次對舊路面進行處理，以確保徹底清除路面雜質(zhì)，防止雜質(zhì)影響水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處與舊路面間的粘結(jié)效果。

(2)根據(jù)施工區(qū)域面積和施工車輛攤鋪寬度，合理進行分塊。

(3)使用膠帶對路緣石、護欄等舊路設(shè)施進行覆蓋，避免施工過程對其造成污染。

(4)施工車輛就位后，根據(jù)施工區(qū)域分塊順序，按照室內(nèi)確定的水性環(huán)氧樹脂用量范圍進行施工。攤鋪中應安排相關(guān)人員協(xié)助處理局部攤鋪缺陷，如超粒徑集料等。

(5)根據(jù)施工當天的溫度、濕度、風速及相關(guān)施工經(jīng)驗，待水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處形成足夠強度后即可開放交通。

(6)當遇到氣溫<10 ℃、大風、降雨天氣時，禁止進行水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處施工。

3.2 水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處實際應用效果

為評價水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處的實際工程應用效果，本文選取3個舊路樁號范圍，分別在水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處施工前與施工完成后進行彎沉、擺值與滲水系數(shù)檢測，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處的實際應用效果良好，施工完成后路面彎沉降低32.6%～37.9%，擺值提高51.9%～61.1%，滲水系數(shù)減少88.6%～99.8%，表明其能有效恢復瀝青路面抗滑性能與抗?jié)B性能，在一定程度上提高路面結(jié)構(gòu)強度，從而提高路面使用性能與行車安全性，減少養(yǎng)護維修成本。

表8 試驗路段路面性能對比檢測結(jié)果表

4 結(jié)語

本文通過濕輪磨耗試驗分析不同水性環(huán)氧樹脂摻量下對微表處混合料耐磨耗性能與抗水損害性能的影響，根據(jù)分析結(jié)果提出推薦水性環(huán)氧樹脂摻量，并以此為依據(jù)將水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處應用在高速公路預防性養(yǎng)護中，測試舊路養(yǎng)護前后的強度、抗滑性能與抗?jié)B性能，得出以下結(jié)論：

(1)微表處混合料的磨耗值與浸水磨耗值變化率隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸增加，當摻量為10%～20%時，混合料浸水磨耗值變化率增幅較小，水性環(huán)氧樹脂推薦摻量為10%。

(2)水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青微表處能有效恢復瀝青路面抗滑性能與抗?jié)B性能，同時提高瀝青路面結(jié)構(gòu)強度。