基于水性環氧乳化瀝青的早強冷補料性能研究

李 毅，徐建暉，劉譽貴，陳 誠，王 杰

(1.云南建設基礎設施投資股份有限公司，云南 昆明 650217；2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400000)

1 概述

隨著我國公路里程與舊路服役年限的逐年增長，“建養并重”的養護時代已經來臨，而養護材料的研究開發對養護技術的全面發展具有重要作用。冷補料具有能耗低、排放低、施工便捷等優點，環保節能效益顯著，符合“雙碳”政策要求[1-2]。水性環氧通過固化反應可較好地提升乳化瀝青材料的力學性能，將兩者復配形成的水性環氧乳化瀝青引入冷補料中用作膠結料，可較好地提升冷補材料的路用性能[3-6]。

目前關于水性環氧乳化瀝青類冷修補材料的研究較多[7]，郝肖麗等[8]制備了一種水性環氧、乳化瀝青、水泥三者復合的快速修補材料，研究發現水性環氧可提升修補材料的致密性，并顯著提升修補混合料的后期強度及高低溫性能。崔通等[9]研究發現水性環氧樹脂摻量對水性環氧乳化瀝青三大指標、黏度、車轍因子有顯著影響，當水性環氧樹脂摻量為15%時，混合料高溫性能優異，且具有一定的低溫抗裂性能。王清洲等[10]通過微觀結構研究發現，水性環氧可提升瀝青材料的結構穩定性，當水性環氧摻量達到15%時，環氧樹脂可在瀝青內部形成三維網狀結構，以提升水性環氧乳化瀝青的高溫抗變形能力。

雖然目前關于水性環氧乳化瀝青及其混合料的相關研究較多，但受水性環氧樹脂、固化劑、乳化瀝青、改性劑等原材料種類及性能的不同，使得冷補材料的性能存在差異，如仍存在養護時間長、耐久性不足等問題，導致水性環氧乳化瀝青類冷補材料大面積推廣應用受限。本文制備一種早強型水性環氧乳化瀝青冷補料，研究水性環氧體系摻量對水性環氧乳化瀝青膠結料性能的影響，及養護時間對冷補混合料路用性能的影響，為相關研究及工程應用提供參考。

2 原材料

2.1 水性環氧樹脂

本文選用的水性環氧樹脂為基礎水性環氧樹脂與高分子改性乳液復配制得，基礎水性環氧樹脂由雙酚A型環氧樹脂經乳化得到，高分子改性乳液為市面成熟的增韌型改性乳液，兩者經攪拌均勻混合后得到本文所用水性環氧樹脂，相關技術指標如表1所示。

表1 水性環氧樹脂技術指標

2.2 水性環氧固化劑

水性環氧樹脂在固化劑作用下才發生固化交聯反應，使水性環氧樹脂具備力學性能，同時形成交聯網狀結構，實現穩固瀝青材料的目的。本文選擇一種非離子型水性改性胺加成物固化劑，具有固化速度快、力學性能優異的特點，在溫度低至10 ℃時，仍可實現快速固化，相關技術指標如表2所示。

表2 水性環氧固化劑技術指標

2.3 乳化瀝青

為保證水性環氧乳化瀝青具有較好的路用性能，本文所用乳化瀝青為高分子膠乳改性的乳化瀝青，其中高分子膠乳摻量為4%，此外還包含少量穩定劑，保證乳化瀝青的穩定性能。乳化瀝青技術指標如表3所示。

表3 乳化瀝青性能指標

3 水性環氧乳化瀝青制備及混合料成型

3.1 水性環氧乳化瀝青制備工藝

水性環氧樹脂、固化劑、乳化瀝青均為較穩定的材料體系，制備水性環氧乳化瀝青過程時僅需常規攪拌工藝即可保證各組分均勻混合，同時需要控制攪拌速度，過快攪拌時機械發熱易影響體系穩定性或促使固化反應提前進行。因此本文按照圖1所示流程制備水性環氧乳化瀝青，具體過程如下：

1)將水性環氧體系(水性環氧樹脂與固化劑)按比例外摻入乳化瀝青計算三種材料的配比，外摻比例為0%,10%,20%,30%,40%,50%，其中水性環氧樹脂與固化劑的配比按環氧當量與胺值計算得到。

2)將準備好的固化劑加入乳化瀝青中，利用分散機按1 000 rpm攪拌3 min，混合均勻后加入水性環氧樹脂，繼續攪拌2 min得到水性環氧乳化瀝青。按此工藝分別得到不同水性環氧體系外摻比例的水性環氧乳化瀝青，為后續性能評價研究做好準備工作。

3.2 冷補混合料試件成型

水性環氧乳化瀝青冷補混合料用集料配比(ECM-10)如表4所示，其中集料類型為石灰巖，礦粉為石灰巖磨細礦粉，礦粉摻量4%，水泥為市售常規P.O42.5R早強水泥，水泥摻量為50%取代礦粉用量(即礦粉與水泥各占2%)。選擇水性環氧體系摻量30%的水性環氧乳化瀝青為混合料用膠結料，根據礦料篩分結果及經驗公式：P=0.06A+0.12B+0.2C初步確定油石比為8.5%，以此基礎分別評價油石比為7.5%,8.0%,8.5%,9.0%,9.5%條件下冷補混合料的馬歇爾試件性能，并最終優選出最佳油石比為9.0%。根據表4的材料配比及9.0%的油石比成型車轍試件與馬歇爾試件，經室溫(25 ℃)養護一定時間后開展高溫車轍性能、低溫抗裂性能、水穩定性能評價。

表4 冷補混合料礦料配比

4 水性環氧乳化瀝青性能研究

4.1 黏度變化特性

為評價水性環氧體系摻量對乳化瀝青黏度特性的影響，以判讀水性環氧乳化瀝青施工可操作時間或黏結性能形成速度，本文選用布氏旋轉黏度儀測試各樣品在室溫條件下(25 ℃)的旋轉黏度，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著水性環氧體系摻量增加或時間延長，水性環氧乳化瀝青黏度總體呈增長趨勢。當水性環氧體系摻量為0%時，純乳化瀝青的黏度最低，且隨時間延長基本保持不變，微弱的變化可考慮由乳化瀝青中水分蒸發或極少部分乳化瀝青破乳引起。當水性環氧體系摻量為10%時，水性環氧乳化瀝青的黏度較純乳化瀝青產生突變，考慮原因為水性環氧體系發生固化反應，產生的交聯產物提升了水性環氧乳化瀝青的黏度。隨著水性環氧體系摻量的進一步增加，水性環氧體系固化產物逐漸形成三維網絡結構，使得水性環氧乳化瀝青黏度繼續提升。分析2 h內黏度迅速增長的原因為水性環氧體系固化反應產生的交聯作用，隨著反應逐漸完成，3 h后黏度增長逐漸放緩，此時主要是少量水性環氧體系的繼續反應及乳化瀝青破乳引起黏度增長。根據時間-黏度曲線分析表明，水性環氧乳化瀝青可操作時間隨水性環氧體系摻量的增加逐漸縮短，需要在黏度迅速增長前完成施工，因此從水性環氧乳化瀝青制備完成至冷補料施工完畢的操作時間不宜超過0.5 h，且水性環氧體系摻量超過30%后應繼續縮短操作時間。此外還可推斷，水性環氧體系交聯固化速度較快，表明冷補料早期力學性能提升會較快，后期隨著乳化瀝青的完全破乳會進一步緩慢提升綜合路用性能。

4.2 三大指標評價

參照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程制備水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物，并成型三大指標性能評價所需試樣，研究不同水性環氧體系外摻量對乳化瀝青蒸發殘留物的三大指標性能影響規律。三大指標試驗結果如表5所示。

表5 不同水性環氧體系摻量對乳化瀝青三大指標影響規律

從表5可以看出，隨著水性環氧體系摻量的增加，水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物的三大指標發生顯著變化。當水性環氧體系摻量為10%時，相較于基礎乳化瀝青，水性環氧乳化瀝青的三大指標變化響應最為明顯，其中針入度降低14.0%、軟化點升高14.8%、延度降低26.1%。繼續增加水性環氧體系摻量，針入度、延度持續降低，軟化點升高，表明水性環氧體系引入交聯結構對瀝青材料具有穩固作用，可提升乳化瀝青膠結料的高溫性能，但低溫性能有所降低。當水性環氧體系摻量超過40%后，三大指標變化逐漸變緩，其中摻量為40%時的延度僅為6.5 cm，此時水性環氧乳化瀝青表現為脆硬性，不適于用作道路工程材料。

根據表5試驗結果，本文選擇水性環氧體系最佳摻量為30%，此時水性環氧乳化瀝青軟化點達到87.2 ℃，具有優異的高溫性能；延度為12.2 cm，也具有較好的低溫延展性能。

4.3 冷補料高溫性能研究

本文選用60 ℃車轍試驗評價冷補料的高溫性能，為保證冷補混合料性能與實際應用時更為接近，本文研究所用試件均為一次壓實成型，養護溫度為室溫(25 ℃)。圖3為純乳化瀝青冷補料與水性環氧乳化瀝青冷補料在不同養護時間下高溫抗車轍性能的試驗結果。

從圖3可看出，隨著時間的延長，純乳化瀝青冷補混合料與水性環氧乳化瀝青冷補混合料的高溫車轍性能均迅速提升，表明養護時間對冷補料的高溫性能有重要影響。純乳化瀝青冷補混合料隨著養護時間延長，乳化瀝青逐漸破乳形成力學性能，表現為動穩定度增加，且增長趨勢比較穩定；當養護時間達到36 h時，其動穩定度超過3 100次/mm，且可推斷隨著養護時間的進一步延長，動穩定度仍會繼續增長。水性環氧乳化瀝青冷補混合料的動穩定度表現出更快的增速，尤其是24 h內基本呈倍速增長，24 h后增速逐漸放緩；雖然水性環氧乳化瀝青早期黏度增速較快，但體系的水分在混合料中蒸發較慢，導致環氧樹脂的三維網絡結構不能較好地穩固瀝青材料，直接影響力學性能提升，而本文研究使用的快固化型固化劑和早強水泥材料使混合料動穩定度在24 h內達到6 150次/mm；進一步延長養護時間，體系乳化瀝青破乳及殘余水分蒸發，冷補混合料動穩定度仍會繼續增長。綜合分析，較純乳化瀝青，水性環氧乳化瀝青由于快固化水性環氧體系形成的三維交聯劑結構及早強水泥的增強作用，使冷補混合料早期強度形成較快，有利于縮短開放交通時間。

4.4 冷補料低溫性能研究

為保證冷補料在較低溫度條件下仍有較好的服役性能，需要冷補混合料具有優異的低溫抗裂性，本文通過-10 ℃條件下冷補混合料小梁的低溫彎曲試驗，及試件破壞時的抗彎拉強度、最大彎拉應變兩個指標評價冷補混合料的低溫抗裂性能。表6為純乳化瀝青冷補料與水性環氧乳化瀝青冷補料在不同養護時間下低溫抗裂性能的試驗結果，其中純乳化瀝青冷補料試件養護3 h,6 h與水性環氧乳化瀝青冷補料試件養護3 h因混合料未形成較好的強度性能，不能切割成小梁試件而無相關試驗數據。

表6 養護時間對冷補料低溫性能影響

從表6可知，隨養護時間延長，兩種冷補料的抗彎拉強度均逐漸增大，最大彎拉應變逐漸降低。純乳化瀝青冷補料試件隨養護時間延長，試件逐漸具備力學性能，表現出較好的低溫抗變形能力，但抗彎拉強度有限。水性環氧乳化瀝青冷補料試件隨養護時間延長，冷補料試件力學性能提升迅速，至24 h時抗彎拉強度可達9.2 MPa，此時試件的抗變形能力較佳，最大彎拉應變超過3 200 με。繼續延長養護時間至36 h，抗彎拉強度繼續增大，但增速明顯降低，最大彎拉應變降速也明顯降低，因此可推斷水性環氧乳化瀝青冷補料低溫抗裂性能將逐漸趨于穩定，且具有滿足低溫條件使用的抗變形能力。綜合分析，水性環氧乳化瀝青冷補料較純乳化瀝青冷補料有更優異的低溫抗彎拉強度，且有相近的抗變形能力，低溫抗裂綜合性能更為優異。

4.5 冷補料水穩定性能研究

水穩定性不足是冷補料面臨的通病，本文采用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗評價冷補料的水穩定性能，表7為純乳化瀝青冷補料與水性環氧乳化瀝青冷補料在不同養護時間下水穩定性能的試驗結果。

表7 養護時間對冷補料水穩定性能影響

從表7可知，隨養護時間延長，兩種冷補料的水穩定性均逐漸增強，但養護時間低于12 h時，試件在水處理或保溫時發生明顯變現，故未收集到相關數據，同時表明養護時間低于12 h時冷補料的水穩定性很差。純乳化瀝青冷補料受破乳速度影響，養護36 h后浸水殘留穩定度與凍融劈裂強度比仍較低。水性環氧乳化瀝青冷補料因水性環氧體系的固化反應，可形成三維網狀結構穩固瀝青材料，提升礦料間的黏結性能[11-12]，此外早強水泥也可加速混合料力學性能的形成，故有較純乳化瀝青冷補料更優異的水穩定性能。

5 結論

通過本文對純乳化瀝青及水性環氧乳化瀝青的時間-黏度特性、三大指標、高低溫性能、水穩定性能的研究，可得出如下結論：

1)隨時間延長，水性環氧乳化瀝青黏度迅速增長，且水性環氧體系摻量越大增速越快，3 h后黏度增長趨于平緩。

2)隨水性環氧體系摻量增加，因水性環氧體系的交聯作用形成聚合物三維網狀結構，提升了水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物穩定性能，故表現為針入度、5 ℃延度逐漸降低，軟化點逐漸升高。推薦水性環氧體系較佳摻量為30%，此時軟化點為87.2 ℃，5 ℃延度為12.2 cm，表現出較好的高低溫性能。

3)隨養護時間延長，兩種冷補料高低溫性能、水穩定性能均逐漸提升，但水性環氧乳化瀝青冷補料綜合性能更加優異；推薦水性環氧乳化瀝青冷補料養護時間不低于24 h，此時動穩定度為6 150次/mm，抗彎拉強度達9.2 MPa，最大彎拉應變超過3 200 με，浸水殘留穩定度與凍融劈裂強度比分別為83.6%，78.7%。