環(huán)氧乳化瀝青混合料路用性能研究與養(yǎng)護(hù)應(yīng)用

閆功亮

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

隨著我國交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，劇增的交通量及軸載降低了路面的使用壽命，采用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)對路面進(jìn)行維修與養(yǎng)護(hù)是延長道路使用壽命的重要手段。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)指在路面未出現(xiàn)破壞或者出現(xiàn)較小的破壞時進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)維修，相對于路面加鋪技術(shù)具有成本低、效益高、維修簡單等優(yōu)勢，現(xiàn)階段在我國各級公路上均有試用。在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)中，罩面材料的選取將直接影響罩面層的養(yǎng)護(hù)性能。隨著科技的進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)了多種優(yōu)異的罩面材料，其中水性環(huán)氧樹脂是一種較好的選擇[1]。水性環(huán)氧樹脂體系具有在潮濕或室溫的條件下固化、固化時間合理、固化產(chǎn)物具有較高交聯(lián)密度、化學(xué)穩(wěn)定性好和高黏性等優(yōu)點，可用其來改性乳化瀝青，從而改善乳化瀝青混合料的路用性能。本文將以環(huán)氧乳化瀝青作為薄層罩面并對其進(jìn)行性能測試。

1 原材料

1.1 原材料技術(shù)指標(biāo)

采用韓國GS90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1；乳化劑采用北京生產(chǎn)的陽離子乳化劑，其物理指標(biāo)見表2；水性環(huán)氧樹脂采用天津生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂HY-R，由雙酚A型環(huán)氧樹脂自乳化而得，其性能指標(biāo)見表3；固化劑為水溶性改性聚酰胺，其性能指標(biāo)如表4所示。

表1 GS90#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 陰離子乳化劑技術(shù)指標(biāo)表

表3 環(huán)氧樹脂的性能指標(biāo)表

表4 固化劑性能指標(biāo)表

1.2 環(huán)氧乳化瀝青的制備

環(huán)氧乳化瀝青的制備方法按乳化、改性的順序不同有三種制備方法：先改性后乳化、先乳化后改性、邊改性邊乳化[2]。基于前人研究成果可知三種制備方法制備成品差異不大。基于簡單原則本文采用先乳化后改性的方法制備。開始制備前先將乳化劑溶解為液態(tài)，環(huán)氧樹脂改性劑也必須溶解為液態(tài)。制備工藝程序如圖1所示。

圖1 環(huán)氧乳化瀝青的制備工序示意圖

1.3 環(huán)氧乳化瀝青固化劑摻比

固化劑摻比是環(huán)氧乳化瀝青的重要影響因素之一，本文依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)三大指標(biāo)試驗方法，針對10%摻量下環(huán)氧樹脂改性劑的不同固化劑配合比混合料進(jìn)行研究。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同固化劑摻比下的乳化瀝青蒸發(fā)殘留物三大指標(biāo)試驗結(jié)果表

由表5可知：固化劑摻比增大，其針入度、延度均呈下降趨勢，軟化點呈上升趨勢，但當(dāng)摻比達(dá)到為10∶1.5時其變化趨勢趨于平穩(wěn)，這是由于隨著固化劑摻比上升，瀝青中形成了致密的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了瀝青的高溫性能，但會造成低溫性能損傷，因此基于表5試驗結(jié)果選擇環(huán)氧樹脂與固化劑摻比10∶1.5作為試驗參數(shù)。

2 環(huán)氧乳化瀝青混合料路用性能

環(huán)氧乳化瀝青混合料作為一種薄層罩面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料，其路用性能必須滿足要求，需具有良好的抗車轍、抗剝落性能。本節(jié)針對環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行抗車轍試驗、飛散試驗、磨耗試驗來考察其路用性能。

2.1 抗車轍性能

為了研究不同環(huán)氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料的抗車轍性能的影響，進(jìn)行了抗車轍試驗。采用環(huán)氧樹脂摻量為0、10%、20%、30%、40%的改性乳化瀝青制備車轍試件進(jìn)行車轍試驗，級配如表6所示。

表6 混合料級配表

通過動穩(wěn)定度來評價其抵抗變形的能力，表7為5個試件的平均動穩(wěn)定度統(tǒng)計指標(biāo)。

表7 不同環(huán)氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料車轍試驗結(jié)果表

從表7和圖2可以看出：

圖2 不同環(huán)氧樹脂摻量乳化瀝青混合料動穩(wěn)定度變化曲線圖

(1)環(huán)氧樹脂的摻入能夠增強(qiáng)瀝青的抗車轍能力，隨著環(huán)氧樹脂的摻量由0增加到40%，混合料的動穩(wěn)定度從3 145次/mm增加到3 481次/mm，這是由于環(huán)氧樹脂能夠使瀝青混合料之間的粘結(jié)更加緊密，粘聚力變強(qiáng)從而抵抗變形的能力大幅度提高[3]。

(2)由圖2所示，環(huán)氧樹脂摻量由20%增長至30%及由30%增長至40%兩個階段，動穩(wěn)定度分別增長0.64%、0.09%，高溫抗車轍能力改善不明顯。這是因為隨著環(huán)氧樹脂逐漸增加到一定量時，混合料內(nèi)部已經(jīng)形成比較致密的結(jié)構(gòu)，抵抗變形的能力已達(dá)到峰值。

(3)整體分析最佳水性環(huán)氧樹脂摻量為25%～35%，此時的乳化瀝青混合料抵抗車轍能力較好，且持續(xù)提高環(huán)氧樹脂摻量，混合料高溫穩(wěn)定性不再繼續(xù)增長，該摻量下混合料的性能與經(jīng)濟(jì)性均最佳。

2.2 抗剝落性能

抗剝落性能是評價瀝青混合料路用性能的一個重要指標(biāo)，也是其作為養(yǎng)護(hù)性罩面層的一個重要功能，高抗剝落性能夠有效防止路面產(chǎn)生一些病害。本小節(jié)分別對不同環(huán)氧樹脂摻量的乳化瀝青混合料進(jìn)行肯塔堡飛散試驗。

本次飛散試驗共設(shè)有兩個試驗環(huán)境，即20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)飛散和60 ℃下的浸水飛散。試驗結(jié)果如圖3所示。

(a)標(biāo)準(zhǔn)飛散損失率

(1)混合料抗剝落能力隨環(huán)氧樹脂摻量提高而增強(qiáng)。由圖3可知，混合料飛散損失率曲線呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻量為20%時標(biāo)準(zhǔn)飛散損失率達(dá)到最小值，為6.33%，摻量為30%時浸水飛散損失率達(dá)到最小值，為8.73%。這是因為環(huán)氧樹脂的加入能夠使得瀝青的黏度增加，瀝青混合料整體的粘結(jié)性增強(qiáng)。

(2)由圖3可知，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量超過20%或30%時，標(biāo)準(zhǔn)飛散損失率與浸水飛散損失率均出現(xiàn)略微增大趨勢，這是由于當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻量過多時使得瀝青變軟、流動性變大，從而使瀝青混合料的整體粘結(jié)性相對減弱[4]。

(3)綜合浸水與標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗結(jié)果分析水性環(huán)氧樹脂的最佳摻量，結(jié)果表明摻量在25%～35%時飛散試驗損失率最低。

2.3 抗水損性能

在很多路面損害中，主要是由于抵抗水損失能力差，在長時間的水浸泡下，部分水分會滲入路面內(nèi)部，導(dǎo)致碎石集料與瀝青之間的粘結(jié)力下降而進(jìn)一步使得瀝青碎石集料出現(xiàn)剝落，路面出現(xiàn)破壞。現(xiàn)對環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青混合料進(jìn)行磨耗試驗檢測其抗水損能力。表8和圖4為不同環(huán)氧樹脂摻量的乳化瀝青混合料濕輪磨耗值測試結(jié)果。

表8 不同環(huán)氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料磨耗值測試結(jié)果表

圖4 不同環(huán)氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料磨耗值變化曲線圖

從試驗結(jié)果可知：

(1)由表8可以看出，隨著環(huán)氧樹脂的摻入，混合料磨耗值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。0～20%的摻量范圍內(nèi)1 h的濕輪磨耗值從590 g/m2減小至179 g/m2；6 d的濕輪磨耗值從1 100 g/m2減小至543 g/m2。20%～40%的摻量范圍內(nèi)1 h的濕輪磨耗值從179 g/m2增大至276 g/m2；6 d的濕輪磨耗值從543 g/m2增大至612 g/m2。這是因為適量的環(huán)氧樹脂能夠增強(qiáng)瀝青膜粘結(jié)強(qiáng)度，使其形成更好的骨架密實結(jié)構(gòu)，但是環(huán)氧樹脂摻量較高時，其不能完全發(fā)生固化反應(yīng)，從而減弱瀝青與集料粘結(jié)力，集料更易從混合料中剝落。

(2)由圖4可以看出隨著環(huán)氧樹脂摻量增加，混合料的抗水損害能力增強(qiáng)。當(dāng)摻量增加至40%時磨耗值增量由510 g/m2減小至336 g/m2，這是因為環(huán)氧樹脂瀝青耐久性強(qiáng)，隨著摻量的增加更能表現(xiàn)出環(huán)氧樹脂的致密性特點。

(3)從整體上分析，當(dāng)環(huán)氧樹脂的摻量為20%～30%時，瀝青混合料的抗水損害性能達(dá)到最好。

3 工程應(yīng)用

為研究環(huán)氧乳化瀝青混合料路用性能應(yīng)用效果，在出現(xiàn)剝落松散、泛油推移等病害的路面設(shè)置試驗路段，并加鋪環(huán)氧乳化瀝青混合料罩面進(jìn)行路用性能研究，采用材料摻比與前文研究環(huán)氧樹脂乳化瀝青一致。為檢驗病害路面處治后的應(yīng)用效果，針對路面的滲水性能、抗滑性能進(jìn)行施工前后對比，具體結(jié)果如表9所示。

表9 施工前后對比檢驗結(jié)果表

按照規(guī)范要求進(jìn)行現(xiàn)場試驗檢測發(fā)現(xiàn)，罩面層攤鋪均勻且平整，滲水性能得到極大提升，抗滑性能有所下降但仍滿足規(guī)范值。說明采用環(huán)氧乳化瀝青混合料進(jìn)行病害處治應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語

經(jīng)過室內(nèi)試驗及工程實際應(yīng)用效果可知：環(huán)氧乳化瀝青混合料在環(huán)氧樹脂摻量為25%～35%時路用性能提升較大，其抗車轍、抗剝落能力及抗水損能力均有大幅提高。采用環(huán)氧乳化瀝青混合料作為瀝青罩面對原路面抗?jié)B水性能提升較大，并且抗滑性能仍能滿足要求。因此該材料具有良好的瀝青路面養(yǎng)護(hù)處治研究應(yīng)用價值。