环氧乳化沥青砂浆灌浆材料的研究

胡安宇，李宏伟，严慧忠，张永平，张洪亮

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

环氧乳化沥青砂浆灌浆材料的研究

胡安宇1，李宏伟1，严慧忠1，张永平1，张洪亮2

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

板底灌浆技术能够有效地预防和治理脱空。首先通过一系列灌浆材料技术指标的测评确定乳化沥青砂浆的基本配合比，然后根据各种外加剂和环氧树脂改性剂的不同掺量对灌浆材料性能的影响结果进行分析，确定环氧乳化沥青砂浆的最终配合比。最后通过对环氧乳化沥青砂浆耐久性的试验，研究环氧树脂对乳化沥青砂浆抗冲刷性能和抗疲劳性能的影响，从而得出环氧树脂对乳化沥青砂浆性能有显著的改善作用，且环氧乳化沥青砂浆的最终配合比设计为矿粉∶改性沥青∶砂∶水∶消泡剂∶铝粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06。

板底灌浆技术；脱空；环氧树脂；乳化沥青

0 引 言

水泥混凝土路面具有强度高、使用寿命长、耐久性好、能源消耗少、对交通等级和环境适应性强、价格低廉等特点[1]。然而，随着道路里程不断增加，我国水泥混凝土路面逐渐暴露出了诸多病害，板底脱空就是其中的一种重要病害形式。水泥混凝土路面板底脱空所引起的错台、唧泥和早期断板等各种病害给公路养护管理带来了较大的困难。目前，灌浆治理水泥混凝土路面板底脱空是目前国内外最有效的方法。

从目前来看，国内外应用较多的灌浆材料有以水泥基为主的灌浆材料、应用化合物或有机高分子材料的化学灌浆材料和以乳化沥青为主的改性沥青灌浆材料。Hyug-Moon Kwon[2]等人通过对不同改性聚合物灌浆材料性能的研究，发现丙烯酸聚合物乳液能够很好的改善灌浆材料的力学强度、韧性、耐化学腐蚀性等性能。Wang G M等[3]人通过运用偏高岭土取代一部分水泥来研究水泥基灌浆材料的力学性能和耐久性能，了解到偏高岭土的加入可以降低水泥基灌浆材料的吸水率和电通量，并能在一定程度上提高灌浆材料的力学性能和耐久性。B.Elekolu和B.Baradan等人通过研究超细粉煤灰对水泥基灌浆材料的性能影响，提出超细粉煤灰的加入可以使水泥基灌浆材料的耐久性和工作性能得到改善。李艳春[4]等选择橡胶粉砂浆作为灌浆材料来治理水泥混凝土路面板底脱空，研究橡胶粉砂浆的干缩和抗冻性，结果表明橡胶粉砂浆作为灌浆材料在干缩和抗冻性方面性能优越，并确定其最优配合比。段利艳[5]通过制备SBR-SBS 复合改性乳化沥青得到一种耐寒型乳化沥青砂浆，发现SBR-SBS 复合改性乳化沥青的各性能均符合相应的规范要求。王涛[6]和黄直久[7]通过采用未改性及改性的乳化沥青砂浆对比试验，对乳化沥青砂浆的力学性能和温度稳定性进行了分析，发现沥青改性剂能降低乳化沥青砂浆的热膨胀系数，提高砂浆的温度稳定性。

目前工程上灌浆治理水泥混凝土路面板底脱空大多是采用水泥砂浆，但是如果水泥砂浆灌浆材料的浆体硬化后强度过小容易被行车荷载重复作用的面层压碎,会很快再一次形成脱空,强度过大则会使板底形成不均匀支撑,对面板的受力不利，很容易产生病害[10]。同水泥基灌浆材料相比，改性沥青灌浆材料在防水性、柔韧性、流动性等方面均具有优势。因此，改性沥青灌浆材料是国内外灌浆材料研究的热点，然而本文环氧乳化沥青砂浆作为灌浆材料应用于处置水泥混凝土路面板底脱空鲜有研究。

1 环氧乳化沥青砂浆的制备

环氧乳化沥青砂浆是采用环氧树脂对乳化沥青进行改性，并通过添加矿粉、消泡剂、引气剂、纤维等外加剂，而制备的一种符合现状需求的改性乳化沥青砂浆。

1.1 环氧乳化沥青砂浆的基本配合比

环氧树脂是极其优良的胶结材料，目前在长大桥梁和钢桥面上应用较多。环氧树脂在道路上应用最多的是环氧乳化沥青，其通过环氧树脂和固化剂的混合对乳化沥青进行改性。环氧乳化沥青实质上也是一种特殊的改性乳化沥青，其兼顾了环氧树脂强度高、粘度大、弹性高、热固性好等特点，使得环氧乳化沥青具有较强的粘结力、高温稳定性、抗变形能力和较低的热熔性等优点。

1.1.2 外加剂

矿粉是沥青混合料和沥青混凝土中重要的组成材料。砂可以提高灌浆材料的强度, 增加灌浆材料的膨胀率，减少收缩。在灌浆材料中添加矿粉可以增加拌合物的粘附性，使其不易分层离析，还可以减少灌浆材料的沉降和开裂。

乳化沥青和砂拌制过程中极易产生气泡，对灌浆材料的强度和抗冻性等产生不利影响。有机硅消泡剂的掺加可明显改善此类情况的发生。引气剂在灌浆材料中形成细小且均匀分布的气泡，形成具有多孔状的结构，改善砂浆的工作性能和抗冻性，通常还有膨胀剂的效果。铝粉通常作为灌浆材料的引气剂使用。

粉煤灰可以代替矿料作为灌浆材料骨架，粉煤灰的加入可以增加浆液和易性，提高砂浆的可泵性和经济性。硅灰是一种活性矿物细掺合材，使胶凝材料具有较好的级配，提高材料的密实度和流动性，降低其透水性。

1.1.3 配合比设计

通过参照已有文献获得沥青砂浆试拌及配合比设计[9-10]，在进行沥青砂浆拌合试验前，首先要根据强度和弹性模量来拟定沥青、砂、矿粉的用量，通过水和细骨料的用量来调整砂浆的流动度。然后通过消泡剂等外加剂的掺量调整含气量，反复进行试验获得基本配合比。通过试验数据分析及优化，得出乳化沥青砂浆基本配合比设计为：矿粉∶乳化沥青砂∶水∶消泡剂∶铝粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06。

1.2 外加剂对灌浆材料的影响分析

为了更好地提高灌浆材料的性能，采用添加硅灰、粉煤灰等外加剂来获得最终的乳化沥青砂浆。

720S—这是一辆典型的迈凯伦。“我终于知道人们为什么喜欢迈凯伦了，”劳拉在驾驶迈凯伦后笑着说道，“动力、车身和方向盘之间配合顺畅，使我无时无刻不感受到其流畅的操控—尤其是在刹车时。在我看来，这辆车唯一的不足就是过于强劲的动力。”迈凯伦720S的人体工程学设计非常出色，得益于考究的方向盘和换挡拨片设计以及座椅充足的侧向支撑，迈凯伦在驾驶者和720S之间搭建起了更为积极的沟通方式，从而达到了人车合一的的境界。

1.2.1 粉煤灰对乳化砂浆性能的影响

沥青砂浆中添加少量的粉煤灰可以调节细骨料的用量，提高拌合物的流动性，增加沥青砂浆膨胀率。通过采用粉煤灰取代一部分矿粉来研究粉煤灰对乳化沥青砂浆性能的影响，设定取代矿粉含量分别为0、3%、5%、7%来考查对沥青砂浆流动度和抗压强度的影响，如图1。

图1 粉煤灰掺量对沥青砂浆流动度和抗压强度的影响

从图1中可以看出：粉煤灰掺量的增加使得制备的乳化沥青砂浆流动性显著降低；随着粉煤灰掺量的增加，乳化沥青砂浆的抗压强度有所增加。综上所述，粉煤灰在环氧乳化沥青砂浆中的掺量应为矿粉质量的5%。

1.2.2 硅灰对乳化沥青砂浆性能的影响

和粉煤灰一样，在沥青砂浆中添加少量的硅灰可以调节细骨料的用量，提高拌合物的稳定性，增加沥青砂浆膨胀率。通过采用取代矿粉含量分别为0、3%、5%、7%来测定硅灰掺量对沥青砂浆流动度和抗压强度的影响，如图2。

图2 硅灰掺量对沥青砂浆流动度和抗压强度的影响

从图2中可以看出，随着硅灰掺量的增加，制备的乳化沥青砂浆的流动度反而增大，流动性变差，并且随着硅灰掺量的增加，乳化沥青砂浆的抗压强度减小。综上所述，硅灰在乳化沥青砂浆中的掺量不宜过多，应为矿粉质量的3%。

1.3 环氧树脂掺量的确定

本试验采用环氧树脂改性剂制备了环氧乳化沥青砂浆，在23℃左右的温度，相对湿度为60%～80%的环境下养护48h后脱模，然后在试件表面与夹具表面涂上高强度粘结剂，继续养护24小时，接着将强度夹具装在试验机上，再将钢制垫板套在灌浆材料块上，最后将试件放置在拉伸夹具中；以5mm/min的速度加载，直到灌浆材料发生破坏。该试验研究了环氧乳化沥青砂浆的力学性能影响。

图3 环氧树脂对砂浆抗压强度和粘结强度的影响

图3可以看出，环氧乳化沥青砂浆的抗压强度会随着环氧树脂掺量的增加而增大；而且随着环氧树脂掺量的增加，环氧乳化沥青砂浆的粘结强度也随之提高。这是由于环氧树脂固化后在沥青和干粉之间提供了粘附性，提高了沥青砂浆的粘结性能。

从以上分析中我们可以得出，环氧乳化沥青砂浆的最终配合比设计为矿粉∶改性沥青∶砂∶水∶消泡剂∶铝粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06。其中粉煤灰在环氧乳化沥青砂浆中的掺量应为矿粉质量的5%；硅灰在环氧乳化沥青砂浆中的掺量应为矿粉质量的3%。而且，由上述试验可得改性沥青成分中环氧树脂掺量为5%时，环氧乳化沥青砂浆性能较好，性价比较高。

2 环氧乳化沥青砂浆耐久性能研究

2.1 抗冻性能

冻融循环性能试验通过测试环氧树脂乳化沥青灌浆材料试样中心温度在-18℃±2℃～5℃ ± 2℃的冻融循环后的动弹性模量，从而评价环氧树脂乳化沥青灌浆材料的抗冻性能。

不掺环氧树脂和掺5%的环氧树脂改性乳化沥青砂浆经过3个25次冻融循环后相对弹性模量损失如图4。

图4 环氧树脂掺量对砂浆相对弹性模量的影响

从图4可以看出，环氧树脂的掺加，使得氧乳化沥青砂浆的相对弹性模量减小。这是由于环氧树脂能够阻止砂浆在冻融期间的微裂缝产生，并且环氧树脂能够与乳化沥青一起填充砂浆内部细集料之间的空隙，增强砂浆之间的粘结力，使得砂浆内部形成致密的网状结构，在一定程度上降低了冻融循环对砂浆内部结构的破坏。

2.2 抗冲刷性能

为了比较在不同动水压力、冲刷作用次数等试验条件下灌浆材料的抗冲刷性能，试验采用了不添加环氧树脂乳化沥青砂浆和添加5%环氧树脂的乳化沥青砂浆进行对比试验。借助有关基层材料冲刷试验，用轴载为80kN的荷载在水泥混凝土路面板上以40km/h和72km/h的速度分别产生31kPa和69kPa的压力差。采用15kPa、30kPa、45kPa、60kPa的压力，冲刷次数分别采用5000、10000、15000、20000次，检测到的不同浸水状况下的动水压力与浸水状况关系如图5～图6。

图5 无环氧树脂砂浆在不同动水压力下的冲刷曲线图

图6 5%环氧树脂砂浆在不同动水压力下的冲刷曲线图

从图5和图6可以看出，在冲刷作用下，无环氧树脂的沥青砂浆与添加5%环氧树脂乳化沥青砂浆的冲刷量皆随着动水压力的增大而显著增加，但是环氧树脂的掺加使得冲刷量有明显降低。且随着作用次数的增加，动水压力越大，冲刷量的增量也越大。

2.3 抗疲劳性能

在车辆荷载作用下，砂浆会发生疲劳损伤。本试验研究环氧乳化沥青砂浆的疲劳性能。通过前面的实验结果，本试验采用上文配制的环氧乳化沥青砂浆进行疲劳试验，设置的初始荷载大小为20kN，观察砂浆在荷载10000次和20000次后的剩余抗压强度，如图7。

图7 不同荷载次数作用下的抗疲劳

由图7可以看出，在荷载的初始稳态、频率都相同的情况下，随着荷载疲劳次数的增加，环氧乳化沥青砂浆累计疲劳损坏不断加大。在相同情况下，环氧乳化沥青砂浆要比没有添加环氧树脂的砂浆剩余强度要大。

3 结 语

本文通过室内试验，得到了性能较好的板底脱空灌浆材料。本文得到的主要结论如下：

(1)通过调节配合比，确定了环氧乳化沥青砂浆最终的配合比设计为：矿粉∶改性沥青∶砂∶水∶消泡剂∶铝粉=390∶445∶555∶113∶12.6∶0.06，粉煤灰、硅灰在灌浆材料中的最优掺量分别为矿粉质量的5%、3%，其中改性沥青中环氧掺量为5%。5%的环氧树脂的掺入，不仅可以显著提高乳化沥青砂浆的抗压强度和粘结强度，还可以提高乳化沥青砂浆的抗冻性，减少砂浆的冻融剥落量。

(2)掺入环氧树脂的乳化沥青砂浆，抗冻性能和抗冲刷性能比普通乳化沥青砂浆有所提高。环氧乳化沥青砂浆疲劳破坏后的抗压强度比普通乳化沥青砂浆有较大的提高，证明了环氧树脂增加了乳化沥青砂浆的抗疲劳破坏能力。

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[4] 李艳春,高坤,张银超.橡胶粉砂浆作为板底脱空灌浆材料的试验研究[J]．混凝土，2015，(12):117-119.

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[9]JG/T230-2007,预拌砂浆[S]．

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StudyontheEpoxyEmulsionAsphaltMortarasGroutingMaterial

HU An-yu1,LI Hong-wei1, YAN Hui-zhong1, ZHANG Yong-ping1, ZHANG Hong-liang2

(1. Hangzhou Highway Administration Bureau,Hangzhou 310030,China; 2.School of Highway, Chang-an University, Xi’an 710064,China)

Plate bottom grouting technology can effectively prevent and control the void. Firstly, this paper determine basic proportion of emulsified asphalt mortar through the evaluation of a series of grouting material technical indicators. Secondly, this paper determine final proportion of the epoxy emulsion asphalt mortar according to the analyzes of impact results of various admixtures and epoxy resin modifier with different admixture amounts. Finally, this paper study the effect of epoxy resin on scouring resistance and fatigue resistance performance through the durability test of epoxy emulsion asphalt mortar. Calculated, epoxy resin can significantly improve performance of the emulsified asphalt mortar and the final proportion of he epoxy emulsion asphalt mortar is mineral powder: modified asphalt: sand: water: defoamer: aluminum powder= 390: 445: 555: 113: 12.6: 0.06.

plate bottom grouting technology; void; epoxy resin; emulsified asphalt

U418.6

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.03.004

1671-234X(2017)03-0019-04

2017-06-05

胡安宇(1960-)，男，浙江淳安人，高级工程师,E-mail：8736958@qq.com。