有機粘結劑對瀝青基灌縫料粘結性能的影響

孫華東，范維玉，劉樹俊，南國枝

(中國石油大學 重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

“十二五”期間，我國的高速公路網絡基本建成，高速公路由重點建設轉變為重點養護[1]，路面建成使用一段時間后產生許多的路面病害[2-6],如車轍、擁包、坑槽和裂縫等，其中，裂縫是最早出現也是最普遍存在的一種路面損壞方式。目前，對路面裂縫進行處理的方式有：稀漿封層、微表處理、含砂霧封層和灌縫等，SHRP計劃表明：灌縫處理是一種性價比最高的裂縫處理方式。

目前，我國主要采用熱瀝青、乳化瀝青和一些特殊用途灌封膠進行灌縫處理，但普遍具有造價高、污染環境、能耗大、粘結力弱、有效期短等缺點[7-8]。為此，研究者開發了新的灌縫材料[9-12]并研究了灌縫材料的作用機理[13]。作者研究了一種瀝青基灌縫料，主要由乳化瀝青、水泥和一些功能添加劑(有機粘結劑等)組成，其中，水泥屬于剛性組分，主要起支撐作用；瀝青和有機粘結劑屬于柔性組分，主要起粘結作用，具有能耗低、環境友好無污染、施工簡單方便、施工周期短、有效期長、粘結力強等優點。作者在此研究有機粘結劑對瀝青基灌縫料粘結力的影響，擬為其在路面裂縫修補養護中的應用提供參考。

1　實驗

1.1　材料

陽離子慢裂型乳化劑(有機氨型)，市售，無純化，美德維實偉克；硅烷偶聯劑、水性環氧樹脂、水性丙烯酸樹脂、SBR膠乳；AH-90型瀝青(針入度81～100)，中國石油公司秦皇島分公司；水泥PO 42.5R，山水東岳水泥。

1.2　瀝青乳化及瀝青基灌縫料的制備

1.2.1瀝青乳化

將瀝青在140 ℃下加熱1.5 h；乳化劑用自來水配制成溶液并調節pH值為2，加熱到50 ℃并保溫。

將預熱好的乳化劑溶液倒入膠體磨中，開動膠體磨，在1 min內將預熱好的瀝青邊攪拌(2 800 r·min-1)邊加入到膠體磨中，膠體磨繼續運行1 min，然后將乳化瀝青從膠體磨中放出，冷卻，備用。

1.2.2瀝青基灌縫料的制備

將乳化瀝青加入攪拌鍋中，攪拌下添加水泥及功能添加劑，然后慢速攪拌1 min，快速攪拌3 min，再慢速攪拌1 min，即制得瀝青基灌縫料。

1.3　粘結力的測定

采用計算機控制萬用試驗機測定瀝青基灌縫料粘結力。

1.3.1模具的制備

模擬裂縫是由2塊40 mm×40 mm×160 mm的立方體水泥塊組成(圖1a、b)，水泥塊采用水泥∶砂子=2∶1、水灰比=0.55制成，在溫度21 ℃、相對濕度65%的條件下養護7 d，備用。在水泥塊和模擬裂縫組裝完成后把攪拌好的瀝青基灌縫料灌注到模擬裂縫中，分別養護7 d、15 d、28 d，直到瀝青基灌縫料達到一定的粘結強度并把模擬裂縫的2塊水泥塊粘結到一起(圖1c)。

圖1　模擬試塊和裂縫的制備

1.3.2粘結力的測試

把制成的模型放入測試夾具(圖2a)中，保持5 mm·min-1的拉伸速度直到模擬裂縫與瀝青基灌縫料破壞為止(圖2b)，記錄此時力的極限值作為粘結力。

圖2　粘結力的測試過程

2　結果與討論

2.1　有機粘結劑種類對粘結力的影響

4種有機粘結劑的基本性質見表1。

表14種有機粘結劑的基本性質

Tab.1Propertiesoffourkindsoforganicbinders

名稱硅烷偶聯劑水性環氧樹脂水性丙烯酸樹脂SBR膠乳表觀形態無色透明液體淡黃色黏稠液體白色黏稠液體白色黏稠液體酸堿性堿性堿性(70～75)酸性(60～70)酸性(30～70)活性基團NH2OCOOHCH2，CH3

有機粘結劑種類對粘結力的影響如圖3所示，對乳化瀝青蒸發殘留物性能的影響見表2。

圖3　有機粘結劑的種類對粘結力的影響

表24種有機粘結劑對乳化瀝青蒸發殘留物性能的影響

Tab.2Effectsoffourkindsoforganicbindersonthepropertiesofasphaltemulsionevaporationresidue

項目空白硅烷偶聯劑水性環氧樹脂水性丙烯酸樹脂SBR膠乳軟化點/℃462461459464473針入度(01mm)91898988935℃延度/cm脆斷脆斷脆斷脆斷46

由圖3可以看出，4種有機粘結劑在用量相同(均為瀝青基灌縫料總量的2.5%)時，水性丙烯酸樹脂和SBR膠乳能明顯提高瀝青基灌縫料與模擬裂縫的粘結力，分別養護7 d、15 d、28 d較空白的粘結力分別提高130%、126%、146%和148%、150%、158%。這主要是因為，水性丙烯酸樹脂含有羧基活性基團，可以與水泥的堿性基團發生明顯的化學吸附作用；SBR膠乳主要是因為改善了瀝青本身的延度(表2)。從圖3還可以看出，養護天數的增加對粘結力的提高并不明顯。這主要是因為，養護天數的增加，主要是無機組分的水泥發生水化，材料本身的強度增大而未對粘結性能產生大的影響。

2.2　有機粘結劑用量對粘結力的影響

2.2.1水性丙烯酸樹脂用量對粘結力的影響(圖4)

從圖4可以看出，添加水性丙烯酸樹脂能夠明顯提高粘結力，當水性丙烯酸樹脂用量從1.5%增加到7.5%時，粘結力的變化較小，養護7 d、15 d、28 d，粘結力分別提高了4%、4%、3%。分別養護7 d、15 d、28 d 較空白的粘結力提高130%、126%、146%，可見摻加水性丙烯酸樹脂提高粘結力對摻加量和養護天數都不敏感。這主要是因為，水泥中的堿性基團數量有限，隨著水性丙烯酸樹脂用量的增加，堿性基團的吸附會逐漸達到飽和。從圖4還可以看出，隨著養護天數的增加，粘結力呈現提高趨勢。這主要是因為，隨著養護天數的增加，水泥水化程度逐漸增大，從而使得體系中的堿性基團數量增多，所以粘結力也會隨之提高。

圖4　水性丙烯酸樹脂用量對粘結力的影響

2.2.2SBR膠乳用量對粘結力的影響(圖5)

圖5　SBR膠乳用量對粘結力的影響

從圖5可以看出，添加SBR膠乳能明顯提高粘結力，且SBR膠乳對粘結力提高的程度比水性丙烯酸樹脂更大。當SBR膠乳用量從1.5%增大到7.5%時，養護7 d、15 d、28 d，粘結力分別提高了19%、17%、22%。分別養護7 d、15 d、28 d較空白的粘結力提高148%、150%、158%?？梢姄郊覵BR膠乳提高粘結力對摻加量敏感，對養護天數并不敏感。這主要是因為，水性丙烯酸樹脂和SBR膠乳對粘結力的提高的方式不同，水性丙烯酸樹脂主要是靠羧酸基團與水泥中的堿性基團的吸附來完成，而SBR膠乳主要是通過提高瀝青本身的延度來提高材料的拉伸粘結力。

2.3　水性丙烯酸樹脂與SBR膠乳復配對粘結力的影響(圖6)

從圖6可以看出，當水性丙烯酸樹脂與SBR膠乳的比例從0∶10變化到10∶0時，粘結力呈現一定程度的緩慢下降，養護7 d、15 d、28 d，粘結力分別降低了14%、12%、14%；當水性丙烯酸樹脂與SBR膠乳比例保持不變時，隨著養護天數的增加，粘結力的大小順序為：28 d粘結力>15 d粘結力>7 d粘結力?？梢娝员┧針渲cSBR膠乳復配并未產生1+1>2的協同效應。

圖6　水性丙烯酸樹脂與SBR復配對粘結力的影響

3　結論

(1)用量相同時，水性丙烯酸樹脂和SBR膠乳相對于另外兩類粘結劑能明顯提高灌縫料與模擬裂縫的粘結力。水性丙烯酸樹脂能夠提高粘結力主要是因為其中的酸性基團與水泥中的堿性基團發生化學反應吸附，SBR膠乳能夠提高粘結力主要是因為SBR能夠明顯提高瀝青的延度。

(2)摻加水性丙烯酸樹脂和SBR膠乳的瀝青基灌縫料分別養護7 d、15 d、28 d較空白的粘結力分別提高130%、126%、146%和148%、150%、158%。

(3)隨著水性丙烯酸樹脂和SBR膠乳的用量從1.5%增大到7.5%，養護7 d、15 d、28 d，粘結力分別提高了4%、4%、3%和19%、17%、22%，可見摻加水性丙烯酸樹脂提高粘結力對摻加量和養護天數都不敏感；摻加SBR膠乳提高粘結力對摻加量敏感，對養護天數并不敏感。

(4)當水性丙烯酸樹脂與SBR膠乳的比例從0∶10變化到10∶0，養護7 d、15 d、28 d，粘結力分別降低了14%、12%、14%，可見水性丙烯酸樹脂和SBR膠乳的復配并未產生1+1>2的協同效應。

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