水性環氧冷補瀝青的性能與制備工藝

張爭奇， 王素青， 路國棟，2， 趙富強

(1.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064； 2.陜西省交通規劃設計研究院， 陜西 西安 710075； 3.陜西省高速公路建設集團公司， 陜西 西安 710065)

冷補瀝青混合料是路面坑槽養護工作中的常用材料.它是一種全天候修補材料，不受環境條件和交通條件的限制，可對路面坑槽進行及時、高效修補，保障公路通暢，提高公路的服務水平和使用壽命[1-2].但目前冷補瀝青混合料的坑槽填補效果并不理想，因為：(1)中國市場上冷補瀝青混合料產品參差不齊，使用性能不夠穩定，普遍存在早期強度低、成型速度慢、使用壽命短等性能缺陷；(2)由于缺乏科學合理的冷補瀝青材料的行業標準或規定[3]，導致其應用受到限制.協調冷補瀝青混合料的強度與施工工作性是解決冷補瀝青混合料缺陷的基本途徑.環氧樹脂材料具有優良的黏結特性與力學強度[4-5]，且隨著水性化技術的成熟與應用，其相容性與適用性大大提高[6].

冷補瀝青是冷補瀝青混合料強度形成及性能保證的關鍵.本文以目前常用的溶劑型冷補瀝青為基礎，在其中加入水性環氧組分，研究環氧組分摻量、固化劑用量、制備時間和制備溫度對水性環氧冷補瀝青(以下簡稱新型冷補瀝青)性能的影響，通過試驗分析評價新型冷補瀝青性能的改善效果，并提出其合理摻量和制備工藝.

1 試驗材料

冷補瀝青又稱冷補膠結料，由基質瀝青、稀釋劑、增黏劑和防水劑等按照一定比例均勻配制而成.基質瀝青選用SK-90#石油瀝青；稀釋劑從相容性、揮發性、經濟性和安全性等方面考慮，選用與瀝青極性相似的石油溶劑0#輕質柴油.

作為對比，試驗選擇2種普通溶劑型冷補材料ZH和LBR.ZH型冷補瀝青由課題組自行開發，其配合比m(瀝青)∶m(0#輕質柴油)∶m(樹脂增黏劑)∶m(有機抗剝落劑)=100.0∶26.0∶5.0∶0.4；LBR型冷補瀝青由市場購買的成品LBR冷補改性劑配制而成，其配合比m(瀝青)∶m(稀釋劑)∶m(添加劑)=78∶20∶2.

水性環氧組分由水性環氧樹脂乳液和固化劑組成.其中前者采用自乳化型水性EP-20乳液；后者采用2種經過化學改性的聚酰胺類固化劑HGA和HGC.水性環氧組分技術指標見表1.

表1 水性環氧組分技術指標

為獲得最佳水性環氧組分，擬定2種水性環氧組分構成及摻配比例，見表2.

表2 水性環氧組分構成及摻配比例

2 試驗結果與分析

冷補瀝青既要滿足冷補材料的施工和易性和存儲穩定性，又要使冷補材料方便壓實，經攤鋪壓實后能夠形成較強的黏聚力，以保證修補路面不會出現松散脫落.因此冷補瀝青應滿足一定的技術要求，其技術指標包括黏度、與集料的黏附性、存儲穩定性以及殘留物性能.

本研究采用40℃黏度對新型冷補瀝青的黏滯性進行評價，具體試驗步驟參照JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》.新型冷補瀝青與集料的黏附性采用水煮法，以黏附性等級為評價標準，其中集料選用13.2mm的閃長巖粗集料.新型冷補瀝青存儲穩定性試驗步驟如下[7]：先將瀝青原樣加熱后注入盛樣管中，存儲到規定時間，將其置于(-20±2) ℃冰箱內冷凍至少4 h取出，然后將新型冷補瀝青切成長度相等的3段，取其中的頂部試樣和底部試樣，軟化后測試兩者黏度，以兩者的黏度差來評價新型冷補瀝青的存儲性能.對新型冷補瀝青進行蒸餾，保證在5～10min 內達到瀝青液沸點，蒸餾結束后將殘留瀝青倒出，然后取一定量殘留物，通過測定瀝青的三大指標來評價殘留物的性能[8].

2.1 水性環氧組分摻量對新型冷補瀝青性能的影響

將不同摻量(質量分數，下同)的水性環氧組分摻入冷補瀝青液中，得到新型冷補瀝青.其各項性能試驗結果如圖1所示.

圖1 水性環氧組分摻量對新型冷補瀝青性能的影響Fig.1 Effect of waterborne epoxy resin content on cold patch asphalt properties

由圖1(a)可知：水性環氧組分摻量對新型冷補瀝青的黏度影響十分顯著，隨著水性環氧組分摻量的增加，其黏度近似線性增長；不同類型的水性環氧組分對2種新型冷補瀝青的黏度影響趨勢相似.有研究表明[9]，冷補瀝青的黏度在1.0～2.0Pa·s時，冷補瀝青混合料有較好的初始強度與施工和易性.從黏度角度考慮，LBR和ZH冷補瀝青中水性環氧組分摻量宜分別控制在3%和2%以內.

由圖1(b)可知：新型冷補瀝青存儲后的黏度差隨水性環氧組分摻量的增加逐漸增大，即存儲穩定性逐漸降低；當水性環氧組分摻量較小時，環氧樹脂顆粒與瀝青顆粒之間通過固化劑的親附作用，冷補瀝青可保持較好的穩定性，黏度差較?。划斔原h氧組分摻量增至2%時，環氧樹脂與瀝青顆粒產生絮凝團聚，聚集在試管底部，使試樣上下部分的黏度值出現差異，且水性環氧組分摻量越大，這種差異越明顯，因而水性環氧組分摻量需控制在一定范圍之內.

由圖1(b)還可知，采用水性環氧組分摻配方案②的新型冷補瀝青黏度差比水性環氧組分摻配方案①小，其穩定性更加優良，原因可能是水性環氧組分摻配方案②中固化劑HGA與冷補瀝青相容性更好，在冷補瀝青中固化反應能夠緩慢進行，延緩了環氧瀝青絮凝結構的下沉速度，由此說明改善固化劑的相容性是提高新型冷補瀝青存儲穩定性的措施之一.

由圖1(c)可以看出，新型冷補瀝青與集料的黏附性良好，隨著水性環氧組分摻量的增加，黏附性略微下降.水性環氧組分對新型冷補瀝青黏附性的影響可能會導致瀝青混合料的水穩性能下降，但是在后續研究中發現水性環氧體系有助于改善冷補瀝青混合料的水穩性能.冷補瀝青黏附性降低原因可能是水性環氧組分固化反應未充分進行導致的，水性環氧組分摻量較大時混合液水分較多，用水煮法測試黏附性時，瀝青膜中的水分和油分未完全揮發，容易從集料表面剝離，造成黏附性等級降低.

由圖1(d)～(f)可見，隨著水性環氧組分摻量的增加，殘留物的延度與針入度逐漸減小，而軟化點逐漸增大，說明水性環氧組分有助于提高冷補瀝青液的高溫性能和稠度，但對其低溫性能有不利影響.水性環氧組分發生交聯固化反應生成的產物呈三維網狀結構，在殘留物中不溶解也不熔融，改善了瀝青的高溫性能；但是固化產物剛性較大，導致瀝青材料的黏彈性降低，在低溫環境下呈脆性，會對低溫性能產生不利影響.

以上研究發現，水性環氧組分的摻入有助于提高新型冷補瀝青的黏度以及高溫穩定性，并且摻量越高，改善效果越好；但是摻量過高，不僅增加成本，同時會對其存儲穩定性和低溫性能產生不利影響.因此經綜合考慮，水性環氧組分的摻量應控制在 1%～2%.

2.2 固化劑用量對新型冷補瀝青性能的影響

將固化劑用量不同的水性環氧組分摻入冷補瀝青中，水性環氧組分摻量控制在1.0%左右，試驗結果如圖2所示.

由圖2可知：(1)固化劑用量對新型冷補瀝青的黏度和黏附性影響不大.水性環氧組分剛摻入冷補瀝青時，固化反應還未進行，混合液的黏度變化主要由水性環氧組分本身的黏度決定.水性環氧冷補瀝青與集料的黏附性良好.(2)經②型水性環氧組分改性的新型冷補瀝青的黏度差隨固化劑用量的增加逐漸減小，而經①型水性環氧組分改性的新型冷補瀝青的黏度差略有增大，可見固化劑類型和用量對新型冷補瀝青存儲穩定性影響較大，HGA固化劑能顯著提高其存儲穩定性.(3)隨著固化劑用量的增加，新型冷補瀝青蒸餾殘留物性能也有微小變化，其中低溫延度逐漸降低，而殘留物的軟化點與針入度略有增大.

以上研究發現固化劑用量對新型冷補瀝青的黏度幾乎無影響，除存儲穩定性外其他性能的變化也都不明顯，而水性環氧組分對新型冷補材料的性能影響最終由瀝青混合料體現，因此需要結合不同固化劑用量下冷補瀝青混合料的強度試驗來確定最佳固化劑用量.

2.3 固化劑用量對冷補瀝青混合料強度的影響

將制備好的新型冷補瀝青與集料在(65±5) ℃條件下均勻拌和，得到水性環氧冷補瀝青混合料.其強度試驗[10]按照修正馬歇爾法進行.水性環氧冷補瀝青混合料的強度形成是一個稀釋劑揮發、水分喪失、固化強化的過程[11-12].經過多次試驗驗證，確定了水性環氧冷補瀝青混合料的養生條件：將試件在80℃的烘箱中放置24h后，把烘箱溫度調整為 110℃，繼續養生6h，取出后立即進行二次擊實，然后在室溫下放置24h后脫模.固化劑用量對水性環氧冷補瀝青混合料的強度影響如圖3所示.

由圖3可以看到，4種水性環氧冷補瀝青混合料的強度變化比較相似，均隨固化劑用量的增加呈現先增大后減小的趨勢，強度最大值出現在固化劑用量為100∶30～100∶35之間，因此2種環氧組分摻配方案中環氧樹脂與固化劑的最佳質量比均為 3∶1.

圖2 固化劑用量對新型冷補瀝青性能的影響Fig.2 Effect of curing agent content on cold patch asphalt properties

圖3 固化劑用量對水性環氧冷補瀝青混合料強度的影響Fig.3 Effect of curing agent content on cold patch asphalt mixture strength

3 新型冷補瀝青的制備工藝

3.1 剪切溫度對新型冷補瀝青性能的影響

通常冷補瀝青的制備溫度為110～130℃，據此選取7種剪切溫度配制冷補瀝青，來研究剪切溫度對其性能的影響.剪切時間初設為30min.由于水性環氧組分中含有大量水分，當新型冷補瀝青溫度超過100℃時，攪拌過程中會出現大量氣泡，且溫度越高、剪切速度越快，氣泡量越多，甚至直接從容器中溢出.這可能造成水性環氧組分過快破乳，影響其在混合液中的適用期，因此稀釋瀝青的溫度須降至100℃以下，再摻入水性環氧組分，并持續攪拌 5min.為減小試驗消耗，僅以LBR+②和ZH+①新型冷補瀝青為研究對象進行試驗，結果如圖4所示.由圖4可見：(1)剪切溫度對LBR新型冷補瀝青的性能影響不顯著，其黏度和存儲穩定性變化趨勢不明顯；但當剪切溫度超過120℃時，瀝青液面出現許多煙塵，造成稀釋劑的大量揮發，同時過高的剪切溫度可能會導致冷補瀝青提前“老化”，因此建議LBR型冷補瀝青的制備溫度以110℃為宜.(2)隨著剪切溫度的升高，ZH新型冷補瀝青的黏度逐漸增大，存儲穩定性改善，這可能是因為ZH新型冷補瀝青中含有樹脂類增黏劑，在較高溫度下更易溶解于稀釋瀝青中，同時適當的溫度能促進冷補瀝青流動，使各組分混合得更加均勻，提高了冷補瀝青的存儲穩定性；當剪切溫度達到120～130℃時，新型冷補瀝青黏度繼續上升，這可能是稀釋劑少量揮發造成的，因此建議ZH型冷補瀝青的制備溫度以120℃為宜.

圖4 剪切溫度對新型冷補瀝青性能的影響Fig.4 Effect of shearing temperature on cold patch asphalt properties

3.2 制備時間對新型冷補瀝青性能的影響

新型冷補瀝青的制備時間由2部分組成：一是環氧組分摻配前的剪切時間，分別選取25，30，35min 這 3個時間來配制冷補瀝青其他成分；二是環氧組分摻配后的剪切時間.待冷補瀝青溫度降至100℃摻入水性環氧組分后，剪切時間取為5，8min，試驗結果見圖5.由圖5可見，剪切時間對新型冷補瀝青的黏度影響不顯著，黏度在一定范圍上下波動.當新型環氧組分摻配前的剪切時間由 25min 增至30min時，新型冷補瀝青的黏度差有減小趨勢，尤其是ZH型冷補瀝青，原因是較長的剪切時間使新型冷補瀝青各組分混合得更加均勻，有助于提高其穩定性；當水性環氧組分摻配前的剪切時間超過30min時，其穩定性沒有明顯改善.因此在保證各組分充分相容的條件下，建議新型冷補瀝青的制備時間為30min(摻配前)+5min(摻配后).

圖5 制備時間對新型冷補瀝青性能的影響Fig.5 Effect of preparation time on cold patch asphalt properties

4 結論

(1)以黏度、與集料的黏附性、存儲穩定性和蒸發殘留物指標評價了新型冷補瀝青的性能.并以此確定了其中水性環氧組分的最佳摻量為1%～2%，水性環氧樹脂與固化劑的最佳質量比為3∶1.

(2)確定新型冷補瀝青試驗室制備工藝為：LBR和ZH冷補瀝青的最佳制備溫度分別為110，120 ℃；先采用30min的剪切時間，在新型冷補瀝青溫度低于100℃時摻入水性環氧組分，繼續剪切 5min.