水性環(huán)氧新型冷補(bǔ)瀝青混合料的性能對比分析*

趙富強(qiáng) 王素青 路國棟 張爭奇 張 偉

(陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司1) 西安 710065) (長安大學(xué)公路學(xué)院特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室2) 西安 710064) (陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院3) 西安 710063)

0 引 言

冷補(bǔ)瀝青混合料與路面黏結(jié)性好，且工作性能優(yōu)良，能夠克服熱補(bǔ)材料修補(bǔ)坑槽的局限性，是路面坑槽等病害修補(bǔ)的最佳材料[1-2].目前國內(nèi)外對冷補(bǔ)材料做了大量的研究和應(yīng)用，取得較為顯著成果，但仍存在不足之處：①國內(nèi)市場上冷補(bǔ)料產(chǎn)品性能不足或不穩(wěn)定，強(qiáng)度形成速度慢，早期強(qiáng)度低[3-4]；②對冷補(bǔ)瀝青材料的研究不夠全面系統(tǒng)，其性能評價方法和技術(shù)指標(biāo)不統(tǒng)一，且缺乏相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定.研究表明，將環(huán)氧樹脂材料用于改性瀝青，可以增強(qiáng)瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性,以及水穩(wěn)定性，同時環(huán)氧樹脂水性化的應(yīng)用也使其相容性得到了改善[5]，有助于協(xié)調(diào)冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度與施工和易性的矛盾.

文中通過摻加水性環(huán)氧樹脂乳液對普通溶劑型冷補(bǔ)材料進(jìn)行性能改善研究，根據(jù)冷補(bǔ)混合料的使用場合和水性環(huán)氧冷補(bǔ)瀝青混合料的技術(shù)特點，提出冷補(bǔ)瀝青混合料試驗方法，通過室內(nèi)試驗評價新型冷補(bǔ)材料的性能改善效果并推薦水性冷補(bǔ)環(huán)氧瀝青混合料的摻配比例和使用建議，并對其強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行分析.

1 原材料技術(shù)性能

普通冷補(bǔ)瀝青混合料是由礦質(zhì)集料和冷補(bǔ)膠結(jié)料，通過一定機(jī)械拌合或人工攪拌工藝而成.冷補(bǔ)液主要成分有基質(zhì)瀝青、稀釋劑、增粘劑和防水劑，本文選用SK-90#石油瀝青以及0#輕柴油作為基質(zhì)瀝青和稀釋劑.

添加劑對冷補(bǔ)液的性能有重要影響，選擇課題組自主研制的ZH冷補(bǔ)料和由成品改性劑制備的LBR冷補(bǔ)料以作研究.ZH型冷補(bǔ)瀝青中m(瀝青)∶ml(稀釋劑)∶ml(增粘劑)∶ml(抗剝落劑)=100∶25∶5∶0.5；LBR冷補(bǔ)液中m(瀝青)∶ml(稀釋劑)∶ml(添加劑)=77∶20∶3[6].

選用水性EP-20乳液作為環(huán)氧乳液；固化劑采用兩種經(jīng)過化學(xué)改性的聚酰胺類固化劑，與環(huán)氧樹脂乳液相容性好，并且能夠在常溫條件下進(jìn)行固化反應(yīng),技術(shù)指標(biāo)見表1，擬定的2種水性環(huán)氧組分構(gòu)成及摻配比例方案見表2，即固化劑用量(100 g環(huán)氧乳液)=樹脂環(huán)氧值×活潑氫當(dāng)量.

表1 水性環(huán)氧組分技術(shù)指標(biāo)

表2 水性環(huán)氧組分構(gòu)成及摻配方案 g/100 g環(huán)氧乳液

粗集料選用中性的閃長巖，與瀝青粘附性較好，且強(qiáng)度較高、耐磨性好、顆粒均勻，細(xì)集料為有良好級配的機(jī)制砂，填料為磨細(xì)的石灰石礦粉，試驗中選用的級配見表3，同時按照馬歇爾試驗方法確定了冷補(bǔ)料的最佳油石比，ZH型為4.4%，LBR則為4.5%.

表3 礦料級配設(shè)計

2 冷補(bǔ)瀝青混合料性能評價方法

作為填充坑槽的冷補(bǔ)料，首先必須具有良好的儲存穩(wěn)定性和施工和易性，同時也要具有良好的路用性能.本文將冷補(bǔ)混合料袋裝密封存儲，以其施工和易性、初始強(qiáng)度和黏聚性研究其合理存儲期限.

將松散冷補(bǔ)料置于5 ℃低溫箱中24 h，觀察其是否結(jié)塊，并用鐵鏟拌和以評價其和易性.

冷補(bǔ)瀝青混合料應(yīng)具備一定的黏結(jié)性和黏聚性.本文對文獻(xiàn)[7]中的飛散試驗方法進(jìn)行改進(jìn)[8]，即將一定量新拌冷補(bǔ)料在15 ℃雙面擊實50次，一組試件的數(shù)量均為四個(若無特殊說明，試驗中平行試驗均為四組)，再將試件在15 ℃恒溫箱中養(yǎng)生4 h，放入洛杉磯磨耗機(jī)旋轉(zhuǎn)撞擊100次，以試件飛散損失率為黏結(jié)性評價指標(biāo).

冷補(bǔ)混合料的強(qiáng)度包含初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度兩方面.初始強(qiáng)度是稀釋劑少量揮發(fā)后所具備的強(qiáng)度，試件應(yīng)該經(jīng)過短期空氣養(yǎng)生后再進(jìn)行試驗.因此將試件雙面擊實25次之后連同試模在25 ℃恒溫箱中通風(fēng)養(yǎng)生6 h，再雙面擊實25次，脫模后在(25±1) ℃恒溫水槽中養(yǎng)生30 min立即測試穩(wěn)定度[9].

對于水性環(huán)氧瀝青冷補(bǔ)混合料來說，由于水性環(huán)氧組分的存在，使得混合料的強(qiáng)度形成過程成為稀釋劑揮發(fā)、環(huán)氧組分的水分喪失、固化強(qiáng)化的過程，期間溫度對其影響很大[10].所以本文以稀釋劑的揮發(fā)質(zhì)量趨于穩(wěn)定，以及足夠的壓實度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)來確定合理養(yǎng)生溫度[11]：第一階段是在溫度80 ℃的環(huán)境中養(yǎng)生24 h，再將溫度升至110 ℃繼續(xù)養(yǎng)生6 h，當(dāng)試件揮發(fā)質(zhì)量趨于穩(wěn)定時，按照規(guī)范測試穩(wěn)定度[12-13].

分別采用浸水馬歇爾法、凍融劈裂法評價新型冷補(bǔ)料的抗水損性.通過車轍試驗評價新型冷補(bǔ)材料的高溫穩(wěn)定性與抗永久變形能力，通過烘箱養(yǎng)生和二次碾壓成型車轍板試件，每組混合料平行試驗三個試件：首先將新拌冷補(bǔ)料裝入試模，用輪碾儀往返碾壓八次，然后按照修正成型條件進(jìn)行養(yǎng)生，再將試件往返碾壓四次.壓實成型后繼續(xù)在室溫通風(fēng)放置7 d后，再進(jìn)行后續(xù)試驗.

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 冷補(bǔ)混合料的和易性和存儲性能

按照以上試驗條件，將不同類型和配比的冷補(bǔ)混合料通過袋裝密封存儲，冷補(bǔ)混合料中兩種環(huán)氧組分摻量均按1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))外摻，環(huán)氧樹脂與固化劑按3∶1(質(zhì)量比)摻配，冷補(bǔ)料的存儲試驗結(jié)果見圖1.

圖1 冷補(bǔ)瀝青混合料的存儲性能

對于ZH，LBR等普通溶劑型冷補(bǔ)混合料，通過袋裝密封存儲后，其性能穩(wěn)定地保持在一定水平，其初始強(qiáng)度隨時間變化緩慢上升，存儲兩個月后僅增長0.2～0.3 kN，且無明顯結(jié)塊；而飛散損失量在一定范圍波動，不超過20%，可能是由于稀釋劑的少量揮發(fā)造成的.

通過水性環(huán)氧組分對冷補(bǔ)混合料進(jìn)行改性后，ZH①型冷補(bǔ)料能夠保持優(yōu)良的存儲穩(wěn)定性，其初始強(qiáng)度在兩個月后增長約0.45 kN，而黏結(jié)性能基本未發(fā)生變化，密封儲存兩三個月未出現(xiàn)較多結(jié)塊.LBR②型冷補(bǔ)料儲存20 d后，初始強(qiáng)度迅速升高，黏結(jié)性能逐漸變差，混合料中出現(xiàn)許多較大結(jié)塊，對其施工和易性有較大影響.混合料中少量的水分和油分揮發(fā)后，環(huán)氧組分②較早發(fā)生反應(yīng)，其固化適用期較短，存貯期限僅為15～20 d，不適宜較長時間儲存.若在儲存過程中，混合料出現(xiàn)固化結(jié)塊后應(yīng)廢棄，不能繼續(xù)進(jìn)行工程應(yīng)用.

3.2 水性環(huán)氧新型冷補(bǔ)材料強(qiáng)度試驗結(jié)果

冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖2，由圖2可知，不同類型的冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度值均介于2.0～3.0 kN之間，冷補(bǔ)料在使用初期，由于輕質(zhì)組分揮發(fā)量極少，冷補(bǔ)瀝青自身黏度較低，混合料內(nèi)黏聚力較小，因而試件強(qiáng)度普遍比較低，但基本能滿足開放交通需求.

圖2 環(huán)氧摻量與冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度關(guān)系

新型冷補(bǔ)料的初始強(qiáng)度隨水性環(huán)氧組分摻量增加顯著升高.環(huán)氧組分的摻入增加了冷補(bǔ)瀝青液的黏度，能夠給瀝青與礦料以及礦料與礦料之間提供較強(qiáng)的黏結(jié)力，早期強(qiáng)度有很好改善.摻加②型環(huán)氧組分的冷補(bǔ)料，其初期強(qiáng)度隨摻量增長比①型環(huán)氧組分快，說明②型組分對早期黏結(jié)力的貢獻(xiàn)大于①型，冷補(bǔ)料養(yǎng)生成型后更有利于交通的開放.與對照組相比，當(dāng)環(huán)氧組分摻量為1.8%時，各冷補(bǔ)混合料初期強(qiáng)度增大0.6～0.8 kN.

冷補(bǔ)瀝青混合料的成型強(qiáng)度按照修正馬歇爾法測試，試驗結(jié)果見圖3.

圖3 環(huán)氧摻量與冷補(bǔ)料成型強(qiáng)度關(guān)系

在冷補(bǔ)瀝青液中摻加環(huán)氧組分，冷補(bǔ)混合料的強(qiáng)度都有很大改善，隨環(huán)氧摻量的增加，成型強(qiáng)度快速增長.當(dāng)水性環(huán)氧組分摻量為1.2%時，試件成型強(qiáng)度超過8.0 kN，能達(dá)到熱拌混合料的強(qiáng)度要求.試件成型與烘箱養(yǎng)生過程中，混合料中的稀釋劑大量揮發(fā)，水性環(huán)氧樹脂乳液快速破乳，交聯(lián)固化作用使“殘留瀝青”性質(zhì)發(fā)生變化[14]，混合料的內(nèi)黏聚力迅速提高，故而成型強(qiáng)度有較大改善.

兩種環(huán)氧組分對冷補(bǔ)混合料的強(qiáng)度改性作用不同，當(dāng)環(huán)氧組分摻量為1.2%時，②型水性環(huán)氧冷補(bǔ)料成型強(qiáng)度平均增長17.8%，初始強(qiáng)度增長17.0%，而①型分別為20.2%和12.1%.當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量增至1.8%時，②型水性環(huán)氧冷補(bǔ)料成型強(qiáng)度和初始強(qiáng)度分別增長35.7%，36.1%，①型則分別為47.2%和23.3%.相比較而言，②型環(huán)氧組分對冷補(bǔ)混合料初始強(qiáng)度改善更明顯，主要是由于冷補(bǔ)液黏度較高，混合料初期黏結(jié)性更好；而①型組分則對成型強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大，其固化產(chǎn)物韌性優(yōu)良且具有較好的力學(xué)性質(zhì)，對冷補(bǔ)材料的后期性能改性作用更加突出.

固化劑用量對強(qiáng)度試驗結(jié)果的影響見圖4.由圖4可知，四種冷補(bǔ)料的成型強(qiáng)度變化趨勢相近，隨固化劑用量的增加，強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)環(huán)氧乳液和固化劑(質(zhì)量比)在100∶30～100∶35時，成型強(qiáng)度達(dá)到峰值，故兩種環(huán)氧組分的質(zhì)量比配比為3∶1.

圖4 固化劑用量對冷補(bǔ)混合料強(qiáng)度的影響

3.3 水性環(huán)氧新型冷補(bǔ)混合料的水穩(wěn)性能

采用凍融劈裂試驗來評價冷補(bǔ)瀝青混合料的水穩(wěn)性，各類型冷補(bǔ)混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果見圖5.

各類型冷補(bǔ)材料經(jīng)過一次凍融循環(huán)，其劈裂強(qiáng)度比都大于80%，水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求.另外，隨水性環(huán)氧組分摻量的增加，冷補(bǔ)混合料的劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比均逐漸增大，說明水性環(huán)氧組分能增強(qiáng)冷補(bǔ)混合料的黏結(jié)性能，有助于改善其抗水損害能力.

摻加②型環(huán)氧組分的冷補(bǔ)料，其劈裂強(qiáng)度小于摻加①型的冷補(bǔ)混合料，但凍融后的劈裂強(qiáng)度比卻相反，即②型水性環(huán)氧組分對水穩(wěn)性能的改善效果更顯著.原因可能是②型組分能與冷補(bǔ)瀝青液很好相溶，混合料拌和后與礦料裹附更緊密，且HGA固化劑與環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物的耐水性能優(yōu)于HGC，使得水性環(huán)氧冷補(bǔ)液的抗水剝離性能也有明顯提升.①型環(huán)氧組分能有效增強(qiáng)冷補(bǔ)料的穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度等力學(xué)性能，而②型組分則對改善冷補(bǔ)料的水穩(wěn)性能更加突出.所以，在用水性環(huán)氧材料對冷補(bǔ)料性能改善時，可以根據(jù)需要，選擇合適的環(huán)氧組分對冷補(bǔ)料進(jìn)行性能補(bǔ)強(qiáng).

圖5 冷補(bǔ)混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果

3.4 水性環(huán)氧新型冷補(bǔ)混合料的高溫穩(wěn)定性試驗

冷補(bǔ)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性按照改進(jìn)的車轍試驗法進(jìn)行評價，車轍試驗結(jié)果見圖6.

圖6 環(huán)氧摻量與冷補(bǔ)料高溫性能關(guān)系

由圖6可知，普通冷補(bǔ)混合料動穩(wěn)定度均相對偏低，只有300～400次/mm，而隨環(huán)氧組分摻量增大，冷補(bǔ)料的動穩(wěn)定度逐漸增大，車轍深度逐漸減小.環(huán)氧組分本身是熱固性樹脂材料，與固化劑交聯(lián)反應(yīng)生成的固化產(chǎn)物能夠使瀝青材料在高溫環(huán)境保持較好的穩(wěn)定性.當(dāng)環(huán)氧組分摻量達(dá)到一定量，固化反應(yīng)產(chǎn)物分布均勻，與瀝青顆粒緊密接觸，冷補(bǔ)料動穩(wěn)定度有明顯提升，達(dá)到450次/mm以上；摻量繼續(xù)增加，動穩(wěn)定度可達(dá)到800次/mm，其高溫抗變形能力顯著增強(qiáng).故推薦冷補(bǔ)瀝青液中環(huán)氧樹脂摻量質(zhì)量比為1.2～1.8%.另外，通過兩種類型的環(huán)氧組分對比發(fā)現(xiàn)，①型環(huán)氧組分對冷補(bǔ)料高溫性能的改善作用優(yōu)于②型環(huán)氧組分，其固化物韌性相對較好，使冷補(bǔ)混合料的高溫抗塑性變形能力更佳.

3.5 冷補(bǔ)瀝青混合料的黏結(jié)性能

采用修正飛散試驗測試新型冷補(bǔ)材料的黏結(jié)性能，試驗結(jié)果見圖7.從試驗結(jié)果可知，水性環(huán)氧樹脂摻量對冷補(bǔ)材料的黏結(jié)性能影響不顯著，試件飛散損失量均小于20%，新型水性環(huán)氧冷補(bǔ)混合料的黏結(jié)性可滿足施工要求.修正飛散試驗僅能評價集料與冷補(bǔ)瀝青之間的黏結(jié)性，并不能反映冷補(bǔ)混合料與舊有路面的黏結(jié)性.冷補(bǔ)料主要是應(yīng)用于坑槽的快速修補(bǔ)，對坑槽開槽后，徹底清掃干凈，沒有積水、松散顆?；蛘唠s物，保證坑槽處于干燥或者潮濕狀態(tài)，攤鋪冷補(bǔ)混合料之前，在坑槽的四壁及底部均勻地涂灑一層熱瀝青或乳化瀝青，再進(jìn)行回填壓實.

圖7 環(huán)氧摻量與冷補(bǔ)料黏結(jié)性關(guān)系

4 水性環(huán)氧新型冷補(bǔ)混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理

與熱拌混合料及普通冷補(bǔ)混合料相比，水性環(huán)氧新型冷補(bǔ)材料中摻有稀釋劑以及環(huán)氧組分，反應(yīng)隨稀釋劑緩慢揮發(fā)和固化反應(yīng)逐步進(jìn)行，其黏聚力與內(nèi)摩阻角會不斷發(fā)生變化，冷補(bǔ)混合料從拌和、攤鋪到碾壓成型逐步形成強(qiáng)度.

冷補(bǔ)混合料在拌和存儲過程中，冷補(bǔ)瀝青液與集料經(jīng)充分拌和，一部分冷補(bǔ)液與礦料裹附形成結(jié)構(gòu)瀝青，多余部分則成為自由瀝青.在此階段，①型環(huán)氧組分受到稀釋劑的分散抑制作用，基本不發(fā)生固化反應(yīng)，存儲穩(wěn)定性較好，②型環(huán)氧組分內(nèi)長期存儲時隨著水分和油分的揮發(fā)，和易性和存儲性受到影響.此時，固化反應(yīng)還未開始，常溫下稀釋瀝青黏度比較小，混合料的黏聚力較低.且混合料不受外力作用，礦物顆粒間僅靠多余的自由瀝青聯(lián)結(jié)，顆粒接觸面積很小，未形成結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩阻角比較小.冷補(bǔ)混合料不會黏結(jié)成塊，處于良好的松散狀態(tài)，保證其施工和易性和初期可操作性.

當(dāng)冷補(bǔ)混合料經(jīng)攤鋪碾壓后，在施工機(jī)械碾壓作用下，集料顆粒重新排列，顆粒之間瀝青膜減薄，接觸面積逐漸增加，內(nèi)摩阻角逐漸增大，能夠形成較為穩(wěn)定的顆粒嵌擠結(jié)構(gòu).但此時稀釋劑尚未完全揮發(fā)，環(huán)氧組分的固化反應(yīng)還沒有充分進(jìn)行，對冷補(bǔ)料的初期性能改善不明顯，僅起到部分增粘作用，強(qiáng)度主要來自于粗集料間內(nèi)摩阻力.

開放交通后，在車輛荷載累積效應(yīng)作用下不斷被壓實，其密實度會進(jìn)一步提高；同時在稀釋瀝青的潤滑作用下，混合料顆粒間的排列會更加緊密，骨架嵌擠作用使內(nèi)摩阻角升至最大值.另外，在自然環(huán)境條件如溫度、風(fēng)速等作用下，冷補(bǔ)液中的稀釋劑和水分逐漸揮發(fā)，稀釋瀝青黏度緩慢恢復(fù).由于水分揮發(fā)速度比油分快，環(huán)氧樹脂乳液破乳后，固化劑向樹脂內(nèi)部不斷滲透，反應(yīng)生成網(wǎng)狀固化交聯(lián)產(chǎn)物，使混合料的黏結(jié)力迅速提高并且不斷增大，將瀝青與礦料緊密聯(lián)結(jié)成整體，形成多級穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，混合料黏結(jié)力緩慢升至峰值，與混合料中集料的內(nèi)摩阻力一起構(gòu)成最終強(qiáng)度.

5 結(jié) 論

1) 在兩種普通溶劑型冷補(bǔ)混合料中摻入水性環(huán)氧組分后，冷補(bǔ)混合料的初始強(qiáng)度與成型強(qiáng)度、水穩(wěn)性能、高溫性能和黏結(jié)性都有顯著改善，并隨環(huán)氧樹脂摻量增加，改性效果愈加明顯.綜合環(huán)氧組分對冷補(bǔ)瀝青液及其混合料的影響，環(huán)氧組分摻量質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜控制在1.2%～1.8%，水性環(huán)氧樹脂與固化劑最佳質(zhì)量比宜采用3∶1.

2) 環(huán)氧組分EP-20+HGC在冷補(bǔ)材料中的固化適用期較長，對冷補(bǔ)料的成型強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、高溫性能改善效果較好，存儲穩(wěn)定性較好，可用于生產(chǎn)需要長時間儲存的冷補(bǔ)瀝青混合料.

3) 經(jīng)環(huán)氧組分EP-20+HGA改性的冷補(bǔ)混合料初始強(qiáng)度和水穩(wěn)性能較好，且混合料的強(qiáng)度成型速度更快，但其適用期較短，不適合于長時間存儲，該法可用于坑槽的應(yīng)急性修補(bǔ).

4) 水性環(huán)氧組分構(gòu)成不同，對溶劑型冷補(bǔ)混合料的改性效果不同，在實際養(yǎng)護(hù)工程中，應(yīng)根據(jù)溶劑型冷補(bǔ)材料的性能缺陷及養(yǎng)護(hù)需求選擇適宜的水性環(huán)氧組分進(jìn)行改善.