水性环氧树脂改性乳化沥青黏层材料的层间性能研究

2023-08-04柴晓晶

黑龙江交通科技 2023年8期

柴晓晶

(山西省长子公路管理段,山西长治 046600)

1 材料及试验方法

1.1 原材料

普通乳化沥青用基质沥青为壳牌90号A级沥青,乳化剂为EM-580,乳化剂用量为普通沥青质量的3%,水与普通沥青的比例为4∶6。普通乳化沥青性能见表1。水性环氧树脂(WEP)为试验室自配,性能见表2,固化剂采用环氧树脂用量10%的三乙烯四胺。将一定比例(待确定)的水性环氧树脂组分和普通乳化沥青加入搅拌器,以300转/min的速度搅拌20 min,再将计算用量的固化剂加入搅拌好的乳化沥青中继续搅拌,搅拌均匀后即可得到水性环氧树脂改性乳化沥青(WEP改性乳化沥青)。水性环氧树脂掺量为普通乳化沥青质量的3%时,WEP改性乳化沥青性能见表1。另外,本文采用试验室自配SBS改性阳离子乳化沥青作为对比黏层油,所用普通乳化沥青同上,SBS掺量为普通沥青的3.5%,SBS改性乳化沥青生产工艺为先乳化后改性,SBS改性乳化沥青性能满足规范要求[1-4]。

表1 普通乳化沥青和WEP改性乳化沥青性能指标

表2 水性环氧树脂性能

微表处用5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm集料,水泥采用P·O 42.5级水泥。

1.2 微表处混合料

微表处混合料级配采用MS-3型,余苗等人研究表明[12],选用其文中提及的级配2与级配3中间级配,设计得微表处混合集料具有最佳的嵌挤状态,与原路面具有最佳的黏结效果。加铺原路面结构选择现有高速公路路面结构AC-13混合料类型,所用改性沥青最佳油石比为5.1%,微表处、AC-13沥青混合料级配见表3。SBS改性乳化沥青微表处混合料设计结果见表4。

表3 合成级配

表4 SBS改性乳化沥青微表处混合料设计结果

1.3 试验设备及方法

层间抗剪试件成型时,选用10 cm厚车辙模具,首先成型5 cm AC-13混合料标准车辙板,随后再在上面涂刷设计用量的WEP改性乳化沥青黏层油,待破乳化后,在表面加铺5 cm微表处层,5 cm微表处层成型方法为:第1次轮碾16次,在110 ℃烘箱中养生24 h,取出后第2次轮碾8次,常温放置24 h。复合试件制作完成后,采用直径100 mm取芯机取芯,取出的试件便可作为抗剪强度试件。加载设备采用UTM,加载速率为20 mm/min,试验温度选择常温。虽然薄层罩面、微表处厚度不超过2.5 cm,但经论证,测试层间抗剪强度时,采用5 cm厚的微表处层对试验结果没有影响。

2 结果与分析

2.1 黏层油中WEP用量与层间抗剪强度的关系

水性环氧树脂与普通乳化沥青共混制作的WEP改性乳化沥青,兼顾了环氧树脂在沥青相中的刚性网络结构,又兼顾了沥青的黏弹性,依据张庆、郝培文的研究成果,随着WEP掺量(0%～7%)的提升WEP改性乳化沥青的储存稳定性先上升后下降,但均没有超过1%的规范技术要求。随WEP掺量的提升,软化点呈线性上升的趋势;针入度呈急剧下降的趋势,但距规范下限有很大的距离;延度呈线性下降的趋势,但下降很快小于20 mm的技术要求。所以,本文以WEP改性乳化沥青延度、乳化沥青中WEP用量与层间抗剪强度的关系确定WEP的最佳用量。选用1%、2%、3%、4%的水性环氧树脂与普通乳化沥青共混、搅拌,制作WEP改性乳化沥青。黏层油的洒布量按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)推荐0.3～0.6 L/m2中值使用,即0.45 L/m2。

从图1可知,随WEP用量的提升,延度呈下降趋势,层间抗剪强度呈上升趋势。当WEP改性乳化沥青刚好满足延度不小于20 mm规范要求时,WEP用量为3.4%,为WEP改性乳化沥青的延度留有一定的安全系数,选WEP用量为普通乳化沥青用量的3%。

图1 WEP用量与延度、层间抗前强度的关系

2.2 黏层油用量与层间抗剪强度的关系

黏层油选用WEP改性乳化沥青和SBS改性乳化沥青对比试验,微表处层采用SBS改性乳化沥青混合料,研究不同用量的黏层油与层间抗剪强度的变化。试验结果见图2。

图2 抗剪强度与黏层油用量的变化曲线

从图2可知,WEP改性乳化沥青和SBS改性乳化沥青黏层油均存在随黏层油用量增加,层间抗剪强度先增加,后缓慢降低的趋势,均存在抗剪强度极值点,以层间抗剪强度最大为评价标准,WEP改性乳化沥青最佳用量为0.6 kg/m2;SBS改性乳化沥青最佳用量为0.8 kg/m2。环氧树脂及固化剂加入乳化沥青中,固化剂以包裹环氧树脂颗粒的方式存在,形成了以环氧树脂为内核、外边裹覆着固化剂的高分子基团,由于固化剂呈亲水亲油性,一边与环氧树脂分子结构中的长链吸附于沥青粒子表面,产生沥青粒子-环氧树脂(固化剂)-沥青粒子的桥梁结构,最终形成沥青粒子与环氧树脂絮凝团聚,这个过程中参与作用的沥青包括乳化沥青中的沥青,上下层AC-13混合料中的沥青,进而使两种沥青、环氧树脂形成更为广泛的网状交联结构。另外,固化剂的级性基团加强了与AC-13混合料中表皮裸露集料的吸附作用,最终表现出层间更强的抗剪强度。而SBS改性沥青与上下AC-13混合料层只表现出胶粘作用。

2.3 温度对层间黏层材料抗剪强度的影响

选用WEP改性乳化沥青和SBS改性乳化沥青,对比研究两种乳化沥青的高温性能。通过改性乳化沥青蒸发残留物DSR试验,研究高温时段两种乳化沥青抵抗层间滑移的能力。试验结果见表5。

表5 蒸发残留物DSR试验结果

从表5可知,WEP改性乳化沥青在未固化前,复数剪切模量G*、车辙因子G*/sinδ已高于SBS改性沥青。这表明WEP加入后,已对普通沥青起到限位、增稠的作用,而WEP在固化后,三维网状结构作用力更强,对普通沥青限位作用能力更为明显,最终表现为WEP改性微表处混合料的高温抗剪性能更具有优势。

2.4 水、层间污染对微表处层间抗剪强度的影响

为模拟路面饱水状态(下雨后未干燥铺筑)和层间污染(原路面未完全清扫干净)状态,黏层采用WEP改性乳化沥青和SBS改性乳化沥青。选用3组10 cm厚车辙板试件试验,第1组试件试验路面干净无污染状态,第2组试件试验路面饱水状态,第3组试件试验层间污染状态。每组试件2块车辙板,各自试验一种改性乳化沥青黏层油的性能。层间状态处理时,首先成型5 cm AC-13混合料车辙板试件,再对试件进行饱水、在表面撒布一薄层粉土方式进行处理,再涂刷黏层油,取直径100 mm芯完成直剪试验,试验温度为常温。最大抗剪强度见表6。

表6 不同污染状态层间抗剪强度

表6可知,WEP改性乳化沥青黏层在干燥无污染状态、饱水表干状态、轻度表面污染状态的黏结性能均大于SBS改性乳化沥青黏层。两种黏层沥青在不同条件下,干燥无污染状态抗剪强度最高,轻度表面污染状态抗剪强度最低。表明微表处罩面时,表面必须清扫干净,同时注意加铺时。路面的干燥程度,如潮湿时必须暴晒后才可以施工。