超声波对WE/WPU复合改性乳化沥青黏附性能的影响

高志伟，舒 诚，杨国林,3，王朝辉

(1.西藏民族大学 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室，陕西 咸阳 712082； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 3.浙江温州甬台温高速公路有限公司，浙江 温州 325000)

0 引 言

随着预防性养护技术日益受到交通行业的重视[1]，抗滑养护封层技术在高等级公路养护中的应用也越来越广泛。其中WE/WPU复合改性乳化沥青封层由于能够在常温和潮湿环境下固化且具有强度高、韧性好、高温稳定性好等特点而备受关注[2-4]。由于这种封层适用于南方高温多雨地区，在外界高温及重荷载条件下会不断受到高温动水冲刷的作用，对沥青黏附性要求较高；因此研究WE/WPU乳化沥青的黏附性能对其在抗滑养护封层中的推广应用具有积极意义。

目前，国内外对沥青黏附性有多种评价方法，其中《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)推荐采用水煮法，其操作简单方便、耗时短，但黏附性评价结果依赖于试验员的主观判断，误差较大。傅珍等[5]对水煮法进行了改进，采用剥落质量百分率指标来更有效、细致地定量评价沥青黏附性。程锐、崔宇超等[6-7]将光电比色法与水煮法进行了对比试验，定量地研究了沥青与集料的黏附性，但光电比色法存在着试验复杂及结果影响因素多等缺点，难以适应工程实践。樊亮、Källén等[8-9]先后进行了数字图像分析法的探索与完善。郭鹏、Hamedi等[10-11]采用表面能方法量化分析了沥青与集料的黏附性。

图像法和表面能法大多是从沥青与集料的固有属性出发，鲜有对环境因素进行考虑，无法很好地模拟沥青所受到的水的冲刷作用，故需要寻求新方法以确定复合改性沥青的黏附性。研究发现[12-13]，超声波能量作用于物体时产生的气泡可以很好地模拟动水压力作用效果。袁峻等[14]设计了基于超声波的沥青-集料黏附性测试试验，模拟动水压力作用下沥青从集料表面剥落的现象,并区分沥青与不同粗集料间的黏附性能。

本文在超声波黏附性测试方法的基础上进行改进，采用脱落质量和脱落百分率指标，将WE/WPU复合改性沥青与SBS改性沥青、胶粉改性沥青的黏附性进行对比，评价WE/WPU复合改性乳化沥青的黏附性能。

1 试验

1.1 原材料

复合改性乳化沥青的原材料主要包含乳化沥青原材料和乳化沥青改性剂。

乳化沥青原材料——基质沥青采用AH-70沥青，其技术指标如表1所示。乳化剂采用白色膏状的阳离子乳化剂。稳定剂为无机稳定剂无水氯化钙和有机稳定剂聚乙烯醇(PVA)。此外采用盐酸调节皂液的pH值。乳化沥青改性剂采用双组分水性环氧树脂及其固化剂、单组分水性聚氨酯，相关参数如表2～4所示。

1.2 沥青的制备

本文先制备乳化沥青，后制备复合改性乳化沥青。水性环氧树脂可以提高乳化沥青的强度和黏结能力[15-16]，水性聚氨酯可改善水性环氧树脂改性乳化沥青的脆性[17-18]。为制备出兼具高强度、高柔韧性的复合改性乳化沥青，本文复合改性乳化沥青中水性环氧树脂掺量确定为50%，水性聚氨酯掺量确定为30%。

表1 基质沥青的技术指标

表2 水性环氧树脂的技术指标

表3 水性环氧树脂固化剂的技术指标

表4 水性聚氨酯的技术指标

图1 乳化沥青制备流程

乳化沥青的制备流程如图1所示。为保证乳化沥青的乳化效果，制备时基质沥青的温度控制在140 ℃～150 ℃，皂液pH值控制在1.5～2.0。乳化沥青制备后，将计量的水性环氧树脂加到乳化沥青中并初步搅拌混合均匀，再按照比例加入水性聚氨酯。研究发现，混合料的搅拌时间和拌合均匀性对WE材料力学性能的影响显著[19]，故将混合乳液在高速混合剪切仪中以低、高速两档分别搅拌10 min后得到WE/WPU复合改性乳化沥青。为充分模拟实际应用环境，并考虑到高温养生条件对WE/WPU固化效果的不利影响[20]，将制备好的复合改性乳化沥青放入50 ℃恒温烘箱中养生。

1.3 超声波模拟动水压力加速水损害试验步骤

沥青与集料黏附性试验采用高功率数控超声波清洗器进行，具体的试验方法及步骤如下。

(1)清洗集料。取3组粒径为13.2～16 mm的玄武岩粗集料，每组各3份，每份100 g。洗净后将集料放入超声波清洗槽内的网架上，利用超声波清洗30 min，充分除去集料表面的泥土和灰尘。将清洗后的集料放入110 ℃恒温烘箱中保温12 h，使集料充分干燥备用。图2为超声波清洗集料效果对比。由图2可知，超声波清洗可以更加彻底地清洗集料表面的灰尘和泥土，减小其对沥青黏附性能的影响。

图2 超声波清洗集料效果对比

(2)黏结料裹覆集料。分别取100 g上述烘干集料与6 g SBS改性沥青、6 g胶粉改性沥青在180 ℃加热后混合搅拌均匀。将搅拌均匀的混合料立即均匀摊在玻璃板上，使集料逐一分开冷却。将6 g复合改性乳化沥青与一份集料在常温下拌合均匀并摊开，置于50 ℃恒温烘箱养生24 h后取出，室温静置2 h。同理，分别制备3组试验用料。

(3)超声波作用于集料。取1组试验料，准确称量每份混合料的质量后，放置于超声波清洗槽网架上。开启仪器使水温上升至预定温度，然后开启超声波，作用30 min。由于超声作用过程中水分会蒸发且水温会升高，因此水面至少要高出集料约3 cm，且在水槽中放入温度计，观察并适当调整水温。制备的3组集料分别在40 ℃、60 ℃、80 ℃预定温度下进行试验。

(4)观察黏结料剥落状况并计算脱落率。超声波作用后，向水槽内加入冷水，使黏结料温度降低，黏度增加；然后将集料倒在2.36 mm孔径的筛上，筛下料的质量即为质量损失；再将集料放入40 ℃烘箱保温约10 h，烘干集料表面水分后取出，冷却后称重并观察黏结料脱落状况。由于试验过程中黏结料质量变化较小，所有质量称量均采用精密电子天平。

2 试验结果

分别采用制备的复合改性乳化沥青和成品SBS改性沥青、胶粉改性沥青进行黏附性试验，以黏结料脱落质量和脱落率为定量指标评价其黏附性能。根据结果所得数据绘制不同黏结料脱落质量与脱落率曲线，如图3所示。

图3 不同温度下黏结料脱落质量与脱落率

分析图3可知：随着超声波水煮温度升高，不同黏结料的脱落质量和脱落率均不断增加，但WE/WPU复合改性乳化沥青的脱落质量和脱落率增加较少，80 ℃时脱落质量小于0.6 g，脱落率小于15%；SBS改性沥青和胶粉改性沥青的脱落质量和脱落率随温度升高迅速增加，80 ℃时脱落质量均达到3 g以上，脱落率均达到65%以上，显著高于复合改性乳化沥青。这表明WE/WPU复合改性乳化沥青与集料的黏附性能明显优于SBS改性沥青和胶粉改性沥青，且具有很好的高温稳定性能。

为更加清楚直观地表明裹覆了不同黏结料的集料在不同温度下经超声波作用后表面状况的变化，取部分超声波作用后的集料进行对比分析，其表面状况如图4～6所示。

图4 复合改性乳化沥青集料超声波作用前后对比

图5 SBS改性沥青集料超声波作用前后对比

图6 胶粉改性沥青集料超声波作用前后对比

由图可知，复合改性乳化沥青在80 ℃下经超声波水煮作用后，表面状况并无明显变化，无大面积脱落现象。SBS改性沥青和胶粉改性沥青在60 ℃下经超声波水煮作用后，表面失去光泽，出现明显的蜂窝、麻面现象；在80 ℃下经超声波水煮作用后，集料表面已经出现较大范围剥落，产生大面积裸露。这表明复合改性乳化沥青与集料的黏附性能和其高温稳定性能显著优于SBS改性沥青和胶粉改性沥青。

3 结 语

(1)在水性环氧树脂改性乳化沥青中掺入一定量的水性聚氨酯，制备出了兼具高强度、高柔韧性的复合改性乳化沥青。

(2)对比了不同的黏附性试验方法，采用超声波模拟动水压力的试验对本文制备的WE/WPU复合改性乳化沥青进行黏附性评价。结果显示:超声波加速水损坏后不同种类的沥青与集料的质量损失具有区分性，可以作为评价改性乳化沥青黏附性的试验方法。

(3)由超声波水煮试验结果可知，复合改性乳化沥青的脱落质量以及脱落率均远小于SBS改性沥青和胶粉改性沥青，表明复合改性乳化沥青与集料黏附性能和其高温稳定性能显著优于SBS改性沥青和胶粉改性沥青。

(4)本文采取对照试验的方法，评定了超声波试验定量分析的可行性，但该试验与当下常用试验中黏附性等级的相关性仍有待进一步研究。