固化剂乳化型水性环氧乳化沥青及稀浆混合料性能研究

时间：2024-07-28

谢邦柱

(山西省交通科技研发有限公司太原市 030032)

0 引言

随着我国经济的飞速发展，中国公路建设迎来了大发展时期。随着我国汽车保有量的增长、沥青路面路龄的不断增加以及在复杂气候作用下，沥青路面很容易出现早期轻度裂纹、集料松动和渗水等早期病害现象[1-3]，严重影响到道路行车质量，已成为公路工程研究领域中亟需解决的重要议题。

针对这些突出问题，沥青路面预防性养护技术显示出良好的技术优越性。微表处(改性乳化沥青稀浆封层)因其开放交通快、施工工艺简便、能有效改善原路面的耐磨耗及抗渗性能，逐渐成为现阶段行之有效的预养护措施。然而，目前一些实体工程研究表明，微表处相关技术仍存在耐久性差、耐候性欠佳(低温抗裂性能不足)、抗剪切破坏能力不足等缺陷，以改性乳化沥青为胶结料的微表处是解决上述问题的有效手段。

现阶段，主要采用聚合物改性剂对乳化沥青加以改性以改善其固有缺陷，最典型的是SBR改性乳化沥青。工程应用中，SBR改性乳化沥青蒸发残留物有极佳的低温黏韧性能，能有效改善微表处罩面的抗裂性能；但抗高温性能和抗车辙性能提升不明显[4-5]。水性环氧树脂是一种强度高、热稳定性佳、粘结力强的绿色环保材料，可作为理想的乳化沥青改性剂。水性环氧乳化沥青可兼顾二者的材料特点，以其作为胶结料应用于微表处罩面，能表现出超薄、高强、抗滑、耐久等一系列潜在优势。

1 原材料

1.1 “固化剂乳化型”水性环氧体系

本试验中，水性环氧体系A组分为环氧树脂128(油性E-51)，购自巴陵石化，B组分为水性环氧固化剂，为实验室通过化学扩链反应制备而成，命名为WAT-4-1，其基本技术指标见表1。将A、B组分按质量比100∶100掺配后混合均匀可得水性环氧树脂固化体系；该固化体系在常温下经交联固化，最终形成空间三维网状结构固体物质，称为水性环氧树脂固化物。

表1 水性环氧固化剂技术指标

1.2 乳化沥青

试验中所用的基质沥青为中海油70#石油沥青，其各项基本技术指标如表2所示。本试验中制备乳化沥青所用的乳化剂为河南漯河天龙化工公司生产的CMK-206乳化剂，乳化剂剂量1.8%，制得的阳离子慢裂快凝乳化沥青各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》[6](JTG F40—2004)的要求，具体技术指标见表3。

表2 70#石油沥青性能指标

表3 乳化沥青基本技术指标

1.3 水性环氧乳化沥青

预先称取水性环氧固化剂m0g，根据最终水性环氧固化体系的黏度可加入适量水搅拌均匀使其充分稀释，然后加入m1g 128环氧树脂(其中，m1=m0)，充分搅拌至白色均匀乳液，最后外掺至乳化沥青中搅拌均匀即得水性环氧乳化沥青材料。

考虑到水性环氧树脂体系固化物脆性较大，因此在改性之前，在基质乳化沥青中预先外掺折合固体质量为沥青3%的阳离子SBR胶乳(60wt%)；为提高乳化沥青稀浆混合料的早期强度，加快乳化沥青破乳速度，在稀浆混合料拌和过程中外掺折合骨料质量1%的硅酸盐水泥(标号42.5)。

2 结果与讨论

2.1 水性环氧乳化沥青凝胶时间考察

环氧树脂和水性环氧固化剂组成的固化体系在室温条件下可发生交联固化反应形成空间网状结构固化物。同理，作为乳化沥青体系中的改性剂，水性环氧固化体系也会随着时间的推移逐渐发生固化，继而影响到水性环氧乳化沥青的可操作性。因此，考察水性环氧乳化沥青的凝胶时间是决定其使用性能的关键。

采用拉丝法对水性环氧乳化沥青体系的凝胶时间进行考察。以实验室自制的阳离子慢裂快凝乳化沥青(固含量60wt%)为基本原材料；经过计量，配制固体含量为60wt%的水性环氧树脂固化体系，现配现用。在塑料口杯中，以水性环氧树脂固化体系为外掺改性剂，加入到定量的基质乳化沥青中，改性剂含量为10%(即水性环氧固化体系占改性乳化沥青总体系的10%)，后用玻璃棒手动搅匀，将口杯静置开始计时。使用金属铁丝不断地在口杯中拉丝，直至水性环氧乳化沥青混合体系中出现不易断开的细长的丝后结束计时，此时间间隔确定为凝胶时间。

经过计时及经验观察，随着水性环氧树脂固化体系的掺入，未出现分层现象，也从侧面印证水性环氧固化体系对基质乳化沥青的稳定性无不良的影响；但随着时间的推移，整个改性乳化沥青混合体系的粘度逐渐提升，说明作为改性剂的水性环氧固化体系已经逐渐发生交联反应，逐渐形成强度，43min时改性乳化沥青混合体系出现不易断开的丝，确定该水性环氧乳化沥青的凝胶时间为43min。经过静置3d后，口杯中的混合体系完全固化，呈块状，如图1所示。

图1 水性环氧乳化沥青固化物

2.2 温度及搅拌方式对水性环氧乳化沥青的凝胶时间的影响

按照2.1中提及的拉丝法，以水性环氧固化体系为外掺改性剂，加入到定量的基质乳化沥青中，改性剂折合固体质量比为10%。用玻璃棒手动搅匀，将口杯静置于50℃恒温烘箱中，每隔5min，观察改性乳化沥青混合体系的状态。随着温度的提升，试验发现，20min后体系出现不易断开的丝，说明温度的提升加快了水性环氧固化体系的交联反应，大大缩减了凝胶时间。

以水性环氧固化体系为外掺改性剂，加入到定量的基质乳化沥青中，改性剂折合固体质量比为10%。对混合体系保持机械搅拌120r/min，如图2所示。每隔5min，观察改性乳化沥青混合体系的状态。观察发现，当机械搅拌15min后，体系出现不易断开的丝，黏度显著增大。说明不间断的搅拌，使体系中水性环氧固化剂与128环氧树脂接触机会更多，加剧了固化体系的交联反应，也会大大缩减了凝胶时间。综上所述，高温及机械搅拌均显著缩短了水性环氧乳化沥青的凝胶时间，不利于其在施工现场的使用，可操作性大大降低。

图2 机械混合法制备水性环氧乳化沥青

2.3 水性环氧乳化沥青的断裂强度试验

根据国标《道路用水性环氧树脂乳化沥青混合料》[7](GB/T 38990—2020)规定，水性环氧树脂乳化沥青的蒸发残留物性质是通过测试其蒸发残留物的拉伸断裂强度来表征。测试方法参照《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》[8](GB/528—2009)。将水性环氧乳化沥青倒入沥青老化用金属盛样皿(内径140mm，厚度0.64mm)，样品厚度保持在4mm以上。后将盛样皿置于60℃保持5h后取出，即可得水性环氧乳化沥青的蒸发残留物，基质乳化沥青的蒸发残留物依照行标《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[9](JTG E20—2011)制得。然后依据国标《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》[8](GB/T 528—2009)制备哑铃状试件，进行拉伸应力应变性能测定，试验结果见表4。由表4可见，水性环氧乳化沥青的拉伸断裂强度为1.02MPa，要远大于基质乳化沥青。说明水性环氧固化体系的掺入，提升了改性乳化沥青的结构强度。随着混合体系中水分的蒸发，环氧树脂分子与固化剂接触发生交联固化反应，形成三维空间网状结构；乳化沥青破乳也在同时发生，沥青颗粒便依附、填充于环氧树脂固化物分子构成的网状结构内，形成“加筋”结构，继而提升了整个体系的结构强度。

表4 乳化沥青拉伸断裂强度结果

2.4 水性环氧乳化沥青稀浆混合料耐磨耗性能研究

本文的稀浆混合料耐磨耗性能试验中，粗细集料均为石灰岩矿料，水泥为硅酸盐水泥(42.5号)，具体级配见表5。采用MS-3型级配，进行稀浆混合料的拌和试验。

表5 试验研究用的石料及级配表

通过图3确定合成级配及各档集料的配合比例，最终确定5～10mm、3～5mm及0～3mm三档料的质量比例为：0.19∶0.26∶0.55。结合工程经验，选定SBR胶乳掺量为3wt%，油石比范围5.0%～6.5%(使水性环氧乳化沥青中水性环氧固化体系外掺量为10wt%)，用水量范围3%～8%，水泥掺量范围1wt%～2wt%。

图3 水性环氧改性乳化沥青混合料级配合成曲线

进行少量稀浆混合料试拌和试验，通过观察成浆状态、稠度、摊铺后是否泌水、破乳时间等和易性和施工性能确定配比，后进行1h湿轮磨耗试验评价混合料的耐磨耗能力。考察不同水性环氧体系掺加量的改性乳化沥青稀浆混合料的耐磨耗性能，综合性能及成本，确定出最优掺加量及稀浆混合料的最佳配合比。

表6、图4呈现出不同水性环氧固化体系外掺量的改性乳化沥青混合料的耐磨耗性能。由表6易知，水性环氧体系的掺入，能提升乳化沥青混合料的耐磨耗性能和抗水损性能。如图4所示，随着水性环氧体系掺入量的增加，磨耗值逐渐减小，说明耐磨耗性能提升增大。分析其原因，在与石料拌和过程中，乳化沥青和水性环氧固化体系中在水分的挥发下分别开始破乳和固化，两者同时发生又相互影响。乳化沥青的破乳将石料(骨料)充分裹附；水性环氧固化体系与沥青颗粒交错缠绕，水性环氧固化体系发生化学交联形成空间三维网状结构，水性环氧固化物在裹附沥青的骨料间起到“加筋”作用，因此复合体系相比单纯沥青胶结料具有更高的粘结性和强度。

表6 不同环氧固化体系掺量的改性乳化沥青混合料耐磨耗性能表

图4 不同环氧固化体系掺量的改性乳化沥青混合料磨耗值

当水性环氧固化体系外掺量超过10%，耐磨耗性能提升放缓。综合性能和成本，确定10%为水性环氧固化体系的最佳掺量，对应的最佳稀浆混合料配合比见表7。

表7 水性环氧固化体系外掺量为10wt%对应的稀浆混合料磨耗试验配比表