水性环氧树脂乳化沥青混合料在高速公路中的应用

2020-06-20

中国公路 2020年10期

（张石高速公路张家口管理处，河北张家口 075000）

一、引言

乳化沥青是一种制备工序简便的公路路面修补胶结材料，具备低碳节能、对环境污染小等优点，但一般的乳化沥青粘结力和弹性较差，经研究发现，环氧树脂可以弥补普通乳化沥青存在的缺点。本文为了进一步探索水性环氧树脂乳化沥青混合料在高速公路中的应用，分析了其制备工艺及改性机理，依托某公路补修工程，对不同环氧树脂掺量的乳化沥青混合料路用性能进行对比分析并得出结论，以期为水性环氧树脂乳化沥青混合料在高速公路工程中的应用提供参考。

二、水性环氧树脂改性乳化沥青的制备与改性

水性环氧树脂乳液是一种不含挥发性有机溶剂（VOC）的环保低毒型水分散乳液，以环氧树脂微粒为分散相、以水为连续相的液相材料，可以与多种材料粘结。

本次研究采用的水性环氧树脂乳化沥青是由乳化沥青和环氧树脂、固化剂、环氧树脂改性剂的混合乳液按一定比例配置而成。

（一）制备工艺

1.先改性后乳化

这种方法应用范围较为广泛，但在制备过程中，改性乳化沥青的粘度会随着改性剂用量的增加而增加，容易产生改性乳化沥青的制备工序复杂、制造成本较高、生产过程危险等问题。

2.先乳化后改性

采用这种方法制备改性乳化沥青需要添加改性剂，一般常用的改性剂有丁苯（SBR）胶乳、氯丁（CR）胶乳等，该方法虽然对生产设备的要求较低且操作过程简单，但要求改性剂必须为液态，成品稳定性也较差。

3.同时乳化和改性

采用这种方法制备改性乳化沥青需要先将水、乳化剂、稳定剂和聚合物改性剂等材料均匀地混合成乳液，随后将热沥青加入乳化机内制成改性乳化沥青，此方法制成的改性乳化沥青具有稳定性好、固含量高、粘度大等优点。

在生产过程中，可以根据实际情况综合分析上述三种改性乳化沥青制备方法，以选取最佳的改性工艺。水性环氧树脂乳化沥青胶结料的配置流程如图1所示。

图1. 水性环氧树脂乳化沥青胶结料制备流程

（二）改性机理

水性环氧树脂乳化沥青与普通的乳化沥青相比，高温稳定性、粘结性和低温抗裂性能更好，当乳化沥青与环氧乳液混合时，会发生以下几种情况：

1.环氧树脂固化反应

以环氧树脂和固化剂为主要成分，经设计而组成的未固化体系称为环氧树脂固化体系，在体系中可以掺加其他添加剂。在环氧树脂固化反应过程中，环氧树脂分子中的环氧基和羟基是固化反应的活性中心，环氧树脂固化体系会相互交联生成三维网络结构的固化物，继而与多种官能团进行反应，最终完成改性。

2.环氧树脂网络的形成

环氧树脂中分子量较大的高分子化合物在固化剂的作用下，冲破沥青分子之间的束缚，进而均匀地分布于薄膜中，通过纵向交织、横向交织、横纵交织等不规则的交织方式形成空间网络结构。经过固化后的环氧树脂在增大抗拉强度，减小伸长率的同时，也将失去可溶性，溶胀有限。

乳化沥青在改性过程中，对水性环氧树脂的掺量有一定要求。若环氧树脂掺量过大将提高改性成本，同时也会导致改性沥青某些性能下降，若环氧树脂掺量不足，将会影响乳化沥青的改性效果。

三、工程实践

（一）工程概况

某高速公路全长36.56km，采用双向四车道高速公路标准设计，路基全宽24.5m，路面采用三层式沥青混凝土，本文选取其中200m作为试验段，上面层采用水性环氧树脂乳化沥青混合料，现对不同环氧树脂掺量的改性乳化沥青混合料性能进行评价。

（二）样品制备

将水性环氧树脂与水性环氧固化剂按1：1.5的比例进行混合，将混合后的水性环氧分别按0%、8%、15%、30%的比例掺加到乳化沥青中，并选用公称最大粒径为13.2mm玄武岩作为集料，石灰石矿粉作为填料。

（三）混合料路用性能

本文通过掺加固含量分别为0%、8%、15%和30%比例的水性环氧树脂进行马歇尔试验、车辙试验和低温性能试验，试验结果如表1所示。

表1. 不同比例水性环氧树脂乳化沥青混合料性能试验结果

由下述试验结果分析可知：

1.水性环氧树脂乳化沥青混合料的马歇尔稳定度随水性环氧树脂掺量的增加而逐渐增大，与基质乳化沥青混合料相比，掺加水性环氧树脂后的乳化沥青混合料马歇尔稳定度有大幅度提升，均高于4.5kN，性能也明显增强，当掺量为30%时，水性环氧树脂乳化沥青混合料比普通乳化沥青的马歇尔稳定度提高了约12.83倍。

2.随着水性环氧树脂的掺加，水性环氧树脂乳化沥青混合料的动稳定度也逐渐增大，当环氧树脂掺量为8%时，水性环氧树脂乳化沥青混合料的动稳定度比普通乳化沥青混合料的动稳定度提高了约15倍，当环氧树脂掺量继续增加时，虽然混合料的动稳定度增长速率变得缓慢，但还会持续增长。

3.由低温小梁弯曲试验结果发现，当水性环氧树脂掺量达到8%时，水性环氧树脂乳化沥青混合料的最大弯拉应变就已经满足普通热拌沥青混合料在冬季寒冷地区的规定值2000。当掺量持续增加时，混合料试件的最大弯拉应变在逐渐减小，这是由于掺入水性环氧树脂后，混合料的固化程度很高，导致制备的小梁弯曲试件强度、刚度较大，进而表现出一定的脆性断裂。因此，在冬季施工或寒冷地区使用这种材料时，水性环氧树脂掺量不宜过大。