水性环氧改性乳化沥青的制备*

2018-11-01董元帅朱云升杨川文

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2018年5期

陈果董元帅朱云升杨川文

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (中国交建公路路面养护技术研发中心2) 北京 100089) (中国公路工程咨询集团有限公司3) 北京 100089) (上海市政贵阳分公司4) 贵阳 550001)

0 引言

国内外冷补料主要以乳化沥青和稀释沥青作为结合料为主，其中稀释沥青主要采用基质沥青或改性沥青作为主料，配以石油溶剂对其降黏从而制得冷补料的结合料.但由于稀释沥青混合料在形成强度的过程中伴随着石油溶剂的挥发，将对环境产生污染.同时，其早期强度形成时间较慢，受气候条件限制且生产成本较高等，使得在坑槽修补中其性能难以满足要求.乳化沥青作为结合料应用于坑槽修补，其常温可拌和、绿色环保、施工工艺简捷、运输方便等优点，得到国内外学者的关注.而单纯的乳化沥青相对于热拌沥青混合料而言，强度成型慢、早期强度低、混合料黏结性差等缺点，不利于将其大范围推广使用.何远航等[1]采用水性环氧树脂改性乳化沥青并成功的运用于微表处；Ding等[2-3]取得了水性环氧乳化沥青混凝土制备方法的专利，该方法在混合料中加入了水泥，制备出性能优良的水性环氧乳化沥青混凝土，并在钢桥面的铺装上取得了显著成果.国外学者主要将研究对象集中在需要加热使用的环氧沥青，和其他的改性乳化沥青方面，而对冷拌的水性环氧乳化沥青的研究基本处于空白[4].

本文依托宁波市绕城高速在梅雨季节对路面坑槽进行修补的维修养护实际，提出水性环氧乳化沥青，通过对比实验，确定原材料，确定最佳掺配比，进而制备出一种高性能的乳化沥青，提出制备方法.

1 水性环氧树脂的选择

选择可获得的四种水性环氧树脂和自制阳离子乳化沥青，对四种水性环氧树脂乳液与对应固化剂编号为A1,A2,A3,A4,单纯的乳化沥青编号为A5，技术指标见表1，乳化沥青技术性质见表2.同时水性环氧树脂乳液与乳化沥青混合均匀后的组分标为A组分，固化剂标为B组分，并且在整个比选试验中为了便于试验的进行，在同一条件下对比，所以将水性环氧树脂体系与乳化沥青以3∶7(质量比)的配比制备改性乳化沥青[5-7].

表1 水性环氧树脂乳液技术指标

表2 乳化沥青技术性质

为了挑选合适的水性环氧树脂，通过制备好的四种改性乳化沥青进行性能试验对比，从而得出水性环氧树脂对比.从三个试验进行对比：界面拉伸试验、固化时间试验、黏附性试验.目的是要得出强度，成型时间，黏附性能三个指标.

1.1 界面拉伸试验

沥青的抗拉强度和断裂伸长率是衡量沥青性能好坏的一项重要指标.为测定抗拉强度和断裂伸长率，本文采用界面拉伸试验，试验步骤如下.

步骤1将准备好的薄铝片切成长为10 cm，两片铝片作为一组.

步骤2将铝片的一端用砂纸打磨，以除去铝片上面的保护膜，打磨长度至少大于5 cm，将打磨好的一端5 cm处做好标记，作为改性乳化沥青的胶结界面.

步骤3四种水性环氧树脂与乳化沥青统一以3∶7的比例，同时比选试验均采用混合法制备改性乳化沥青，将制备完成的改性沥青均匀地涂抹在胶结界面上，厚度保持在1 mm左右，质量控制在2 g左右，同时为减小人为误差，控制试验准确率，每种水性环氧树脂制备两组模型.

步骤4将胶结好的铝片放置在常温下24 h，让其完全破乳.

步骤5将制备好的模型放入微机控制电子万能试验机，拉伸速率控制在5 mm/min，为了提高试验准确性，在相同条件下控制速率在1 mm/min重复上述试验步骤.

步骤6得出每种水性环氧树脂制备的改性乳化沥青的拉伸最大负荷值和对应的位移值，得出的结果绘制在同一曲线图中.

试件在24 h后，控制拉伸速率为5，1 mm/min试验结果见图1.

图1 拉伸试验结果

由图1可知，水性环氧树脂品种的不同，对水性环氧乳化沥青的改性性能影响较大.其中编号A4型改性效果明显，1和5 mm/min最大抗拉伸强度较编号为A5的乳化沥青提升了近400%的效果，而断裂伸长率仅仅减小了10%左右，说明A4型在与乳化沥青混合后，其形成的三维网状结构能充分发挥出高强度的性能，而又能保持住乳化沥青的韧性而不至于出现脆断；而编号为A1和A2型水性环氧树脂改性效果一般，较编号为A5的乳化沥青的最大抗拉伸强度提高在100%以内，而断裂伸长率编号A2型与乳化沥青基本一致，而编号A1型断裂伸长率较低，基本不符合要求；而编号A3型改性效果不理想，最大抗拉伸强度较乳化沥青差，不符合此次工程要求.试验结果分析排除A1,A3型改性乳化沥青.

1.2 固化时间试验

水性环氧乳化沥青的固化时间影响整个坑槽修补的时间，其固化时间应作为水性环氧树脂挑选的重要指标.为测定固化时间，具体试验步骤如下.

步骤1将水性环氧树脂乳液同乳化沥青混合均匀后作为A组分，固化剂作为B组分，按规定比例将A,B组分混合均匀，同时水性环氧树脂与乳化沥青配比(质量比)为3∶7；取其中的10 g改性乳化沥青，将其均匀地涂抹在玻璃板上.

步骤2将试件置于温度为(25±1) ℃下，每隔10 min记录一次试样的状态；详细记录试件的表干时间和状态.

在25 ℃温度下，四种改性乳化沥青固化时间结果见表3.

表3 固化时间结果

由表3可见，A2仅10 min便已固化，其固化时间较快，施工的可操作性较小，所以A2型对乳化沥青的改性效果并不理想；而A4和A1固化时间较合适，不仅满足施工的可操作性，而且固化时间对道路的运营影响也较小，所以这两种水性环氧比较适合用于改性乳化沥青的制备；但A3的固化时间相对较长，在实际施工过程中对道路运营影响较大，并不适用于改性乳化沥青的生产.结果分析排除A2,A3型乳化沥青.

1.3 黏附性试验

由于水性环氧乳化沥青中水的存在，导致沥青黏度较小，混合料早期强度形成过程中沥青与集料的黏附性较差，沥青发挥的作用较小.因此，要使混合料初期具有足够的强度，必须使得水性环氧乳化沥青与集料有足够的黏附性[8-10].对水性环氧乳化沥青与集料的黏附性研究，主要参考了文献[5]中T0654阳离子乳化沥青与集料黏附性的试验方法.

试验结果以改性乳化沥青与集料的裹覆面积大于2/3或不足2/3的形式评定其黏附性及抗水剥落的性能.为了保证试验的准确性，同一种水性环氧乳化沥青平行试验三次，根据多数颗粒的裹附情况做出评定.试验结果见图2.

图2 黏附性试验结果

由图2可知，四种经水煮后的集料上沥青的裹覆面积均大于2/3，按规范要求，四种改性乳化沥青的黏附性均为5级.说明四种水性环氧乳化沥青与集料都具有很好的黏附性，在混合料初期强度形成中，改性乳化沥青具有足够的黏结力防止水损坏的发生.结果分析表明，四种改性乳化沥青黏附性符合要求.

1.4 试验结果分析汇总

由上述对比水性环氧树脂的试验可得出：水性环氧树脂对乳化沥青的改性作用较为明显，能够在保留乳化沥青原本优势的情况下对乳化沥青的缺点进行显著改进，让乳化沥青的适用性更广；其次不同品种的水性环氧树脂对乳化沥青的改性效果相差较大.在界面拉伸试验中可以很明显看到A4对乳化沥青的改性效果远远优于其他三种水性环氧树脂.在固化时间试验中，A2和A4都加快了乳化沥青的固化.但是A2的固化时间太快，实际施工中的可操性较小，并非理想效果.最后在黏附性试验中，四种水性环氧树脂均能满足项目的要求.

综合考虑之后，决定选用A4型的水性环氧树脂乳液和A4型的固化剂作为本项目用于制备水性环氧树脂乳化沥青的原材料.同时乳液与固化剂的掺配比例按厂家指导的1∶1进行后续实验.

2 水性环氧树脂体系最佳掺量的确定

由上文试验结果，制备好A4型水性环氧树脂体系.要制备水性环氧改性乳化沥青，还需确定环氧树脂体系与乳化沥青最佳掺配比例，本文通过界面拉拔试验进行比较，操作步骤同1.1的界面拉拔试验.

验证水性环氧树脂体系与乳化沥青在比例(质量比)为0∶10，1∶9，2∶8，3∶7，4∶6，5∶5六组比例，找出随着水性环氧树脂体系量的增加，整个改性乳化沥青抗拉伸强度与断裂伸长率的变化规律.进而找到一种性能合理，性价比较高的适合比例.控制试验机拉伸速率在5 mm/min，温度为25 ℃，每组比例的改性乳化沥青抗拉伸强度的最大值与断裂伸长率结果见表4.

由表4可知，随着水性环氧树脂体系占比的逐渐增加，改性乳化沥青的抗拉伸强度逐渐增强，断裂伸长率先增加后减小.比例为2∶8(质量比，下同)时断裂伸长率最大，表现出良好的韧性，且当比例增加到3∶7时，断裂伸长率减小了44%；

表4 拉伸试验结果

同时可看出，在比例2∶8下沥青抗拉伸强度不是最大，但明显可以看出当比例增加到2∶8之前抗拉伸强度增长率可达100%，当比例上升到3∶7时，最大抗拉伸强度增长率仅为29%，因此随着比例的增加其最大抗拉伸强度的增长率并不明显，且性价比也会较低.故从改性乳化沥青的最大抗拉伸强度、断裂伸长率和性价比等因素下综合考虑，水性环氧树脂体系与乳化沥青的最佳掺配比例为2∶8.水性环氧乳化沥青各组分配方比例见表5.

表5 水性环氧乳化沥青配方

3 水性环氧改性乳化沥青制备工艺

3.1 制备方法

为适应坑槽修补这种移动性大单点工程量较小的特点，同时为保证修补效果，保证成型时间的适合，本文采用直掺法制备改性乳化沥青.该方法生产工艺简单，成本低，且成品与机制法效果差别不大，满足施工要求.

3.2 改性乳化沥青性能测试

按照文献[5]规定改性乳化沥青应该满足一定的规范要求.但考虑到本项目所用水性环氧乳化沥青为制备后立即使用，因此可不考虑其贮存稳定性.具体试验结果见表6.

表6 水性环氧乳化沥青试验结果

3.2 混合料性能评价

根据级配的选择和施工经验的判断，选择油石比8.5%的马歇尔试件按文献[6]中现有冷补料的马歇尔试验方法进行冷补料强度实验，提出了具体的冷补料的黏聚性试验方法进行黏聚性实验，平行实验三组，进行性能评价,见表7～8.

表7 水性环氧乳化沥青冷补料强度试验 kN

由表7可见，混合料的初期强度相对于现有规范对冷补料不低于3 kN的强度的要求提高了2倍以上，表明混合料的初期强度的形成中水性环氧树脂的交联反应发挥着重要的作用.

表8 黏聚性试验结果

由表8可见，水性环氧乳化沥青混合料颗粒之间黏聚性较强，破损率在2%以内，试验结束后试件基本完整.而单纯的乳化沥青混合料颗粒之间黏聚性较差，破损率高达30%以上，虽满足规范要求的不超过40%的破损率，但在实际施工中并不能达到工程所需要求.水性环氧乳化沥青，由于温度对环氧树脂的固化反应影响较小，同时反应速度较快，其本身的黏结性能较好，这就使得集料牢牢的黏结在一起，形成一个整体，因此，水性环氧乳化沥青混合料相比于纯的乳化沥青混合料，黏聚性得到大大的提高，具有是十分明显的优势.