張慶++郝培文 白正宇

摘 要：針對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化特點(diǎn)，確定水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青混凝土試件的養(yǎng)生條件，對(duì)比不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下乳化瀝青混合料路用性能指標(biāo)。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入有利于提高乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，并且對(duì)乳化瀝青混凝土后期強(qiáng)度的影響明顯大于其早期強(qiáng)度，水性環(huán)氧樹(shù)脂能夠有效改善乳化瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，但對(duì)乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。

關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧樹(shù)脂；乳化瀝青混合料；養(yǎng)生條件；凍融劈裂

中圖分類號(hào)：U414.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Properties of Emulsified Asphalt Concrete Modified with Waterborne Epoxy Resin

ZHANG Qing1，2， HAO Pei- wen1， BAI Zheng- yu2

（1. Key Laboratory for Road Structure and Material of Transportation Industry， Changan University，

Xian 710064， Shaanxi， China； 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Henan Normal

University， Xinxiang 453007， Henan， China）

Abstract： The pavement performance of emulsified asphalt mixture with different amounts of waterborne epoxy resin was studied， and the curing conditions of waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt mixture were set up. Combined with laboratory experiments and data analysis， it is found out that waterborne epoxy resin can improve the early strength and later strength of emulsified asphalt mixture， and the effect on the later strength is significantly greater. It also improves the water stability， while has an adverse effect on cracking resistance at low temperature.

Key words： waterborne epoxy resin； emulsified asphalt mixture； modification； pavement performance

0 引 言

乳化瀝青混合料是一種環(huán)保型材料，它采用乳化瀝青作為結(jié)合料，在制備和使用過(guò)程中有害物質(zhì)排放量極少，且生產(chǎn)后可常溫儲(chǔ)存，與普通瀝青混合料相比，不需要重復(fù)加熱，大幅度節(jié)約了能源消耗[1]。很多國(guó)家都在嘗試將乳化瀝青混合料作為道路鋪筑材料，用于面層和基層。截至目前，美國(guó)、法國(guó)、瑞典等國(guó)家都有用乳化瀝青混合料鋪筑城市街道及鄉(xiāng)村道路的工程實(shí)例，并取得了良好的使用效果。

水性環(huán)氧樹(shù)脂（Waterborne Epoxy，簡(jiǎn)稱WE）是以環(huán)氧樹(shù)脂微粒為分散相、以水為連續(xù)相的液相體系材料[2]，可在室溫條件下以及潮濕環(huán)境中固化，已成為水泥混凝土道路建設(shè)和維修的常用改性材料[3]，可將環(huán)氧樹(shù)脂熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高和粘結(jié)力強(qiáng)的特性發(fā)揮到路用材料中。文本采用水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青混凝土進(jìn)行改性，研究水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青混凝土的制備方法和性能規(guī)律，為高性能乳化瀝青混凝土的理論研究和工程實(shí)踐提供參考。

1 試樣的制備

1.1 試驗(yàn)材料

集料采用石灰?guī)r，級(jí)配取AC- 13范圍中值；乳化瀝青為陽(yáng)離子慢裂慢凝型乳化瀝青；水性環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)固化劑乳化法自制[4]，其中環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的比例為0.8∶1。為提高乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度，添加適量水泥以加快乳化瀝青破乳[5]，采用標(biāo)號(hào)42.5硅酸鹽水泥，摻量為1%。

1.2 試件成型方法

1.2.1 拌和

在混合料拌和之前，先加入適量水，以提高乳化瀝青對(duì)集料的裹附性和混合料的可拌和性。在滿足工作性的前提下，控制用水量，集料加水拌和后表面呈基本潤(rùn)濕狀態(tài)。然后在拌和狀態(tài)下依次加入水泥、乳化瀝青（根據(jù)研究需要采用不同的水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量），并繼續(xù)攪拌。機(jī)械作用會(huì)加速乳化瀝青破乳速度，過(guò)度攪拌會(huì)使乳化瀝青過(guò)早破乳，導(dǎo)致混合料離析，并且會(huì)使集料表面瀝青膜發(fā)生剝離，因此機(jī)械攪拌時(shí)間以加入乳化瀝青后1 min為宜。混合料較稀時(shí)，應(yīng)當(dāng)在常溫下養(yǎng)生至混合料稠度適中再進(jìn)行擊實(shí)，可通過(guò)風(fēng)扇通風(fēng)來(lái)加快養(yǎng)生速度。

1.2.2 擊實(shí)

在制備乳化瀝青混合料試件的過(guò)程中，變化最大的為含水量，它是影響乳化瀝青混合料成型速度的主要因素[6]。在試件成型過(guò)程中，通過(guò)兩次馬歇爾擊實(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的排水：第一次擊實(shí)的目的是使混合料在水和乳化瀝青的潤(rùn)滑作用下達(dá)到最佳密實(shí)度，在這個(gè)過(guò)程中，乳化瀝青混合料尚未完全破乳，擊實(shí)作用使部分水分在機(jī)械功的作用下被壓出，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的路面碾壓階段；第二次擊實(shí)的目的是壓實(shí)水分排出后形成的空隙，擊實(shí)作用使乳化瀝青充分破乳并加速混合料中殘余水分排出，此時(shí)瀝青尚未硬化，可以進(jìn)一步壓密混合料，模擬路面開(kāi)放交通后混合料被不斷壓密的過(guò)程。

為提高乳化瀝青混合料成型試件的壓密效果，并盡量減少擊實(shí)過(guò)程中瀝青乳液的損失，采取兩次擊實(shí)和先輕后重的原則，將混合料均勻拌和后，第一次擊實(shí)35次，第二次擊實(shí)40次。

1.3 養(yǎng)生條件的確定

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)乳化瀝青混合料的養(yǎng)生溫度和時(shí)間界定各不相同，國(guó)內(nèi)一般采用交通部陽(yáng)離子乳化瀝青協(xié)作組推薦的修正馬歇爾試驗(yàn)方法[7]，即試件置于烘箱中在養(yǎng)生溫度下試模內(nèi)養(yǎng)生24 h，模外靜置24 h。養(yǎng)生溫度為室溫時(shí)，試件強(qiáng)度代表乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度；養(yǎng)生溫度為110 ℃時(shí)，試件強(qiáng)度代表乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度。

利用水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青混凝土進(jìn)行改性，使乳化瀝青混合料的性能有較大改進(jìn)。但在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，若試件在110 ℃以下養(yǎng)生，強(qiáng)度性能改善效果不好，試件表面容易出現(xiàn)起皮、泛白的現(xiàn)象。分析認(rèn)為：這是水性環(huán)氧樹(shù)脂在高溫條件下迅速固化引起的，雖然110 ℃以下有利于水分的蒸發(fā)排出，但高溫下水性環(huán)氧樹(shù)脂固化速度比水分揮發(fā)速度更快，并且混合料試件在沒(méi)有達(dá)到恒溫之前，內(nèi)部存在溫度梯度，試件表面溫度較高，導(dǎo)致表面部分的水性環(huán)氧樹(shù)脂迅速固化，在試件表層形成沒(méi)有流動(dòng)性的環(huán)氧樹(shù)脂固化物，隨后試件中的水分蒸發(fā)形成膨脹功，造成試件表面出現(xiàn)細(xì)微破裂現(xiàn)象。

高溫條件還會(huì)使水性環(huán)氧樹(shù)脂固化效果下降。水性環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程也是固化劑分子向環(huán)氧樹(shù)脂微粒內(nèi)部滲透、擴(kuò)散的過(guò)程。固化反應(yīng)首先在環(huán)氧樹(shù)脂粒子界面發(fā)生，同時(shí)固化劑分子逐漸擴(kuò)散到環(huán)氧樹(shù)脂粒子內(nèi)部，進(jìn)一步和環(huán)氧樹(shù)脂分子發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)。如果環(huán)境溫度較高，界面處的固化反應(yīng)過(guò)快，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂顆粒表面層的粘度快速增加，使固化劑分子向環(huán)氧樹(shù)脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的時(shí)間變短，因此大量的固化劑分子聚集在環(huán)氧樹(shù)脂顆粒表面，與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)，形成較硬的顆粒外殼，阻止了更多未參與反應(yīng)的固化劑分子向環(huán)氧樹(shù)脂顆粒內(nèi)部滲透、擴(kuò)散、交聯(lián)，造成環(huán)氧樹(shù)脂固化程度下降，導(dǎo)致混合料的性能受到影響。

針對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化特點(diǎn)，同時(shí)考慮60 ℃以上的溫度會(huì)遏制水泥的水化反應(yīng)，確定采取60 ℃的養(yǎng)生溫度，使試件中的水分較為緩慢地消散，避免與水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化速度協(xié)調(diào)性差而導(dǎo)致試件發(fā)生應(yīng)力集中破壞，并且保證了環(huán)氧樹(shù)脂的固化程度。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，試件在60 ℃烘箱內(nèi)48 h達(dá)到質(zhì)量恒定，視為養(yǎng)生時(shí)間完成。所以試件養(yǎng)生條件為：第一次擊實(shí)后在60 ℃下養(yǎng)生1 h；然后取出試件第二次擊實(shí)后脫模，并在60 ℃下繼續(xù)養(yǎng)生47 h；最后將試件從烘箱取出，室溫放置12 h。

2 性能測(cè)試及分析

2.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件強(qiáng)度的影響

2.1.1 早期強(qiáng)度

在室溫養(yǎng)生條件下，制備不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的乳化瀝青混合料試件，對(duì)其進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試，以考察水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度逐漸提高。

圖1 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的試件早期強(qiáng)度

對(duì)不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的早期強(qiáng)度進(jìn)行單因素方差分析。從表1中可以看出，顯著性因子小于0.05，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度具有顯著影響。

水性環(huán)氧樹(shù)脂屬于反應(yīng)型改性劑，積極影響于形成強(qiáng)度較高且形態(tài)不可逆的連續(xù)空間網(wǎng)絡(luò)。在水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化過(guò)程中，固化物能夠通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)作用貫穿于瀝青膜體相之中，并且環(huán)氧樹(shù)脂固化物能夠把瀝青粒子橋接在一起，使得乳化瀝青殘留物性能顯著提高，所以水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入有利于乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度的提高。

2.1.2 后期強(qiáng)度

在60 ℃條件下養(yǎng)生，制備不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的乳化瀝青混合料試件，對(duì)其進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)試，從而考察水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度得到明顯提高。

圖2 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的試件后期強(qiáng)度

對(duì)不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的改性乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度進(jìn)行單因素方差分析。從表2中可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度具有顯著的影響。

通過(guò)對(duì)比水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的方差分析結(jié)果中的F值可知，后期強(qiáng)度的F值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于早期強(qiáng)度的F值，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度的影響大于對(duì)乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度的影響效果。這是由于在乳化瀝青混合料強(qiáng)度形成初期，乳化瀝青還沒(méi)有完全破乳，混合料內(nèi)部的水分也沒(méi)有完全消散。早期強(qiáng)度主要由集料形成的內(nèi)摩阻力構(gòu)成，所以此時(shí)水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混合料的早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。當(dāng)乳化瀝青混合料破乳達(dá)到成型強(qiáng)度的時(shí)候，混合料內(nèi)部的水分也已經(jīng)完全消散，這時(shí)內(nèi)聚力已成為構(gòu)成混合料強(qiáng)度的主要部分，由于水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)提高乳化瀝青混合料內(nèi)聚力具有顯著作用，進(jìn)一步影響混合料的強(qiáng)度，因此水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量會(huì)對(duì)乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度起到重要影響作用。

2.2 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件低溫性能的影響

為了考察水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能，對(duì)不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的乳化瀝青混合料試件進(jìn)行低溫彎曲應(yīng)變能測(cè)試[8]，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，乳化瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度逐漸降低，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。

圖3 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的試件低溫彎曲應(yīng)變能密度

2.3 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件水穩(wěn)定性能的影響

對(duì)不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的乳化瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，考察試件的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。從圖中可以看出，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，乳化瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度明顯逐漸增高，凍融劈裂強(qiáng)度比也得到顯著提高。

圖4 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的試件劈裂強(qiáng)度

圖5 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的試件凍融劈裂強(qiáng)度比

由于瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度能夠在一定程度上反映混凝土的粘聚力，因此試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂能夠顯著提高乳化瀝青混合料的粘聚力，其內(nèi)在原因是水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入提高了膠結(jié)料的粘結(jié)性能。凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)能夠有效反映混凝土的水穩(wěn)定性，從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入有利于乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性的提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析中可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)乳化瀝青混合料的性能影響較大，得出如下結(jié)論。

（1） 針對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化特點(diǎn)，確定水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青混合料試件的養(yǎng)生溫度為60 ℃。

（2） 水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)改性乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有顯著影響，且水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)乳化瀝青混合料后期強(qiáng)度的影響效果大于對(duì)早期強(qiáng)度的影響效果。

（3） 隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，乳化瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度逐漸降低，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。

（4） 水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量能夠顯著提高乳化瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入能夠有效改善乳化瀝青混合料的粘聚力和水穩(wěn)定性。

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[責(zé)任編輯：譚忠華]