水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青黏層材料的層間性能

楊 忠，趙寶俊，劉夢梅，潘 俊

（1.陜西省交通建設集團公司，陜西 西安 710075；2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；3.中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

0 引 言

無論是舊路加鋪改造還是橋面鋪裝，黏層材料的性能都是決定道路耐久性的最重要影響因素之一［1-5］。黏層材料主要是快裂或中裂乳化瀝青、改性乳化瀝青，也可采用快裂或中裂液體瀝青［6-11］，但后者由于制作成本高、施工環(huán)境惡劣、效率低，在工程中已較少使用。乳化瀝青具有常溫施工、無毒無味、成本低等優(yōu)點［12-13］，相比于普通乳化瀝青，改性乳化瀝青的力學性能、高低溫性能、耐疲勞性和水穩(wěn)定性等能夠得到改善［14-16］。因此，改性乳化瀝青常用作橋梁鋪裝和道路工程的黏結材料。

水性環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的黏結性，在黏結劑、復合材料、涂層等方面應用廣泛［17］。將具有高黏性能的水性環(huán)氧樹脂按一定比例摻入到普通乳化瀝青中可制備水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青黏層材料［18-19］。本文模擬工程中道路加鋪改造和橋面鋪裝的層間受力情況，進行不同環(huán)氧樹脂摻量、不同試驗溫度和不同的層間接觸紋理情況下的剪切和拉拔試驗，以評價水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的黏結性能。

1 原材料

采用埃索90＃道路石油瀝青作為乳化瀝青的基質(zhì)瀝青。實驗室自制的乳化劑性能指標如表1所示。pH調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑分別選用鹽酸和聚乙烯醇（PVA）。基質(zhì)乳化瀝青的技術性質(zhì)及規(guī)范要求如表2所示。

表1 乳化劑的性能指標

表2 基質(zhì)乳化瀝青的技術性質(zhì)

本研究所使用的水性環(huán)氧樹脂技術指標如表3所示。為互補聚酰胺類和多乙烯多胺類固化劑的優(yōu)缺點，配制了固化時間適宜、不易揮發(fā)且刺激性氣味較小的常溫水性環(huán)氧樹脂固化劑，摻量為25%。

2 試驗方案

2.1 黏層材料的制備

制備基質(zhì)乳化瀝青時，先將基質(zhì)瀝青加熱到140℃～150℃，使其處于流動狀態(tài)；同時，準備溫度為80℃的熱水，通過添加鹽酸控制水溶液的pH值為2～3；然后將1.2%乳化劑摻入到溶液中，并充分攪拌，使乳化劑均勻地分散在水溶液中形成乳化液；將乳化液緩慢地倒入已預熱的乳化機中，進行30s攪拌，隨后緩慢加入基質(zhì)瀝青，攪拌4min制得基質(zhì)乳化瀝青，水油比為6∶4。

表3 水性環(huán)氧樹脂的技術性質(zhì)

2.2 試件的制備

試驗中，成型“5cm水泥混凝土板（表面拉毛）、黏層材料、5cm AC-10瀝青混合料”和“5cm水泥混凝土板（表面光滑）、黏層材料、2cm UTFL-13瀝青功能層”2種復合板（圖1），分別模擬新建道路和磨光舊路面改造的層間情況［20-21］。經(jīng)過反復試驗，黏層材料的最佳用量選為1.0kg·m-2。其中，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青中環(huán)氧樹脂的摻量分別為0、10%、20%、30%和40%；同時，設置了改性乳化瀝青對照試驗組。改性乳化瀝青為4%的SBS改性劑對陽離子乳化瀝青進行改性所得。混合料攤鋪完成后，對板件進行14次往返碾壓，之后在室溫下養(yǎng)護3d再鉆取芯樣，芯樣直徑為9.5cm。

圖1 試件的制備

2.3 剪切試驗

剪切試驗選用長安大學新型路面研究所自主研發(fā)的HS-SSⅠ型直剪儀，其技術指標如表4所示。以抗剪強度和剪切極值位移分別作為黏層材料橫向黏結性能和塑性性能的評價指標。抗剪強度越大，說明材料的橫向黏結性能越好；剪切極值位移越大，說明材料的橫向塑性性能越好，不易發(fā)生脆性破壞。

表4 HS-SSⅠ型直剪儀的技術指標

2.4 拉拔試驗

拉拔試驗選用長安大學公路學院自主研發(fā)的LGZ-1型拉拔儀來進行，拉拔速率為5mm·min-1。以抗拉強度和拉拔極值位移分別作為黏層材料豎向黏結性能和塑性性能的評價指標。與剪切試驗的評價指標相似，抗拉強度越大，說明材料的豎向黏結性能越好；拉拔極值位移越大，說明材料的豎向塑性性能越好。

3 室內(nèi)試驗結果及分析

3.1 層間光滑剪切試驗

本文在光滑的水泥混凝土上加鋪UTFL-13瀝青功能層，模擬超薄瀝青功能層加鋪于舊水泥混凝土路表的情況。環(huán)氧樹脂摻量分別選取10%、20%、30%、40%，在5℃、25℃和60℃的試驗溫度下進行剪切試驗，并以普通乳化瀝青和改性乳化瀝青作為對照試驗組。試驗結果如圖2所示。

圖2 層間光滑時抗剪試驗結果

由圖2可得出以下幾點結論。

（1）在試驗溫度范圍內(nèi)，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的抗剪強度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高，且均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的抗剪強度。

（2）水性環(huán)氧樹脂提高了黏層材料的剪切極值位移。雖然隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，剪切極值位移逐漸減小，但均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂能夠改善層間材料的塑性性能，降低發(fā)生脆性破壞的概率，但摻量不宜過大。

（3）溫度是抗剪強度的重要影響因素之一，抗剪強度隨著溫度的升高而急劇地減小。60℃條件下，雖然水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的抗剪強度大幅度下降，但相較于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，仍保持在較高水平（≥0.195MPa）。

綜上所述，無論是在低溫、常溫還是高溫條件下，水性環(huán)氧樹脂都能顯著地提高乳化瀝青的抗剪強度和剪切極值位移，且試驗摻量范圍內(nèi)，其抗剪性能均優(yōu)于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青。根據(jù)試驗結果，推薦水性環(huán)氧樹脂的摻量為10%～20%。

為研究水性環(huán)氧樹脂對層間材料抗剪能力和塑性性能的綜合作用，將抗剪強度與相應的剪切極值位移乘積作為黏層材料的黏韌性評價指標，如圖3所示。

圖3 層間光滑時抗剪試驗抗剪強度與極值位移乘積結果

由圖3可知，乳化瀝青摻加水性環(huán)氧樹脂后，抗剪強度與相應的剪切極值位移的乘積遠大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青具有高黏韌性。5℃時，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，乘積表現(xiàn)出減小的趨勢；而在25℃和60℃時，乘積起初顯著增加，但當摻量達到20%后，乘積又趨于平穩(wěn)。所以建議水性環(huán)氧樹脂的摻量為10%～20%。

3.2 層間粗糙剪切試驗

本研究在拉毛水泥混凝土表面加鋪AC-10瀝青混合料，用以模擬新建路面結構關系良好的情況，環(huán)氧樹脂摻量和試驗溫度與層間光滑剪切試驗一致，試驗結果如圖4、5所示。

圖4 層間粗糙時抗剪試驗結果

圖5 層間粗糙時抗剪試驗抗剪強度與極值位移乘積結果

由圖4可知，層間粗糙剪切試驗與層間光滑試驗具有相似的結論。

（1）在低溫、常溫和高溫狀態(tài)下，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的抗剪強度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而不斷提高，且均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的抗剪強度。

（2）剪切極值位移隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而逐漸減小，但均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青的位移。

（3）溫度對抗剪強度的影響顯著，抗剪強度隨著溫度的升高而減小；且隨著溫度升高，極值位移逐漸增大。

（4）與層間光滑試件的抗剪強度相比，相同試驗條件下，層間粗糙的抗剪強度較大。因為在層間粗糙的情況下，抗剪強度不僅由水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的黏結力構成，還受層間摩阻與嵌擠作用的影響。

由圖5可知，層間粗糙狀態(tài)下的抗剪強度與極值位移的乘積和層間光滑時的規(guī)律基本一致。水性環(huán)氧樹脂的兩項乘積遠大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青。5℃時，乘積隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而減小；摻量在20%～30%時變化顯著，20%摻量時乘積達到最大值。25℃和60℃時，當摻量達到10%后，乘積逐漸趨于平穩(wěn)。

3.3 層間光滑拉拔試驗

路面各結構層的差異變形和車輛荷載導致黏結層受力情況復雜。黏結層不僅受到水平方向的剪切力，還受豎直方向拉拔力的作用。剪切試驗所得結果受到了層間摩阻力的影響，不能用來評價層間材料自身黏結性能，還需對黏層材料進行拉拔試驗。試驗中，環(huán)氧摻量和溫度變量與層間光滑剪切試驗一致，拉拔試驗結果如圖6所示。

圖6 層間光滑時拉拔試驗結果

由圖6可以得到以下幾點結論。

（1）黏層材料的抗拉強度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增大而逐漸提高。即水性環(huán)氧樹脂的添加有效地改善了黏層材料的豎向黏結性能。

（2）拉拔極值位移隨環(huán)氧樹脂摻量的增大而逐漸減小，但均大于普通乳化瀝青和改性乳化瀝青，說明水性環(huán)氧樹脂能夠改善黏層材料的豎向塑性性能，但隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增大改善效果逐漸減弱。因此，環(huán)氧樹脂的摻量以10%～20%為宜。

（3）溫度對水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青抗拉強度的影響顯著，抗拉強度隨溫度的升高而減小。

3.4 層間粗糙拉拔試驗

層間粗糙時拉拔試驗結果如圖7所示。由圖7可知，與層間光滑抗拉試驗相比，層間粗糙的水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青試驗結果相差不大。這是因為抗拉強度主要受黏層材料黏結力的影響，與層間接觸面紋理的關系不大。

圖7 層間粗糙時拉拔試驗結果

4 結 語

本文采用埃索90＃基質(zhì)瀝青、水性環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇以及乳化劑和固化劑配制成水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青層間黏結材料，并對光滑和粗糙的層間接觸紋理試件進行了剪切試驗和拉拔試驗，得出以下結論。

（1）水性環(huán)氧樹脂能夠改善乳化瀝青的力學性能，其抗拉、抗剪強度均大于普通乳化瀝青及4%SBS改性乳化瀝青。因此，作為黏層材料，水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青具有足夠的優(yōu)勢。

（2）環(huán)氧樹脂的摻量對乳化瀝青黏結性能具有顯著的影響，黏層材料的抗剪、抗拉強度隨其摻量增加而提高，而極值位移隨其摻量的增加而減小。因此，推薦環(huán)氧樹脂的摻量為10%～20%。

（3）溫度對水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的黏結性能具有顯著影響：溫度升高，黏層材料的抗拉、抗剪強度減小。

（4）層間接觸情況對水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的黏結性能具有一定影響：剪切試驗中，由于層間粗糙試件受接觸面摩阻力的影響，抗剪強度和相應極值位移均顯著大于層間光滑的情況；但層間接觸形式對抗拉強度及相應極值位移的影響較小。