崔 通，任海生，黃維蓉，楊東來，張順先

(1.保利長大工程有限公司，廣州 511430；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

在我國，大型橋梁結(jié)構(gòu)及大型城市立交工程的鋼箱梁橋面鋪裝層普遍采用瀝青混凝土，由于鋼板與普通瀝青混合料的粘結(jié)能力較弱，夏季高溫易導(dǎo)致鋼箱梁鋼板面的溫度急劇升高，使得這類瀝青路面更容易出現(xiàn)推移、坑槽、擁包、車轍、開裂等路面病害[1-3]。此外，由于瀝青的溫度敏感性強(qiáng)，在環(huán)境溫度不斷變化時(shí)，其與集料、水泥混凝土界面以及鋼板的粘結(jié)力、抗水剝離能力低。已有研究表明，改性瀝青和環(huán)氧瀝青的使用在一定程度上緩解了上述路面病害，但并未從根本上解決[4]。

水性環(huán)氧改性乳化瀝青是由水性環(huán)氧樹脂體系和乳化瀝青體系共混形成的一種新型復(fù)合材料，2種材料共混后可相互彌補(bǔ)彼此性能缺陷，且能在常溫下達(dá)到完全固化，減少了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[5-6]。目前，已有學(xué)者成功制備出水性環(huán)氧乳化瀝青復(fù)合材料，并將其應(yīng)用在路面工程中。何遠(yuǎn)航、朱偉超等[7-9]以改性的芳香族類胺為固化劑制得水性環(huán)氧乳化瀝青，各項(xiàng)性能均優(yōu)于普通乳化瀝青，并將其應(yīng)用于微表處技術(shù)，效果顯著；王火明等[10]將水性環(huán)氧樹脂和SBS改性乳化瀝青復(fù)配，用以修護(hù)瀝青混凝土路面；丁慶軍、沈凡等[11-12]提出了水泥-乳化瀝青-水性環(huán)氧復(fù)合膠結(jié)料，應(yīng)用于鋼橋面鋪裝，路用效果優(yōu)異；張樹春[13]研究了水性環(huán)氧乳化瀝青的各項(xiàng)基本性能，指出其在路面坑槽修補(bǔ)中有較大的應(yīng)用前景；Zhang Qian等[14]將水性環(huán)氧樹脂乳液加入SBR改性乳化瀝青中以改善其作為防水粘結(jié)層的各項(xiàng)性能。

綜上，目前我國學(xué)者對水性環(huán)氧乳化瀝青的制備及性能測試已有一定研究，但由于水性環(huán)氧樹脂、固化劑種類繁多，在與乳化瀝青體系混合制備水性環(huán)氧乳化瀝青時(shí)，其組分種類、摻配比例、制備工藝等變化多樣，需根據(jù)具體工程進(jìn)行調(diào)配。本文將水性環(huán)氧體系與自制的SBR/CR復(fù)合改性乳化瀝青進(jìn)行機(jī)械混合，既利用了水性環(huán)氧固化物的高溫穩(wěn)定性能和高粘結(jié)性能，又利用了SBR/CR復(fù)合改性劑的低溫抗裂性能，制備出性能優(yōu)異的水性環(huán)氧乳化瀝青，并嘗試將新型水性環(huán)氧乳化瀝青作為膠結(jié)料應(yīng)用于冷拌瀝青混合料。通過對水性環(huán)氧乳化瀝青的原材料配制、制備工藝以及其基本性能的研究，供現(xiàn)場實(shí)際工程參考。

1 原材料

1.1 水性環(huán)氧樹脂

選用的水性環(huán)氧樹脂A是市面上一種較為成熟的采用化學(xué)接枝法改性得到的水性環(huán)氧樹脂，由低分子雙酚A型環(huán)氧樹脂和一種改性環(huán)氧樹脂在一定工藝下分散而成，環(huán)氧值為0.36～0.44，是一種純環(huán)氧樹脂乳液。水性環(huán)氧樹脂A含有少量助溶劑，屬于新一代高性能水性環(huán)氧樹脂乳液，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 固化劑

為保證水性環(huán)氧樹脂乳液能夠在常溫下完成固化反應(yīng)，選用一種多元胺類固化劑B，它是一種不含游離表面活性劑的水可稀釋性胺類固化劑，具有較好的穩(wěn)定性，與環(huán)氧樹脂有良好的相容性，固化性能優(yōu)異，其性能指標(biāo)如表2所示。

根據(jù)水性環(huán)氧固化機(jī)理計(jì)算出水性環(huán)氧樹脂乳液A和水性固化劑B的比例為1∶0.9。

表1 水性環(huán)氧樹脂A技術(shù)指標(biāo)

表2 水性環(huán)氧固化劑B技術(shù)指標(biāo)

1.3 改性乳化瀝青

為保證制備的水性環(huán)氧乳化瀝青具備優(yōu)異的綜合路用性能，采用SBR和CR改性劑對乳化瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，制備出復(fù)合改性乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

2 制備工藝

水性環(huán)氧改性乳化瀝青的制備主要通過機(jī)械拌和將2種體系充分融合在一起，一般可采用膠體磨、高速剪切機(jī)和攪拌砂磨分散機(jī)等機(jī)械設(shè)備。由于所選擇的水性環(huán)氧樹脂體系中固化劑的黏度較大，高速剪切機(jī)不能很好地將固化劑分散于改性乳化瀝青中；而采用膠體磨進(jìn)行拌和時(shí)溫度較高，對水性環(huán)氧樹脂體系的固化效果影響較大，因此為保證水性環(huán)氧樹脂的固化效果，選擇攪拌砂磨分散機(jī)制備水性環(huán)氧改性乳化瀝青。制備流程如圖1所示，具體制備過程如下：

1) 根據(jù)確定的各組分摻量稱取水性環(huán)氧樹脂、固化劑以及改性乳化瀝青。

表3 復(fù)合改性乳化瀝青性能

2) 為防止水性環(huán)氧體系固化較快，固化物粘結(jié)，將水性環(huán)氧樹脂A和固化劑B摻入改性乳化瀝青中，并手工攪拌至混合體系中無明顯塊狀物。

3) 將水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合體系放入攪拌砂磨分散機(jī)，轉(zhuǎn)速600 r/min，持續(xù)攪拌10 min，制備出水性環(huán)氧改性乳化瀝青。

圖1 水性環(huán)氧乳化瀝青制備流程

3 水性環(huán)氧乳化瀝青性能研究

3.1 3大指標(biāo)試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[15]對自制水性環(huán)氧改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)，研究不同水性環(huán)氧摻量對改性乳化瀝青3大指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同水性環(huán)氧樹脂摻量對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物3大指標(biāo)的影響

由表4可知，水性環(huán)氧樹脂對改性乳化瀝青的3大指標(biāo)影響顯著，其中對蒸發(fā)殘留物延度影響最顯著，5%水性環(huán)氧樹脂摻量的改性乳化瀝青延度下降69.8%，而針入度幾乎保持不變，軟化點(diǎn)僅提升了23.4%，復(fù)合改性乳化瀝青低溫性能大幅下降的同時(shí)其高溫性能并未大幅上升；隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，延度持續(xù)下降但下降速率減緩，同時(shí)復(fù)合改性乳化瀝青的針入度大幅降低、軟化點(diǎn)大幅增大。在達(dá)到15%摻量后繼續(xù)摻入水性環(huán)氧樹脂，改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物針入度降低、軟化點(diǎn)上升的趨勢減緩，且延度降至5.5 cm易發(fā)生脆斷，不宜用作道路工程路面材料。

綜上分析，根據(jù)水性環(huán)氧改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，確定水性環(huán)氧樹脂的最佳摻量為15%。相對于乳化基質(zhì)瀝青其針入度從72下降到57.3，下降20.3%；軟化點(diǎn)從44.0 ℃上升到77.2 ℃，上升75.6%；延度從26.8 cm下降到13.7 cm，下降48.7%；此時(shí)，改性乳化瀝青的高溫性能大幅提升，同時(shí)還有一定的低溫抗裂性。

3.2 布氏黏度試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范[15]對自制水性環(huán)氧改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行布氏旋轉(zhuǎn)黏度測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同水性環(huán)氧摻量下乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的粘溫關(guān)系

由圖2可知，水性環(huán)氧樹脂摻量為5%、10%時(shí)，對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的黏度影響不顯著，原因是水性環(huán)氧樹脂摻量較少時(shí)，水性環(huán)氧樹脂體系在改性瀝青體系中固化后未完全形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，未能將所有瀝青分子包裹；當(dāng)水性環(huán)氧樹脂乳液摻量達(dá)到15%時(shí)，其黏度較10%摻量時(shí)有明顯提升，其中100 ℃布氏黏度上升了93.3%，較20%摻量的改性乳化瀝青體系，其隨著溫度升高黏度下降的趨勢也更為平緩。這一變化表明水性環(huán)氧樹脂的最佳摻量為15%，在改性乳化瀝青體系中固化完成后形成了致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將破乳后的瀝青分子緊緊包裹起來；此外，其熱固性材料的特性保證乳化瀝青在高溫條件下仍保持優(yōu)異的性能；而20%的水性環(huán)氧樹脂摻量時(shí)，由于水性環(huán)氧樹脂的固化快于乳化瀝青的破乳，過多的水性環(huán)氧樹脂固化后反而阻礙了乳化瀝青的破乳。因此，隨著溫度的上升尚未破乳的乳化瀝青開始破乳反應(yīng)，導(dǎo)致其復(fù)合改性瀝青體系隨溫度上升，黏度下降更快。

3.3 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范[15]對自制水性環(huán)氧改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用Discovery HR-2型旋轉(zhuǎn)流變儀，旋轉(zhuǎn)壓頭25 mm，試件膜厚1 mm；試驗(yàn)?zāi)Ｊ綖闇囟葤呙?，分別為52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃，頻率選擇為10 rad/s。不同水性環(huán)氧摻量下的乳化瀝青復(fù)數(shù)剪切模量及相位角如圖3、圖4所示，車轍因子如圖5所示。

圖3 不同水性環(huán)氧摻量下復(fù)數(shù)模量隨溫度變化關(guān)系

圖4 不同水性環(huán)氧樹脂摻量下相位角隨溫度變化關(guān)系

圖5 不同水性環(huán)氧樹脂摻量下改性乳化瀝青Log(G/sin δ)與溫度關(guān)系曲線

復(fù)數(shù)剪切模量代表瀝青的高溫抗變形能力，其值越大代表高溫穩(wěn)定性能越好。由圖3可知：1) 從52 ℃到82 ℃，不同摻量改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量隨著溫度升高而降低，其下降趨勢均表現(xiàn)為3個(gè)階段：初始階段復(fù)數(shù)剪切模量下降速度較快，中間階段下降速度迅速減小，末期趨于穩(wěn)定。究其原因是摻入水性環(huán)氧樹脂固化后形成的空間網(wǎng)絡(luò)將瀝青分子緊緊包裹，使得其復(fù)數(shù)剪切模量初始值很大，但由于在復(fù)合體系中其含量遠(yuǎn)少于瀝青含量，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，溫度逐漸上升，此階段的復(fù)合材料主要為瀝青材料在高溫下的特性，中后期復(fù)數(shù)模量迅速減小，直至趨于穩(wěn)定；2) 水性環(huán)氧樹脂體系的摻入對瀝青材料的高溫抗變形能力有顯著提升效果，其摻量越多對應(yīng)蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量值越高。水性環(huán)氧樹脂摻量分別為0%～5%、5%～10%、10%～15%、15%～20%時(shí)，對應(yīng)蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量分別增加了17.2%、39.8%、157.1%、37.7%。這一變化表明水性環(huán)氧樹脂摻量為15%時(shí)，改性乳化瀝青形成交聯(lián)固化空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，較10%摻量的復(fù)數(shù)剪切模量提升了1.5倍。盡管隨摻量的進(jìn)一步增大，其復(fù)數(shù)剪切模量還在繼續(xù)增大，但增幅已不明顯，且摻量過多會導(dǎo)致瀝青材料容易脆斷，低溫性能大幅下降。

由圖4可知，隨著溫度上升，水性環(huán)氧改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角幾乎成線性趨勢上升，但在相同溫度下，相位角隨水性環(huán)氧樹脂乳液摻量的增加而減少，摻量為15%時(shí)，相位角下降最為明顯，說明在該摻量下水性環(huán)氧樹脂固化所形成的空間網(wǎng)絡(luò)對流動的瀝青分子限制最為明顯，效果最佳。

在同一溫度下，水性環(huán)氧樹脂乳液的摻量越多，其抗車轍因子越大，乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性能更好。根據(jù)車轍因子G/sinδ結(jié)果建立車轍因子對數(shù) Log(G/sinδ)隨溫度變化曲線，如圖5所示。根據(jù)美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)對瀝青混合料路用性能研究表明，原樣瀝青的車轍因子G/sinδ不得小于1 kPa，可計(jì)算出不同水性環(huán)氧摻量下的乳化瀝青失效溫度，結(jié)果如表5所示。

表5 不同水性環(huán)氧樹脂乳液摻量下瀝青體系失效溫度

由圖5可知，水性環(huán)氧樹脂摻量達(dá)到15%后，對改性乳化瀝青的車轍因子影響顯著增大，這說明此時(shí)水性環(huán)氧固化產(chǎn)物已形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使乳化瀝青的模量增大，抗變形性能顯著提升。由表5失效溫度可知，水性環(huán)氧樹脂摻量為15%時(shí)，其失效溫度較其他摻量下有明顯提升，其高溫性能改善明顯。因此，確定15%為改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹脂的最佳摻量。

3.4 工程應(yīng)用

試驗(yàn)路段為廣東省某公路項(xiàng)目路段，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，試驗(yàn)路段長1.8 km。項(xiàng)目以課題組調(diào)配的排水性超薄磨耗層(DUWM-13)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)，通過調(diào)控2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過率、設(shè)計(jì)孔隙率，采用油膜厚度13 μm計(jì)算初瀝青用量，再采用飛散及析漏試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，優(yōu)化出混合料配合比，最后經(jīng)過生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)和試拌，確定最終配合比進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑。

試驗(yàn)路段的防水粘結(jié)層采用水性環(huán)氧最佳摻量為15%制備的SBR/CR復(fù)合改性乳化瀝青，分2次灑布，每次灑布量為0.40 kg/m2。從現(xiàn)場效果看，防水粘結(jié)層灑布總體效果較好，灑布量均勻，基本滿足要求。通過對試鋪路段現(xiàn)場取芯，測試結(jié)果表明現(xiàn)場取樣的空隙率(20.1%)、壓實(shí)度(99%)、平整度(0.57 mm)均滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

本文主要通過優(yōu)選原材料自制出高性能水性環(huán)氧乳化瀝青，并對其制備工藝及3大指標(biāo)、布氏黏度、動態(tài)流變性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 水性環(huán)氧樹脂體系摻量對改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物3大指標(biāo)影響顯著，隨著水性環(huán)氧樹脂的增加，蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)上升、針入度和延度下降。在水性環(huán)氧樹脂體系摻量達(dá)到15%時(shí)，其高溫性能顯著上升，同時(shí)還具有一定的低溫抗裂性。

2) 水性環(huán)氧樹脂摻量為5%、10%時(shí)，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物黏度增加并不明顯；摻量為15%時(shí)，其在100 ℃、黏度較10%摻量下增長了93.3%，繼續(xù)增加摻量黏度變化不明顯。因此，確定15%為改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹脂的最佳摻量。

3) 在相同溫度條件下，水性環(huán)氧樹脂的摻量越高，其復(fù)數(shù)剪切模量越高、相位角越低，且摻量為15%時(shí)變化顯著；同時(shí)溫度變化曲線和失效溫度計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，水性環(huán)氧樹脂摻量為15%時(shí)，復(fù)合改性乳化瀝青的高溫性能改善最為明顯。

4) 試鋪路段研究表明，自制SBR/CR改性乳化瀝青作為防水粘結(jié)層效果較好，采用自制水性環(huán)氧乳化瀝青的排水性超薄磨耗層各技術(shù)滿足規(guī)范要求。