水性環氧樹脂/SBR 復合改性乳化瀝青制備及微表處性能評價

■游培鈞

（福建新路達交通建設監理有限公司，南平 353000）

微表處是一種常用的路面預防性養護技術，對于路面早期病害問題有良好的處治效果[1]。 它是通過將稀漿混合料攤鋪在原路面上而形成的薄層罩面[2]。 工程實踐經驗表明，微表處對輕度車轍病害和細微裂縫有良好修復效果，同時可提高路面的耐磨耗和抗滑性能[3-4]。 鑒于以上優勢，微表處已經在國內外瀝青路面養護工程中得到了廣泛應用[5-6]。

目前， 微表處常用的SBR 改性乳化瀝青可改善微表處低溫抗裂性能， 但是對高溫性能的作用效果并不明顯。 此外，還存在粘結強度低，易導致微表處集料松散剝落和層間剪切滑移等問題，難以達到預期的養護效果[8]。水性環氧樹脂是對環氧樹脂做水性化處理而得到的一種環保型新材料，在與固化劑混合后，經過水分蒸發、粒子聚結、固化劑擴散、交聯固化反應，可形成具有良好粘結性能的三維網狀交聯結構，具有良好的黏結力、強度和高溫穩定性， 近年來被越來越多地應用于道路工程領域， 將其與SBR 改性乳化瀝青復配有望獲得更好的使用性能[9]。

本研究依托南平松建高速公路路面預防性養護工程項目，開展微表處材料設計研究，旨在為工程應用提供參考依據。通過在SBR 改性乳化瀝青中摻加水性環氧樹脂，制備復合改性乳化瀝青，開展試驗研究其對微表處施工性能和路用性能的影響。

1 原材料和方法

1.1 原材料

SBR 改性乳化瀝青的技術指標見表1。

表1 SBR 改性乳化瀝青技術指標

水性環氧體系包括水性環氧樹脂 （A 組分）和固化劑（B 組分）兩個組分，技術指標見表2。

表2 水性環氧體系技術指標

粗細集料和礦粉的技術指標見表3。 采用普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），摻量為0.2%。 水起到潤濕集料表面的作用，同時影響稀漿混合料的稠度和密實度，采用自來水。

表3 粗細集料和礦粉技術指標

1.2 復合改性乳化瀝青制備

復合改性乳化瀝青的主要制備步驟如下：將水性環氧樹脂與固化劑按照2∶1 的質量比例拌合均勻后，加入到SBR 改性乳化瀝青中，并以2 000 r/min的速率高速攪拌10 min， 得到復合改性乳化瀝青。設置水性環氧體系摻量分別為SBR 改性乳化瀝青質量的4%、8%、12%、16%。通過直接加熱法測試復合改性乳化瀝青蒸發殘留物的三大指標和旋轉薄膜烘箱短期老化后指標。

1.3 配合比設計

采用我國常用的MS-3 型級配， 級配曲線見圖1。根據1 h 濕輪磨耗試驗和負荷車輪粘砂試驗，確定油石比范圍為6.5%～8.5%。 同時考慮到混合料的施工性和經濟性，確定最佳油石比為7.0%。

圖1 微表處混合料級配曲線

1.4 試驗方法

1.4.1 拌合試驗

依據T0757-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（以下簡稱《規程》）進行微表處混合料拌合試驗。 在拌合過程中，當混合料開始變稠，拌和產生明顯阻力時，表明乳化瀝青開始破乳，此時對應的拌合時間即為可拌合時間。

1.4.2 粘聚力試驗

粘聚力試驗主要用于評價微表處的早期強度，評價指標為微表處混合料30 min 和60 min 粘聚力。 根據試件破損狀態劃分為4 種情況：完全成型、中度成型、初級成型和未成型，詳見《規程》。

1.4.3 濕輪磨耗試驗

按照《規程》開展1 h 濕輪磨耗試驗，根據公式（1）計算濕輪磨耗值，評價微表處的耐磨耗性能。此外，為研究微表處混合料的水穩定性能，將試件25℃水浴浸水時長分別延長到1、3、6、9、12 d，分析濕輪磨耗值隨浸水時長的變化規律。

式中：WTAT 為濕輪磨耗值；ma為試件在磨耗試驗前的質量；mb為試件在磨耗試驗后的質量；A 為磨耗面積。

1.4.4 負荷車輪碾壓試驗

采用負荷車輪碾壓試驗評價微表處混合料抗車轍性能， 評價指標為車轍深度率和寬度變形率，具體試驗方法和評價指標計算方法參見《規程》。

2 結果與分析

2.1 復合改性乳化瀝青性質

由表4 可知， 當水性環氧體系摻量從0%增加至16%時，復合改性乳化瀝青的針入度由54.2℃降低到46.2℃，延度由39.5 cm 降低到28.4 cm，軟化點由57.1℃增加到73.1℃， 短期老化后殘留物的質量變化由0.93%降低到0.31%， 針入度比由50.1%增加到68.7%，說明水性環氧使得改性乳化瀝青高溫穩定性和抗老化性能得到增強，但是可能會對低溫性能造成不利影響。

表4 復合改性乳化瀝青技術指標

2.2 施工性能

由圖2 可知，隨著水性環氧體系摻量和外加水量的增大，微表處混合料含水量不斷增加，使得瀝青破乳時間推遲，可拌合時間得到延長。 我國《微表處和稀漿封層技術指南》（以下簡稱《指南》）要求可拌合時間不少于120 s。 當水性環氧摻量低于8%，且外加水量低于7%時，可拌合時間不能滿足要求。當外加水量達到7%時， 可拌合時間均大于120 s，繼續增加用水量雖然能進一步延長可拌合時間，但是會造成破乳時間過長， 導致開放交通時間延遲，因此本研究采用7%作為外加水量。

圖2 微表處混合料可拌合時間測試結果

微表處30 min 和60 min 粘聚力測試結果見圖3。 未摻加水性環氧樹脂時，微表處30 min 粘聚力達到1.4 N·m，60 min 粘聚力達到2.1 N·m，說明微表處粘聚力隨時間增加，在60 min 時開始初步成型。 摻加水性環氧樹脂后，微表處30 min 粘聚力逐步下降，說明水性環氧樹脂對微表處早期強度產生了不利影響，這是因為水性環氧樹脂增加了混合料含水量，破乳速度降低，使得其30 min 粘聚力降低。隨著時間的延長，水性環氧樹脂開始固化，乳化瀝青逐漸破乳，使得60 min 粘聚力得到提高。 水性環氧體系摻量達到12%時，60 min 粘聚力值為2.3 N·m，微表處為中度成型狀態。 《指南》中規定，微表處的30 min 和60 min 粘聚力值分別不應低于1.2 N·m和2.0 N·m。從圖3 可知，60 min 粘聚力值都能滿足《指南》要求，但是30 min 粘聚力則在水性環氧樹脂摻量達到16%時低于《指南》要求，因此應將水性環氧體系摻量控制在16%以下。

圖3 微表處混合料粘聚力試驗結果

2.3 耐磨耗性能

由圖4 可知，1 h 濕輪磨耗值越大，說明微表處越容易剝落，耐磨耗能力越差。 根據指南要求，微表處試件1 h 濕輪磨耗值不應超過540 g/m2， 測試結果均滿足這一要求。 當水性環氧體系摻量從0%增加到8%時，1 h 濕輪磨耗值不斷降低， 說明微表處耐磨耗性能得到改善。 水性環氧樹脂的交聯固化產物使得瀝青被分隔嵌固在三維網絡結構中，增強了改性乳化瀝青的空間穩定性及與集料的界面黏附性能， 從而降低了車輪荷載對微表處表面的磨耗。水性環氧體系摻量為8%時，1 h 濕輪磨耗值最小，微表處耐磨耗性能最好。 隨后，繼續增加水性環氧摻量，反而會造成1 h 濕輪磨耗值增大，這是因為水性環氧摻量過高導致改性乳化瀝青變脆，微表處混合料容易發生脆斷，耐磨耗性能降低。

圖4 微表處混合料1 h 濕輪磨耗值試驗結果

2.4 水穩定性

由圖5 可知，隨著浸水時長的增加，濕輪磨耗值不斷增大，而增長幅度則在逐漸減小。 摻加水性環氧后，濕輪磨耗值明顯減小，說明水性環氧樹脂提高了微表處的水穩定性。 水性環氧樹脂提高了瀝青在水環境中的抗剝落能力，其固化產物的三維網狀結構增加了瀝青的黏度和強度，約束了瀝青分子的流動和水分向試件內部的遷移滲透過程，微表處混合料水穩定性得到提高。水性環氧摻量為8%時，濕輪磨耗值達到最小值，微表處水穩定性最好。

圖5 濕輪磨耗值隨浸水時長變化規律

2.5 抗車轍性能

從圖6 可知， 隨著水性環氧體系摻量的增加，寬度變形率和車轍深度率不斷降低，說明水性環氧樹脂增強了微表處混合料抗車轍能力。 這是因為水性環氧樹脂固化產物的空間網狀結構使得混合料的剛度和抗變形能力提升， 水性環氧體系摻量越大，該網狀結構密度就越大，對車輪荷載產生的豎向壓應力和橫向拉應力的抵抗能力越強，因此寬度變形率和車轍深度率隨水性環氧體系摻量的增加呈現下降趨勢。

圖6 微表處混合料抗車轍性能

3 結論

（1）水性環氧樹脂使得改性乳化瀝青變硬變脆，瀝青的針入度和延度降低，軟化點增大，抗老化能力提高。 （2）隨著水性環氧體系摻量和外加水量的增大，微表處混合料的可拌合時間得到延長。 綜合考慮施工性和開放交通時間，推薦外加水量為7%。水性環氧樹脂會對微表處早期強度產生不利影響，應將水性環氧體系摻量控制在16%以下。 （3）隨著水性環氧體系摻量的增大，1 h 濕輪磨耗值先減小后增大，水性環氧體系摻量為8%時，微表處耐磨耗性能最好。 （4）摻加水性環氧樹脂有效增強了瀝青和集料的粘附性能，提高了瀝青在水環境中的抗剝落能力，約束了瀝青分子的流動性，提高了微表處混合料的水穩定性。 （5）摻加水性環氧樹脂使得微表處的剛度和抗變形能力增加，有效提高了微表處的抗車轍性能。