有机粘结剂对沥青基灌缝料粘结性能的影响

孙华东，范维玉，刘树俊，南国枝

(中国石油大学 重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

“十二五”期间，我国的高速公路网络基本建成，高速公路由重点建设转变为重点养护[1]，路面建成使用一段时间后产生许多的路面病害[2-6],如车辙、拥包、坑槽和裂缝等，其中，裂缝是最早出现也是最普遍存在的一种路面损坏方式。目前，对路面裂缝进行处理的方式有：稀浆封层、微表处理、含砂雾封层和灌缝等，SHRP计划表明：灌缝处理是一种性价比最高的裂缝处理方式。

目前，我国主要采用热沥青、乳化沥青和一些特殊用途灌封胶进行灌缝处理，但普遍具有造价高、污染环境、能耗大、粘结力弱、有效期短等缺点[7-8]。为此，研究者开发了新的灌缝材料[9-12]并研究了灌缝材料的作用机理[13]。作者研究了一种沥青基灌缝料，主要由乳化沥青、水泥和一些功能添加剂(有机粘结剂等)组成，其中，水泥属于刚性组分，主要起支撑作用；沥青和有机粘结剂属于柔性组分，主要起粘结作用，具有能耗低、环境友好无污染、施工简单方便、施工周期短、有效期长、粘结力强等优点。作者在此研究有机粘结剂对沥青基灌缝料粘结力的影响，拟为其在路面裂缝修补养护中的应用提供参考。

1　实验

1.1　材料

阳离子慢裂型乳化剂(有机氨型)，市售，无纯化，美德维实伟克；硅烷偶联剂、水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、SBR胶乳；AH-90型沥青(针入度81～100)，中国石油公司秦皇岛分公司；水泥PO 42.5R，山水东岳水泥。

1.2　沥青乳化及沥青基灌缝料的制备

1.2.1沥青乳化

将沥青在140 ℃下加热1.5 h；乳化剂用自来水配制成溶液并调节pH值为2，加热到50 ℃并保温。

将预热好的乳化剂溶液倒入胶体磨中，开动胶体磨，在1 min内将预热好的沥青边搅拌(2 800 r·min-1)边加入到胶体磨中，胶体磨继续运行1 min，然后将乳化沥青从胶体磨中放出，冷却，备用。

1.2.2沥青基灌缝料的制备

将乳化沥青加入搅拌锅中，搅拌下添加水泥及功能添加剂，然后慢速搅拌1 min，快速搅拌3 min，再慢速搅拌1 min，即制得沥青基灌缝料。

1.3　粘结力的测定

采用计算机控制万用试验机测定沥青基灌缝料粘结力。

1.3.1模具的制备

模拟裂缝是由2块40 mm×40 mm×160 mm的立方体水泥块组成(图1a、b)，水泥块采用水泥∶砂子=2∶1、水灰比=0.55制成，在温度21 ℃、相对湿度65%的条件下养护7 d，备用。在水泥块和模拟裂缝组装完成后把搅拌好的沥青基灌缝料灌注到模拟裂缝中，分别养护7 d、15 d、28 d，直到沥青基灌缝料达到一定的粘结强度并把模拟裂缝的2块水泥块粘结到一起(图1c)。

图1　模拟试块和裂缝的制备

1.3.2粘结力的测试

把制成的模型放入测试夹具(图2a)中，保持5 mm·min-1的拉伸速度直到模拟裂缝与沥青基灌缝料破坏为止(图2b)，记录此时力的极限值作为粘结力。

图2　粘结力的测试过程

2　结果与讨论

2.1　有机粘结剂种类对粘结力的影响

4种有机粘结剂的基本性质见表1。

表14种有机粘结剂的基本性质

Tab.1Propertiesoffourkindsoforganicbinders

名称硅烷偶联剂水性环氧树脂水性丙烯酸树脂SBR胶乳表观形态无色透明液体淡黄色黏稠液体白色黏稠液体白色黏稠液体酸碱性碱性碱性(70～75)酸性(60～70)酸性(30～70)活性基团NH2OCOOHCH2，CH3

有机粘结剂种类对粘结力的影响如图3所示，对乳化沥青蒸发残留物性能的影响见表2。

图3　有机粘结剂的种类对粘结力的影响

表24种有机粘结剂对乳化沥青蒸发残留物性能的影响

Tab.2Effectsoffourkindsoforganicbindersonthepropertiesofasphaltemulsionevaporationresidue

项目空白硅烷偶联剂水性环氧树脂水性丙烯酸树脂SBR胶乳软化点/℃462461459464473针入度(01mm)91898988935℃延度/cm脆断脆断脆断脆断46

由图3可以看出，4种有机粘结剂在用量相同(均为沥青基灌缝料总量的2.5%)时，水性丙烯酸树脂和SBR胶乳能明显提高沥青基灌缝料与模拟裂缝的粘结力，分别养护7 d、15 d、28 d较空白的粘结力分别提高130%、126%、146%和148%、150%、158%。这主要是因为，水性丙烯酸树脂含有羧基活性基团，可以与水泥的碱性基团发生明显的化学吸附作用；SBR胶乳主要是因为改善了沥青本身的延度(表2)。从图3还可以看出，养护天数的增加对粘结力的提高并不明显。这主要是因为，养护天数的增加，主要是无机组分的水泥发生水化，材料本身的强度增大而未对粘结性能产生大的影响。

2.2　有机粘结剂用量对粘结力的影响

2.2.1水性丙烯酸树脂用量对粘结力的影响(图4)

从图4可以看出，添加水性丙烯酸树脂能够明显提高粘结力，当水性丙烯酸树脂用量从1.5%增加到7.5%时，粘结力的变化较小，养护7 d、15 d、28 d，粘结力分别提高了4%、4%、3%。分别养护7 d、15 d、28 d 较空白的粘结力提高130%、126%、146%，可见掺加水性丙烯酸树脂提高粘结力对掺加量和养护天数都不敏感。这主要是因为，水泥中的碱性基团数量有限，随着水性丙烯酸树脂用量的增加，碱性基团的吸附会逐渐达到饱和。从图4还可以看出，随着养护天数的增加，粘结力呈现提高趋势。这主要是因为，随着养护天数的增加，水泥水化程度逐渐增大，从而使得体系中的碱性基团数量增多，所以粘结力也会随之提高。

图4　水性丙烯酸树脂用量对粘结力的影响

2.2.2SBR胶乳用量对粘结力的影响(图5)

图5　SBR胶乳用量对粘结力的影响

从图5可以看出，添加SBR胶乳能明显提高粘结力，且SBR胶乳对粘结力提高的程度比水性丙烯酸树脂更大。当SBR胶乳用量从1.5%增大到7.5%时，养护7 d、15 d、28 d，粘结力分别提高了19%、17%、22%。分别养护7 d、15 d、28 d较空白的粘结力提高148%、150%、158%。可见掺加SBR胶乳提高粘结力对掺加量敏感，对养护天数并不敏感。这主要是因为，水性丙烯酸树脂和SBR胶乳对粘结力的提高的方式不同，水性丙烯酸树脂主要是靠羧酸基团与水泥中的碱性基团的吸附来完成，而SBR胶乳主要是通过提高沥青本身的延度来提高材料的拉伸粘结力。

2.3　水性丙烯酸树脂与SBR胶乳复配对粘结力的影响(图6)

从图6可以看出，当水性丙烯酸树脂与SBR胶乳的比例从0∶10变化到10∶0时，粘结力呈现一定程度的缓慢下降，养护7 d、15 d、28 d，粘结力分别降低了14%、12%、14%；当水性丙烯酸树脂与SBR胶乳比例保持不变时，随着养护天数的增加，粘结力的大小顺序为：28 d粘结力>15 d粘结力>7 d粘结力。可见水性丙烯酸树脂与SBR胶乳复配并未产生1+1>2的协同效应。

图6　水性丙烯酸树脂与SBR复配对粘结力的影响

3　结论

(1)用量相同时，水性丙烯酸树脂和SBR胶乳相对于另外两类粘结剂能明显提高灌缝料与模拟裂缝的粘结力。水性丙烯酸树脂能够提高粘结力主要是因为其中的酸性基团与水泥中的碱性基团发生化学反应吸附，SBR胶乳能够提高粘结力主要是因为SBR能够明显提高沥青的延度。

(2)掺加水性丙烯酸树脂和SBR胶乳的沥青基灌缝料分别养护7 d、15 d、28 d较空白的粘结力分别提高130%、126%、146%和148%、150%、158%。

(3)随着水性丙烯酸树脂和SBR胶乳的用量从1.5%增大到7.5%，养护7 d、15 d、28 d，粘结力分别提高了4%、4%、3%和19%、17%、22%，可见掺加水性丙烯酸树脂提高粘结力对掺加量和养护天数都不敏感；掺加SBR胶乳提高粘结力对掺加量敏感，对养护天数并不敏感。

(4)当水性丙烯酸树脂与SBR胶乳的比例从0∶10变化到10∶0，养护7 d、15 d、28 d，粘结力分别降低了14%、12%、14%，可见水性丙烯酸树脂和SBR胶乳的复配并未产生1+1>2的协同效应。

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