水性环氧乳化沥青混合料的路用性能研究
2017-12-11 13:32:36 《中国公路》 赵金生
随着环氧树脂材料应用于桥面铺装等工程实际中，其凭借优良的粘结性、高强度以及成型速度快等特点得到广泛推广应用。但是，环氧树脂与乳化沥青的相容性较差，通过实验研究得知，两者不可直接混合使用，而将环氧树脂水化生成的水性环氧树脂制备得到沥青胶结料，粘结性强、强度高，且挥发性物质含量较低，能在常温下固化成型。因此，将水性环氧乳化沥青胶结料应用于路面的快速修复技术具有现实意义。本文主要研究了水性环氧树脂乳化沥青混合料的高温性能、低温性能以及水稳性能，设计出应用于道路路面养护与维修的快速修补材料。
原材料
水性环氧固化体系
水性环氧固化体系一般由水性环氧树脂、固化剂和水等不同组分构成。本文选用上海某公司生产的水性环氧树脂作为本次实验原材料，并对其组分含量进行实验分析。对于水性环氧树脂而言，最主要的技术参数是环氧值及固含量。
环氧值 本次实验采用盐酸- 丙酮法测定水性环氧树脂的环氧值。经实验分析得出，本次实验用的水性环氧树脂的环氧值测定结果为0.137。
固含量 根据相关测定技术要求，对水性环氧树脂的固含量进行实验测定。通过两组平行实验得出水性环氧树脂的固含量为48.80%。
固化剂掺量 固化剂的最佳掺量是指环氧树脂固化后的固化产物的物理化学性能达到最佳时的固化剂掺量。若固化剂掺量过少，环氧基将无法完全结合固化剂形成较好的三维网状结构；若固化剂掺量过多，则多余的固化剂无法结合环氧基，导致交联结构松散，固化产物稳定性不足。
经参考相关文献资料，实验过程如是：将水性环氧树脂、固化剂、标准砂按照特定比例拌和均匀，制备得到立方体砂浆试块，试块在标准状况下养护至一定龄期，测试其3d、7d、14d、28d 试件的抗压及抗弯拉强度，通过大量实验最终得出固化剂的掺量范围为42% 至48%。故本次实验选用上述固化剂及其掺量为45% 作为后续实验研究。
乳化沥青
乳化沥青材料常用于道路路面结构中的粘层与透层， 将乳化沥青作为结合料与石料拌和，乳化沥青破乳后在石料表面形成一层薄膜，最终将二者粘结。乳化沥青重要的组成部分包含沥青、水及乳化剂。
沥青材料 用于制备乳化沥青的基质沥青质量的优劣对乳化沥青混合料的性能指标具有关键性的影响。基于易于乳化、施工方便、路面修补适用性等方面的考虑，本文选择壳牌90# 道路石油沥青作为实验选材。
乳化剂 乳化沥青中的乳化剂含量一般很低，一般约为沥青乳液质量的0.20% 至1.8%，其作用是促使沥青以乳浊液的状态均匀稳定地存在，即沥青乳液。本文实验研究选用阴离子乳化剂制备得到乳化沥青。
石料
阴离子乳化沥青中的乳化剂亲水基一端含有负电荷较强的氧元素，从而可以吸附水溶液中负电荷较弱的氢元素形成氢键。由于氢键缔合形成众多水分子，这些水分子覆盖在集料表面，在一定程度上阻止了沥青与集料的接触， 且由于氢键结合的比较牢固，造成水分子不易挥发，故阴离子乳化沥青的破乳、凝结及成型过程都较为缓慢。
阴离子乳化剂并不存在表面活化作用，不能起到改善沥青与集料表面粘附性的作用，因此沥青与集料的粘附性在一定程度上取决于沥青与集料本身的粘附性。由于沥青略显酸性，选择碱性石料可以提高乳化沥青与集料的粘附效果，因此选择石灰岩及其矿粉作为本次实验用集料。
最大粒径及级配的确定 结合国内外研究资料得知， 一般路面所用的修补混合料的最大粒径与坑槽深度具有一定的适用性，最大粒径为9.5mm 的混合料适用于3cm 以下的浅层修补；最大粒径值为13.2mm 的混合料适用于3cm 至5cm 的坑槽修补，而对于更深的坑槽修补，最大粒径选择13.2mm 的混合料，并且应采用分层压实的方式以提高压实质量。根据我国工程实际经验，道路修补一般在沥青路面的上面层进行，处理的坑槽深度约为3cm，因此本文研究采用混合料最大粒径为13.2mm。根据所选用的级配可以计算出沥青乳液用量为9.5%。
矿粉用量的确定 根据上述混合料的制备设计方案， 通过添加不同含量的矿粉，成型试件后测试马歇尔试件的稳定度（kN），通过稳定度在一定程度上可以反映出试件的密实程度。当在混合料中不掺加矿粉时，混合料的稳定度为0，说明试件无法成型，不能形成一定的强度；当矿粉掺量逐渐增大时，试件的强度也随之逐渐呈现出先增后减的趋势，当矿粉掺量为6.0% 时，试件的稳定度达到最大。
经分析得知，当矿粉用量不足时，由于其无法充分地填充粗集料的颗粒间空隙，所以导致混合料成型试件后空隙率较大，无法形成强度；而当矿粉用量过多后，由于矿粉吸收了大量的乳化沥青导致乳化沥青加快了破乳速度， 导致混合料不易压实成型，也导致混合料的空隙率较大、强度较低。故本次研究采用6%的矿粉进行混合料性能实验。
实验结果分析
通过对各组不同类型的沥青混合料成型实验，得出相关的实验结果及结论，现对其分析如下：
沥青混合料的高温性能
沥青混合料的高温稳定性测定，采用车辙试验（DS- 动稳定度）用以检验混合料的高温抗车辙能力。通过实验可知，环氧乳化沥青混合料的动稳定度明显高于乳化沥青混合料及热拌沥青混合料，原因主要是沥青本身是热塑性材料，沥青在高温条件下粘度极剧变小呈流体状态，而环氧树脂是热固材料，环氧树脂与固化剂发生交联作用，形成稳固的三维网状结构，从而表现出良好的高温抗车辙性能。
沥青混合料的低温性能
沥青混合料的低温性能，采用沥青混合料弯曲实验来评价混合料在规定的温度和加载速率时弯曲破坏的力学性质。通过实验可知，环氧乳化沥青混合料的低温性能要弱于热拌沥青混合料，主要表现在沥青混合料试件的抗弯拉强度明显要低于普通热拌沥青混合料，并且试件承受的荷载也明显较小。这是因为这种环氧乳化沥青冷拌冷铺的成型方式以及材料的特性，最终导致成型后的试件的空隙率要比普通热拌沥青混合料的大，并且试件中含有大量的水分，导致部分水分无法排除形成闭口孔隙，这种闭口孔隙在外部荷载的作用下会造成应力集中而发生局部破坏，试件呈现出脆性断裂。
沥青混合料的水稳定性能
沥青混合料的水稳定性通过浸水马歇尔稳定度试验及沥青混合料冻融劈裂试验来评价。按照成型强度的实验方法制作两组马歇尔试件，每组各6 个，参照热拌沥青混合料浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验方法。通过实验可知，环氧乳化沥青混合料试件的稳定度MS1 要高于热拌沥青混合料及乳化沥青混合料。这是由于环氧树脂本身粘结力较大，而且作为一种热固性材料，固化后的产物物化性能稳定，能与沥青分子材料形成三维网状的穿插网络结构，从而表现出较高的强度。而环氧乳化沥青混合料的浸水残留稳定度MS0 要小于热拌沥青混合料， 这也进一步说明环氧乳化沥青混合料的水稳定性能要弱于热拌沥青混合料。
通过实验可知，环氧乳化沥青混合料冻融循环前后试件的劈裂抗拉强度明显要高于热拌沥青混合料及乳化沥青混合料；但是，其冻融劈裂强度比要略小于热拌沥青混合料。
综合以上两组实验结果分析可以看出，环氧乳化沥青混合料的浸水马歇尔试验结果及冻融劈裂试验值均已接近热拌沥青混合料的数值，而且浸水前及冻融循环前的马歇尔稳定度与劈裂抗拉强度均要大于热拌沥青混合料，这反映出环氧乳化沥青混合料在强度方面占有优势。
来源: 中国公路网