水性環氧樹脂體系對微表處混合料的改性工藝研究

張俊豪，劉俊權

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

微表處預養護技術是一種能提升路面抗滑性能及使用壽命、經濟有效、能快速恢復路面表面功能的預防性養護手段[1-3]。通常微表處結構中，瀝青與集料的黏結力提供混合料的主要強度[4-5]。現階段，微表處預養護的主要膠結料為普通乳化瀝青和SBR膠乳改性乳化瀝青。普通乳化瀝青混合料存在柔韌性差、黏結度低、溫度敏感性大、防水效果不佳等缺點；SBR改性乳化瀝青的低溫延展性較好，但其高溫性能不佳，黏韌性較差。在如今車輛超速、重載情況愈發嚴重的大環境下，高性能乳化瀝青膠結料的選擇，逐漸成為改善微表處早期病害多發問題，提升微表處使用壽命的關鍵因素。水性環氧樹脂是近年來一種新型的環境友好型路面材料，以特定的化學工藝將環氧樹脂水性化，既保留其黏結能力強的特點，又具備操作性能優異、儲存和運輸方便安全等優勢。通過水性環氧樹脂固化體系和乳化瀝青按一定比例摻配而成的水性環氧乳化瀝青，黏結性能大幅提升，又保留了較好的柔韌性、耐候性和與原路面的相容性，是一種理想的瀝青路面微表處用膠結料。不同于常規聚合物改性劑，水性環氧樹脂體系是由水性環氧乳液A和水性固化劑B雙組份發生化學交聯固化反應后發揮作用，探究水性環氧樹脂體系對乳化瀝青的改性工藝，以提升改性乳化瀝青的黏結強度及微表處混合料的耐磨耗性能是能否實現工程應用的關鍵。

1 原材料

1.1 水性環氧樹脂

選用I型水性環氧體系，即“環氧乳液A+水性固化劑B”。環氧乳液A是通過化學接枝手段獲得兩親性乳化劑，直接乳化環氧樹脂所得。環氧乳液A選用購自太原市路邦科技有限公司的水性環氧乳液，水性環氧樹脂技術要求應符合表1的規定。

表1 水性環氧樹脂技術要求

1.2 水性固化劑

環氧乳液A須輔以水性環氧固化劑（能溶于水的胺類物質），二者在室溫潮濕環境下發生化學交聯反應，固化后就改變了原來可溶可熔的性質而變成不溶不熔的空間網狀結構，形成較好的強度。水性固化劑采用自主研發的WAT-4-1，其基本性能指標見表2。環氧乳液A與WAT-4-1按質量比1∶1使用。

表2 水性環氧固化劑WAT-4-1基本性能指標

1.3 乳化瀝青

選用陽離子型SBR改性乳化瀝青，以河南漯河天龍化工有限公司的CMK-206慢裂快凝乳化劑為基礎，輔以陽離子SBR膠乳生產的乳化瀝青（60wt%，外摻SBR膠乳含量為3%），其技術要求見表3，符合《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40的規定。

表3 SBR改性乳化瀝青基本性能表

1.4 水性環氧樹脂乳化瀝青

將環氧乳液A與水性固化劑WAT-4-1按質量比1∶1復配，混合均勻；以此水性環氧混合體系作為特殊的“聚合物改性劑”對SBR陽離子乳化瀝青進行外摻改性。水性環氧樹脂乳化瀝青的技術要求應符合表4的規定。

表4 水性環氧樹脂乳化瀝青技術要求

1.5 集料（礦料）

選擇洞采玄武巖為集料，礦粉選用石灰巖，其技術指標應符合《公路瀝青路面養護技術規范》JTG 5142—2019的規定。水泥選用普通硅酸鹽水泥（標號42.5）。

1.6 水性環氧乳化瀝青的實驗室建議配合比

依據GB/T 38990—2020要求，水性環氧樹脂乳化瀝青稀漿混合料類型定為WEBS-10，級配采用JTG F40規定的MS-3型中值級配，見表5。

表5 試驗研究所用的中值級配表 %

基于各檔集料篩分結果及合成級配曲線（圖1），確定不同檔集料的質量比例如表6。

圖1 混合料合成級配曲線圖

表6 不同檔集料的質量比例表

結合工程經驗，通過稠度試驗、拌合試驗、濕輪磨耗試驗及負荷車輪試驗確定出水性環氧乳化瀝青稀漿混合料的初步配合比見表7。

表7 稀漿混合料初步配合比 g

2 水性環氧樹脂體系對稀漿混合料關鍵影響因素研究

2.1 水性環氧樹脂體系的可操作時間考察

不同于陽離子SBR膠乳改性機理，水性環氧樹脂體系是由水性環氧乳液A和水性環氧固化劑B混勻后，隨著水分揮發，環氧分子與固化劑分子接觸后逐步發生化學交聯反應而發揮作用，是“液體—凝膠—固體”的轉變過程，因此，水性環氧樹脂體系的可操作時間（使用期）是能否工程應用的關鍵。

在塑料口杯中分別稱取同等質量的環氧乳液A與水性固化劑WAT-4-1充分混勻后靜置，同時開始計時，用金屬絲在混合物里拉絲，觀察混合體系的物理狀態，直到出現不易斷裂的長細絲后停止計時，該時間為體系的凝膠時間，即可操作時間。考慮到料場及施工現場的高溫環境，使用上述方法，將盛有混合體系的塑料口杯置于60℃烘箱重復同樣過程。室溫及高溫條件（60℃）下的水性環氧樹脂體系的可操作時間如表8所示。試驗結果表明，溫度的升高，會進一步縮短體系（乳化瀝青改性劑）的使用期。

表8 不同溫度下的水性環氧樹脂混合體系的可操作時間表

2.2 水性環氧樹脂體系對乳化瀝青改性工藝的研究

基于2.1所述，受制于水性環氧樹脂體系較短的使用期及復雜的工況，該體系直接外摻改性乳化瀝青可行性較差。在拌合過程中引入水性環氧體系是對稀漿混合料進行改性的理想手段。

2.2.1 混勻摻加改性法

按合成級配對應的各檔集料的配合比例稱量總質量100 g的礦料放入拌缸，依據表7所示的初步配合比稱取適量的水泥和水拌勻潤濕，再加入8.3～9.8 g的SBR改性乳化瀝青拌合60±2 s；然后將水性環氧乳液A和水性固化劑WAT-4-1預混均勻后加入拌缸繼續拌合60±2 s后，倒出攤鋪。改變水性環氧樹脂體系的摻量，通過1 h濕輪磨耗試驗考察稀漿混合料的耐磨耗性能；通過黏聚力試驗考察水性環氧樹脂體系對混合料開放交通時間的影響，確定最佳摻量。

2.2.2 分步摻加改性法

按合成級配對應的各檔集料的配合比例稱量總質量100 g的礦料放入拌缸，依據表7所示的初步配合比稱取適量的水泥和水拌勻潤濕。將水性環氧乳液A預先加入SBR改性乳化瀝青中攪勻備用，隨后加入拌缸中拌合60±2 s；然后將乳化瀝青中環氧乳液A同等質量的水性固化劑WAT-4-1加入拌缸后繼續拌合60±2 s后，倒出攤鋪。

以上述拌合試驗確定的初步配合比為基礎，進行1 h濕輪磨耗試驗和黏聚力試驗，測得不同水性環氧體系外摻量的稀漿混合料對應的1 h濕輪磨耗值及滿足黏聚力（矩）達到2.0 N·m所用時間（表9）。考察出在不顯著延長開放交通時間前提下的最佳水性環氧體系摻量。

表9 不同水性環氧樹脂外摻量的混合料濕輪磨耗值及開放交通時間

隨著水性環氧樹脂體系的摻入，稀漿混合料的1 h濕輪磨耗值逐漸減小，而開放交通時間相比空白樣時間有所延長，且環氧體系摻入量越多，開放交通時間增長愈明顯。水性環氧改性乳化瀝青體系在接觸石料后發生破乳過程的同時，隨著水分的揮發，水性環氧體系中樹脂分子（乳液A）與固化劑分子（水性固化劑B）接觸同時發生化學交聯，兩個過程同時發生，相輔相成。環氧樹脂固化完全后形成不熔的三維空間網格結構，分布在瀝青顆粒間，與其交錯纏繞，這種復合體系相比常規瀝青膠結料強度更強，大大提升了混合料的耐磨耗性能。水性環氧體系的固化過程相比乳化瀝青破乳時間較長，也一定程度上影響了水分的揮發，且環氧體系的強度也是緩慢增長，造成稀漿混合料的開放交通時間有所延長。

通過比較兩種改性工藝對混合料耐磨耗性能及開放交通時間的影響，由表9、圖2和圖3所示，混勻摻加改性法比分步摻加改性法所制得樣品的耐磨耗性能略強，但后者的開放交通時間相比前者較短。混勻摻加改性法環氧樹脂分子會依附于固化劑分子左右，隨著水分的揮發，二者能迅速開始固化反應，能較充分地發揮水性環氧體系強度提升優勢；分步摻加法環氧乳液A和水性固化劑B在混合料拌合過程中才會相遇，不能充分接觸，造成發生固化反應的環氧樹脂固化物數量要少于實際摻入量，對乳化瀝青破乳、混合料形成強度的過程影響小于同等摻量下混勻摻加改性手段，所以開放交通時間更短，但混合料耐磨耗性能的提升遜色于混勻摻加改性法。綜合考慮成本、耐磨耗性能提升情況、對開放交通時間的延長情況等，確定水性環氧樹脂體系的最佳摻量為10wt%。兩種改性方法均能有效提升磨耗層的耐磨耗性能。

圖2 不同改性方法的混合料濕輪磨耗值與水性環氧樹脂外摻量關系對比圖

圖3 不同改性方法的混合料開放交通時間與水性環氧樹脂外摻量關系對比圖

2.3 水性環氧乳化瀝青微表處施工工藝建議

在實驗室內，少量水性環氧乳化瀝青稀漿混合料拌合工藝為2.2中所述的“兩階段拌合工藝”，即一階段SBR改性乳化瀝青將集料充分裹附；二階段水性環氧樹脂體系在裹附瀝青的集料間起“加筋”作用。

在工程應用中，此“兩階段拌合工藝”須對現有微表處攤鋪機進行改裝，即增加水性環氧體系拌合箱體及給料裝置等，成本較高。在現有微表處攤鋪機基礎上，考慮到水性環氧樹脂體系的可操作時間較短，在長運距、高溫暴曬等復雜工況條件下，將水性環氧乳液A和水性固化劑B混合均勻后加入乳化瀝青罐的方法不可行。可將水性環氧乳液A預混摻入乳化瀝青（乳化瀝青供給裝置）；而后將水性固化劑B加入添加劑箱體。

3 結語

a）常溫下，體系的可操作時間為43 min，溫度的升高，會進一步縮短體系的使用期。

b）水性環氧樹脂體系的摻入能有效提升乳化瀝青稀漿混合料的耐磨耗性能。在綜合成本、耐磨耗性能、開放交通時間等基礎上，水性環氧樹脂體系的最佳外摻量為10wt%。混勻摻加改性法、分步摻加改性法均能有效提升微表處混合料的耐磨耗性能。

c）在現有微表處攤鋪機基礎上，可將水性環氧乳液A預混摻入乳化瀝青（乳化瀝青供給裝置）；而后將水性固化劑B加入添加劑箱體以實現工程應用。