水性环氧改性乳化沥青微表处制备及性能研究

2020-07-02陈舟宇刘鲁清闫兆柏

筑路机械与施工机械化 2020年5期

陈舟宇，刘鲁清，闫兆柏

(1.浙江温州甬台温高速公路有限公司，浙江温州 325000； 2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

微表处作为公路工程最主要的预防性养护技术之一，可以有效改善路表使用状况，延长道路使用寿命，并具有施工便捷、能耗低、快速开放交通等技术优势[1-3]。目前，常用的微表处技术主要有SBS改性乳化沥青微表处、SBR改性乳化沥青微表处、水性环氧改性乳化沥青微表处等。其中，水性环氧改性乳化沥青微表处因具有绿色环保、无污染、存储运输方便、可显著改善乳化沥青的黏结力等技术优点[4-6]，越来越受众多专家和学者的青睐。Luo Y等分析了水性环氧改性乳化沥青的改性效果，并研究了微表处的抗裂性及抗车辙性能[7-10]。Li X等提出了一种采用多层密级配水性环氧微表处的设计方法，并探讨了影响微表处道路性能的主要因素[8]。李秀君等提出了多级嵌挤型水性环氧树脂微表处设计方法，并研究了影响微表处耐久性的主要因素[9]。周启伟等评价了水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的抗车辙性能[10]。郑木莲等使用水性环氧树脂配合丁苯橡胶(SBR)对乳化沥青进行复合改性,制备复合改性水性环氧乳化沥青微表处，并评价了其耐久性能[11]。张庆等研究了不同水性环氧树脂掺量下改性乳化沥青的稳定性和黏附性[12]。综上可知，目前国内外学者对水性环氧改性乳化沥青微表处的研究基本都是针对混合料某项性能的提升，缺乏对水性环氧改性乳化沥青微表处性能的系统评价。

鉴于此，本文制备水性环氧改性乳化沥青微表处，优化水性环氧改性乳化沥青微表处级配，并基于湿轮磨耗试验和负荷轮粘砂试验，确定水性环氧改性乳化沥青微表处油石比，在此基础上，全面评价水性环氧改性乳化沥青微表处的路用性能，为水性环氧改性乳化沥青微表处的进一步推广应用奠定坚实基础。

1 原材料与制备方法

1.1 原材料

水性环氧改性乳化沥青微表处制备的主要原材料包括水性环氧改性乳化沥青、集料、填料、水。其中，水性环氧改性乳化沥青为自制；集料选用优质玄武岩，具有优良的抗压、耐磨耗及抗冲击性能；填料由矿粉、水泥组成，可起到改善矿料级配和工作特性的作用；试验用水为饮用水。根据《微表处和稀浆封层技术指南》(TJG/T F40-02—2005)(以下简称《指南》)相关规定，对主要原材料进行性能测试，结果见表1～3。

表1 水性环氧改性乳化沥青技术性能指标

表2 玄武岩集料技术性能指标

1.2 制备方法

水性环氧改性乳化沥青微表处制备方法与普通乳化沥青微表处基本一致，按照普通乳化沥青微表处混合料制备流程依次加入集料、填料、水、水性环氧改性乳化沥青，然后进行拌合即可。水性环氧改性乳化沥青微表处具体制备流程如下。

表3 填料技术性能指标

(1)准备洁净且无杂质的粗、细集料及填料，并将上述材料烘干备用。

(2)按设计配合比称取一定质量的集料放入拌合锅内，掺入填料后拌合均匀，然后加入一定质量的水，再次拌合均匀。

(3)称取一定质量自制水性环氧改性乳化沥青(水性环氧改性乳化沥青称取之前要搅拌均匀)，加入拌合锅，顺时针搅拌至矿料表面均匀裹附水性环氧改性乳化沥青。

(4)将拌合均匀的水性环氧改性乳化沥青微表处混合料倒入试模，最后将试件置于特定养生环境中养生。

2 水性环氧改性乳化沥青微表处的配合比设计

2.1 级配选择

按照矿料级配的不同，微表处通常分为Ⅱ型和Ⅲ型，分别用MS-2和MS-3表示，本文选择MS-3型级配，具体设计级配见表4。其中，水泥用量为1.5%，矿粉用量为8.5%。

2.2 最佳油石比的确定

根据《指南》，采用1 h湿轮磨耗试验(WTAT)和负荷轮粘砂试验(LWT)确定乳化沥青微表处的最佳油石比，其中微表处混合料的最大及最小油石比分别由LWT的负荷轮粘砂量和WTAT的1 h湿轮磨耗损失率控制，具体试验结果如图1所示。

由图1可知：随着油石比的增加，水性环氧改性乳化沥青微表处的湿轮磨耗损失逐渐减少，当油石比为6.6%时，湿轮磨耗损失最大，为450 g·m-2，与之相比，当油石比增加至7.2%时，湿轮磨耗损失降低38.17%，但测试结果均满足规范限值要求(≤540 g·m-2)；相反，随着油石比增加，水性环氧改性乳化沥青微表处负荷轮粘砂量逐渐减大，当混合料油石比由6.6%增加至7.2%时，黏附砂量增加51.67%，但满足规范限值(≤450 g·m-2)要求。

表4 微表处设计级配

图1 不同油石比下水性环氧改性乳化沥青微表处1 h WTAT和LWT测试结果

综上可知，本文水性环氧改性乳化沥青微表处最佳油石比宜为7%左右，但试验过程中发现油石比大于7.0%时，混合料表面有泛油现象，并且在负荷轮碾过程中有轻微粘轮现象发生，这表明微表处混合料油石比不宜过大。因此，结合道路经济性，为保证水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的路用性能最佳，最终确定最佳油石比为7.0%。

3 水性环氧改性乳化沥青微表处性能评价

3.1 可拌合时间及成型状态

参照《指南》，通过拌合试验和黏聚力试验，分别测试了水性环氧改性乳化沥青微表处的可拌合时间、30 min黏聚力及60 min黏聚力，从而进行水性环氧改性乳化沥青微表处可拌合时间和成型状态的评价。《指南》规定，微表处混合料30 min黏聚力不得小于1.2 N·m，60 min黏聚力不得小于2.0 N·m。具体测试结果见表5、6。

由表5可知，随着外加水量的增加，水性环氧改性乳化沥青混合料的可拌合时间逐渐增大，当外加水量大于8%时，水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的可拌合时间均大于300 s，满足规范要求(>120 s)。因此，为使水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的可拌合时间在满足规范要求的前提下不影响混合料的摊铺质量，水性环氧改性乳化沥青微表处外加水量宜为8%。

表5 不同外加水量下水性环氧改性乳化沥青微表处可拌合时间测试结果

表6 水性环氧改性乳化沥青微表处黏聚力测试结果

由表6可知，随着水性环氧树脂的加入，微表处混合料30 min黏聚力呈下降趋势，60 min黏聚力略微增大，同时，60 min的破坏状态表明水性环氧改性乳化沥青为中度成型。分析认为：水性环氧树脂的掺加能够延缓水泥的水化反应，导致水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的30 min黏聚力值低于普通乳化沥青微表处混合料；但随着时间的增加，水泥水化反应逐渐进行，同时水性环氧树脂也开始固化，最终导致水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的60 min黏聚力值高于普通乳化沥青微表处混合料。

3.2 耐磨耗性能及抗水损坏性能

微表处运营后将长期经受车轮磨耗以及雨水等的侵蚀，故研究水性环氧改性乳化沥青微表处的耐磨耗性能和抗水损坏性能具有重要意义。参考《指南》，采用1 h湿轮磨耗损失和6 d湿轮磨耗损失分别评价水性环氧改性乳化沥青微表处的耐磨耗性能和抗水损坏性能，结果见图2。

图2 水性环氧改性乳化沥青微表处1 h和6 d湿轮磨耗损失

由图2可知，普通乳化沥青微表处和水性环氧改性乳化沥青微表处的耐磨耗性能及抗水损坏性能均满足规范要求。与普通乳化沥青微表处相比，水性环氧改性乳化沥青微表处的耐磨耗性能和抗水损坏性能提升效果较明显，其中耐磨耗性能提高28.77%，抗水损坏性能提高23.97%。这表明水性环氧树脂的加入可增强乳化沥青的黏度和刚度，有效改善乳化沥青与集料间的黏结力。

3.3 抗车辙性能

参照《指南》，采用轮辙变形试验评价水性环氧改性乳化沥青微表处的抗车辙性能，主要评价指标为宽度变形率和深度变形率，试验结果见图3。

图3 水性环氧改性乳化沥青微表处轮辙变形率

由图3可知，水性环氧树脂的加入能够提升乳化沥青微表处的抗车辙能力，相比于普通乳化沥青微表处，水性环氧改性乳化沥青微表处轮辙变形率明显降低，其中轮辙宽度和深度变形率分别降低43.55%和42.24%。分析认为，这是由于水性环氧树脂在乳化沥青中与固化剂发生反应后，生成了具有三维网状结构的固化产物，这种固化产物与破乳后的沥青呈相互穿插状，并与集料紧密地黏结在一起，因此微表处的强度明显增强，抗车辙性能得到显著改善。

3.4 抗滑性能

水性环氧改性乳化沥青微表处应具有良好的抗滑性能，以保障行车安全性，参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E2—2011)，采用构造深度和抗滑摆值评价微表处的抗滑性能，试验结果见图4。

图4 水性环氧改性乳化沥青构造深度及抗滑摆值

由图4可知，在乳化沥青中加入水性环氧树脂后，微表处的构造深度和抗滑摆值均有一定的增长，但增长幅度并不明显。水性环氧改性乳化沥青微表处的构造深度大于1.0 mm，抗滑摆值大于77(BPN)，试验结果均满足规范《公路工程质量检查评价标准》(JTG F 801—2012)中的要求，且处于较高水平，明显优于常规微表处的构造深度和抗滑摆值，表现出优异的抗滑性能。