冷再生用乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂的適用性研究

裴 強

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

冷再生技術(shù)可將廢舊瀝青混合料重新再利用，避免資源浪費，保護生態(tài)環(huán)境，與其他傳統(tǒng)的施工方法相比，可節(jié)省總投資40%～50%，符合交通部關(guān)于“推進綠色交通發(fā)展”的政策導向，值得大力推廣?，F(xiàn)階段冷再生技術(shù)再生后的混合料只能用于低等級道路或低層次路面，不能用于上面層，很大程度地限制了冷再生技術(shù)的有效發(fā)揮與推廣。如果可以通過添加改性劑將冷再生技術(shù)應用于一二級公路的面層改建中，不僅可提升廢舊料的附加值，還能帶來十分顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益[1-2]。

基于水性環(huán)氧樹脂獨特的高黏結(jié)性、良好的抗變形能力、環(huán)保性，以及與乳化瀝青體系的可相容性，用該材料解決冷再生混合料性能不足的問題是切實可行的。目前市售水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青配伍性差，混合后易破乳，鑒于此，本課題組自主開發(fā)出與乳化瀝青冷再生配套的水性環(huán)氧樹脂，并研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的各項性能，為后期推廣應用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 主要原材料

表1 主要原材料情況

2 水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青相容性研究[3-4]

2.1 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的制備

首先將水性環(huán)氧樹脂于溫水浴中攪拌，將乳化瀝青按一定比例緩慢倒入，再使用剪切分散乳化機在5 000 rpm 下剪切攪拌20 min，制備出水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青。

2.2 儲存穩(wěn)定性

通過機械剪切制備水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的過程中，兩種乳液中分子鏈發(fā)生吸附、包裹，達到了一種相對穩(wěn)定狀態(tài)，這種穩(wěn)定狀態(tài)維持的時間，影響改性乳化瀝青的儲存和使用。因此，考察了共混體系的5 d 儲存穩(wěn)定性，測試結(jié)果如表2。

表2 不同水性環(huán)氧樹脂摻量對儲存穩(wěn)定性的影響

由上述結(jié)果可知，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，體系的儲存穩(wěn)定性均呈降低的趨勢，其中市售產(chǎn)品與乳化瀝青配伍性很差，體系的儲存穩(wěn)定性無法滿足規(guī)范要求（小于等于5%），而自制水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青在摻量25%以內(nèi)都可滿足規(guī)范要求。

2.3 Zeta電位研究

取不同配比的樣品備用，各樣品達到室溫平衡后，取少量上層清液稀釋500 倍后，置于外加電場中，帶電顆粒會在電場作用下定向運動，使散射光發(fā)生多普勒頻移，再通過技術(shù)分析可計算出顆粒的Zeta 電位[5]。每種樣品均進樣3 次，每次重復記錄3 次，取其平均值。結(jié)果如表3所示。

表3 不同水性環(huán)氧樹脂摻量對粒徑、Zeta 電位的影響

表3、圖1、圖2中結(jié)果表明，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青的Zeta 電位絕對值均呈降低的趨勢，顆粒平均粒徑增大，摻量超過30%后變化明顯。而自制水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青后，有效粒徑更低，Zeta 電位更高，體系更穩(wěn)定，這說明自制水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青配伍性更好，能吸附在瀝青微粒周圍，同時兩者互相包裹，導致乳液的粒徑較小，而市售水性環(huán)氧樹脂游離在體系之外，導致平均粒徑迅速增大，Zeta 電位迅速降低。

圖1 水性環(huán)氧樹脂摻量對有效粒徑的影響

圖2 水性環(huán)氧樹脂摻量對Zeta 電位的影響

3 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青黏度變化

乳化瀝青在使用過程中，工作性能對乳化瀝青的黏度提出一定要求。黏度過低會造成與集料拌合時稠度偏小，離析和乳液流失的現(xiàn)象容易發(fā)生，施工和易性也受到影響。如果乳化瀝青黏度太高，則會導致噴灑、拌合困難，因此施工技術(shù)規(guī)范要求拌合用改性乳化瀝青恩格拉黏度應滿足3～30 的要求。

本體系中水性環(huán)氧樹脂和水性固化劑在常溫下會緩慢發(fā)生交聯(lián)固化反應，導致體系的黏度處于動態(tài)變化中。為了考察水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的黏度變化，分別對水性環(huán)氧樹脂摻量為5%、15%、30%的改性乳化瀝青進行了恩格拉黏度試驗。結(jié)果見圖3、圖4所示。

圖3 自制水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青黏度變化

圖4 市售水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青黏度變化

從圖3、圖4中可以看出，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的恩格拉黏度隨著儲存時間推移在不斷增長。而水性環(huán)氧樹脂摻量越高，黏度增長越快，適用期變短。這是由于改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹脂和固化劑在常溫下共混接觸后，會緩慢發(fā)生環(huán)氧基開環(huán)并逐步形成環(huán)氧樹脂微凝膠體，導致體系黏度增長[6-7]。而水性環(huán)氧樹脂摻量越大，形成環(huán)氧樹脂微凝膠體所用時間越短，黏度增長越迅速。

當自制水性環(huán)氧樹脂摻量分別為5%、15%、30%時，改性乳化瀝青黏度增長到30，所用時間分別為9 h、7 h、4 h。而市售水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青黏度增長到30 所用時間為7 h、5 h、3 h。自制產(chǎn)品改性乳化瀝青的適用期更長，更滿足實際應用要求。

4 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的黏附性

通過對不同摻量的水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青進行黏附性測試，分析水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青在集料表面固化成膜后黏結(jié)性能和受環(huán)境影響下與集料結(jié)合的穩(wěn)定性。試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中黏附性試驗的水煮法進行測試[8]。結(jié)果如表4所示。

表4 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青黏附性等級

由表4可以看出，水性環(huán)氧樹脂的加入能顯著提升乳化瀝青與石料的黏附性[9]。主要因為水性環(huán)氧樹脂的交聯(lián)固化和乳化瀝青的破乳黏結(jié)同步進行，二者可產(chǎn)生協(xié)同效應，增強體系與集料的黏附性。而自制水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青的協(xié)同效應更好，體系黏附性提升更加明顯。當自制水性環(huán)氧樹脂摻量為30%時，可達到5 級。

5 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的力學性能

本文采用拉伸試驗來測試體系受拉破壞時的抗拉強度及斷裂伸長率，進而評價材料的強度和韌性。

拉伸試驗所用試件的成型方法為：在室溫下將一定比例的水性環(huán)氧樹脂、水性固化劑及乳化瀝青混合均勻并倒入矩形模具中，再將模具放入60 ℃的恒溫干燥箱中養(yǎng)護24 h，然后放置常溫下6 h 后脫模，把成型好的試驗樣品用切割機裁切成規(guī)范要求的形狀，使用萬能試驗機測試，結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的抗拉強度

圖6 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的斷裂伸長率

從圖5、圖6可以看出，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的加大，拉伸強度均增大，斷裂伸長率均降低。這主要是由于水性環(huán)氧樹脂的添加，增加了體系的熱固屬性，并隨著摻入量的增多，體系由瀝青為主相的熱塑性材料逐步演變?yōu)榄h(huán)氧樹脂為主相的偏熱固性材料，最終形成空間三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10-11]。當自制水性環(huán)氧樹脂摻量為15%時，改性乳化瀝青在兼顧韌性的同時，抗拉強度可達到1.5 MPa 以上，可滿足工程需要。

6 結(jié)論

自制的水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青相容性好，適用期長，可提升與石料的黏附性，當摻量為15%時，黏附性等級為4 級，抗拉強度大于1.5 MPa，斷裂伸長率61%，可賦予體系良好的抗變形能力和柔韌性，其性能完全優(yōu)于市售產(chǎn)品，能應用于一、二級公路瀝青面層的翻修改造。