水性環氧樹脂改性泡沫瀝青冷再生混合料性能

李秀君, 高世柱, 趙麟昊, 喬向軍, 邵 晗

(1.上海理工大學 環境與建筑學院, 上海 200093; 2.包頭市市政設計研究院, 內蒙古 包頭 014030)

泡沫瀝青冷再生技術因其造價低、資源再利用等優勢不斷應用于道路維修養護工程.但近年來,路面常因泡沫瀝青冷再生混合料(CRMFB)高溫穩定性和抗水損性能不足而發生病害[1].添加外摻劑是一種改善泡沫瀝青冷再生混合料性能的有效措施,但目前常見的外摻劑以顆粒狀為主,改性后的瀝青存在發泡性能下降等問題[2].因此,探尋一種能以冷拌方式來改善CRMFB性能的外摻劑具有重要意義.

水性環氧樹脂(WER)是一種高分子化合物,能夠在室溫條件下發生聚合反應生成三維網狀結構的熱固性材料,可以有效彌補瀝青高溫穩定性不足等缺陷,其聚合產物也能改善水泥砂漿性能[3].因此,近幾年WER逐漸被用來改性乳化瀝青冷拌材料,并取得了較好的效果[4-9].為探索WER能否有效改善CRMFB的性能,本文研究了WER的摻加方式及摻量、混合料的儲存時間和儲存溫度對CRMFB性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

選擇鎮海A-70瀝青,其發泡性能見表1.為提高混合料高溫穩定性和抗水損性能,同時兼顧干縮和低溫性能,選取P·O 42.5水泥,摻量1)為1.8%.參照以剪切模量為指標的粗集料級配設計法(MAS法),設計礦料級配Z[10],并以滿足推薦級配范圍的礦料級配S為參照,合成級配見表2.銑刨料(RAP)選自某大修工程項目,新料采用玄武巖,各檔銑刨料和新料質量比為80.0∶18.2.WER包括環氧樹脂乳液(組分A)、固化劑(組分B),組分A、B的主要性能指標見表3，A、B組分的質量比為2∶1,WER固化物的主要性能指標見表4.

表1 瀝青的發泡性能

表2 礦料合成級配

表3 WER中組分A、B的主要性能指標

表4 WER固化物的主要性能指標

1)文中涉及的摻量、含量等除特別說明外均為質量分數.

1.2 試驗方案

表5為CRMFB的配合比及性能,其中：fITS為試件的劈裂強度;ITSR為干濕劈裂強度比;fUCS為無側限抗壓強度;DS為動穩定度.

表5 CRMFB的配合比及性能

試驗方案：

(1)WER摻加方式：因組分A在高溫時會發生固化,因此采用3種冷拌摻加方式,分別記為M1、M2、M3.M1為先配制WER,再與礦料、水泥和水一起加入拌和鍋中;M2為先將配制好的WER加入拌和水中,攪拌均勻后再與礦料一起加入拌和鍋內;M3為待CRMFB生產結束時,將配制好的WER加入混合料中拌和均勻.3種摻加方式均確保混合料總拌和時間一致.

(2)WER摻量：根據水性環氧樹脂摻量對瀝青類混合料性能的影響研究[11],同時兼顧經濟性,本文設定WER摻量wWER為CRMFB質量的0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%.

(3)儲存時間：混合料從拌和廠運輸至現場攤鋪壓實有一定的時間間隔.本文參照實際工程運輸時間,設置儲存時間t為0、15、30、45、60min,儲存方式為開放式.

(4)儲存溫度：溫度對WER固化反應速度、水泥水化速度、泡沫瀝青膠漿可塑性均有較大影響.因此,根據常見施工溫度,設置儲存溫度T為20、30、40℃.

用動穩定度DS(60℃)和干濕劈裂強度比ITSR來分別表征CRMFB的高溫穩定性和抗水損性能,無側限抗壓強度fUCS、抗拉強度fTSR和凍融劈裂強度比TSR分別表征混合料抗壓、抗拉和抗凍性能.

2 結果與分析

2.1 摻加方式及摻量對CRMFB性能影響

2.1.1抗水損性能

不同摻加方式和摻量下CRMFB的干濕劈裂強度比和空隙率如圖1所示.由圖1可見：對于級配S組混合料,隨著WER摻量的增加,CRMFB抗水損性能均呈現先慢后快再趨于穩定的上升趨勢;對級配Z組混合料,其抗水損性能隨WER摻量增大呈現先增大后降低的趨勢;在級配S、級配Z中wWER為1.5%、1.0%時,CRMFB的ITSR可分別增大11.8%和7.1%,滿足規范要求;CFMFB的空隙率隨WER摻量增加均呈降低趨勢.分析其原因：(1)在混合料拌和過程中,WER能夠單獨裹附松散的細集料而形成環氧樹脂膠漿,隨著水分的蒸發,生成黏結性能強、致密性高的聚合產物(見圖2);(2)水泥砂漿的空隙直徑在幾納米至幾千納米之間,因此WER能夠對水泥砂漿中較大的空隙進行填充,減少空隙數量,提高密實性;(3)WER中親水性羥基和醚基能夠吸附在水泥顆粒及水泥砂漿表面,與水泥中的Ca2+產生作用,生成交聯網絡聚合物和膠性膜,增強了水泥砂漿的致密性,但WER摻量過高,形成的膠性膜會隔斷水泥砂漿的互聯結構,影響水泥產物結構的生成,因此抗水損性能增長緩慢甚至下降[12];(4)適量WER可與瀝青膠漿形成交聯結構,對瀝青顆粒有一定嵌鎖和加筋作用,提高混合料的致密性和穩定性[13].

圖1 不同摻加方式和摻量下CRMFB的干濕劈裂強度比和空隙率Fig.1 ITSR and voidage of CRMFB under different mixing methods and dosage

圖2 WER摻入后CRMFB微觀結構圖示Fig.2 Microstructure diagram of CRMFB with WER

由圖1還可見：對比不同摻加方式CRMFB的抗水損性能,M2最佳,M1次之,M3最差.這是因為M2方式下,WER隨拌和水均勻地分布在膠結料中,提高了其在混合料中的分散性,充分發揮其對膠結料黏附性的改善作用;而M3是在混合料生產結束后加入WER,此時WER難以進入水泥膠漿與泡沫瀝青膠漿內部形成交聯緊密的聚合物,因此CRMFB性能較差.對比CRMFB的2種級配,級配Z混合料抗水損性能優于級配S混合料,且其ITSR達到最大時,WER摻量較少,這是因為級配Z在設計時充分考慮了集料的抗剪切性能和密實性,且相比于級配S,級配Z的細集料含量較少,所需的黏結劑也較少.綜上,就抗水損性能而言,建議級配S和級配Z混合料中WER的最佳摻量分別為1.5%和1.0%.

2.1.2高溫穩定性

不同摻加方式和摻量下CRMFB的動穩定度DS如圖3所示.由圖3可見：隨WER摻量增加,CRMFB的高溫穩定性(以DS表征)呈先升高后趨于穩定甚至下降的趨勢;級配S和級配Z的CRMFB中WER的最佳摻量分別為1.5%、1.0%;最佳摻量下,級配S和級配Z的CRMFB動穩定度分別提高了50.6%、34.7%.這是因為：一方面,WER能與細集料形成黏結性能強的膠漿,且與水泥砂漿和瀝青膠漿形成交聯緊密的網狀結構,提高了混合料中膠結料與集料的黏結性能;另一方面,WER為熱固性材料,且環氧固化產物具有嵌鎖效果,WER固化物穿過瀝青分子,將黏度下降的瀝青“鎖住”,阻礙瀝青分子流動,提高混合料在高溫下的黏結性能和穩定性.但WER摻量過高時,環氧樹脂在水泥產物表面成膜,影響水泥水化反應的進程,且WER固化物支撐荷載的能力小于水泥砂漿,因此,高WER摻量下CRMFB高溫穩定性不再提高甚至有所下降.下文CRMFB中WER均采用最佳摻加方式和摻量.

圖3 不同摻加方式和摻量下CRMFB的動穩定度Fig.3 Dynamic stability of CRMFB with different WER addition methods and amounts

2.2 儲存時間和儲存溫度對CRMFB性能的影響

2.2.1抗水損性能

不同儲存時間及儲存溫度下CRMFB的干濕劈裂強度比見圖4.由圖4可見：隨著儲存時間的增加,CRMFB的抗水損性能整體呈下降趨勢;30min內,混合料抗水損性能削弱較小,而45min以上,當儲存溫度為20、40℃時,混合料的抗水損性能大幅度下降,甚至不滿足規范限值ITSR=80%的要求.

圖4 不同儲存時間和儲存溫度下CRMFB的干濕劈裂強度比Fig.4 ITSR of CRMFB at different storage times and storage temperatures

WER的固化產物呈透明,不同儲存時間和儲存溫度下WER的固化過程見圖5.由圖5可見：當溫度為20℃ 時,WER固化速度慢,但隨著儲存時間的增加,混合料溫度下降明顯,泡沫瀝青膠漿結團,成型時不易壓實,影響混合料的抗水損性能[14];當溫度升高至40℃時,WER的固化速度加快,當儲存時間小于15min時,WER的固化程度仍較低,而混合料溫度的提高降低了瀝青的黏度,提高了混合料的壓實效果,抗水損性能顯著提高,但隨著儲存時間的增加,WER固化程度較高,成型試件時破壞了其交聯結構,影響膠結料性能和密實性,混合料的抗水損性能有所下降;當儲存溫度為30℃時,混合料中瀝青膠漿的結團現象較少,且當儲存時間小于45min 時,WER固化程度仍較低,混合料具有較好的抗水損性能,當儲存時間超過45min以后,水泥膠漿的硬化加劇,混合料抗水損性能則大幅降低.

圖5 不同儲存時間和儲存溫度下WER的固化過程Fig.5 Curing process of WER at different storage times and storage temperatures

2.2.2高溫穩定性

不同儲存時間和儲存溫度下CRMFB的動穩定度如圖6所示.由圖6可見：CRMFB高溫穩定性隨儲存時間增加呈加速下降趨勢;儲存溫度對混合料高溫穩定性有較大影響,其中溫度過低或過高對CRMFB高溫穩定性均有較大削弱.分析其原因：當儲存溫度為20℃時,混合料溫度隨儲存時間增加持續下降,瀝青膠結料及瀝青顆粒結團,不利于混合料壓實,而在60℃車轍試驗時,結團的瀝青膠漿軟化,降低了膠結料黏聚力和混合料的高溫穩定性,當儲存時間大于45min時,水泥漿逐漸硬化,成型過程破壞水泥膠砂結構,降低膠結料黏結性能和混合料壓實效果,混合料高溫穩定性急劇下降;當儲存溫度為40℃時,混合料溫度較高,瀝青結團現象減少,高溫穩定性提高,但當儲存時間大于30min時,WER固化程度提高,水泥漿逐漸硬化,導致混合料和易性變差,且破壞了環氧固化結構和水泥砂漿結構,高溫穩定性急劇下降.由圖6還可知,級配Z的CRMFB高溫穩定性遠優于級配S,這是因為級配Z在設計時充分考慮了骨架的抗剪切性能,當膠結料性能不佳時,骨架的抗剪作用發揮重要作用.

圖6 不同儲存時間和儲存溫度下混合料的動穩定度Fig.6 Dynamic stability of CRMFB under different storage times and storage temperatures

2.2.3其他路用性能

通過前文,確定混合料制備條件為：WER的摻加方式為M2;級配S、級配Z的CRMFB的WER最佳摻量分別為1.5%、1.0%;儲存時間為45min;儲存溫度為20、40℃.對CRMFB抗壓、抗拉和抗凍性能等路用性能進行驗證,具體試驗結果如表6所示.由表6可見,在本文提出的WER摻加方式、最佳摻量、儲存時間及儲存溫度限值內,CRMFB的抗壓、抗拉和抗凍性能均滿足規范要求.

表6 CRMFB的其他路用性能

3 結論

(1)水性環氧樹脂通過裹附松散細集料形成高黏結性的熱固性膠漿,并生成固化產物對水泥砂漿的危害空隙進行填充,對瀝青分子產生“嵌鎖”作用等方式改善了泡沫瀝青冷再生混合料的性能.

(2)水性環氧樹脂的最佳摻加方式是先將其加入拌和水中,攪拌均勻后再與礦料一起加入拌和鍋內.

(3)摻入適量的水性環氧樹脂可有效提高泡沫瀝青冷再生混合料高溫穩定性和抗水損性能,在最佳摻量和摻加方式下,級配S和級配Z混合料抗水損性能分別提高11.8%和7.1%,高溫穩定性分別提高50.6%和34.7%,同時混合料抗壓、抗拉和抗凍性能均滿足規范要求.

(4)儲存時間和儲存溫度對水性環氧樹脂改性泡沫瀝青冷再生混合料性能有較大影響,為充分發揮水性環氧樹脂的改善作用,建議混合料在45min內從拌和廠運送至現場攤鋪壓實,當施工氣溫較低或較高時,運輸時間宜控制在30min內.