水性環氧乳化瀝青碎石封層性能研究

鄧玉訓，謝群

(1.九江市公路管理局，江西 九江 332000；2.江西省贛北公路勘察設計院)

1 引言

碎石封層作為路面預防性養護和路面功能恢復常用的養護技術手段之一，具有簡單、經濟、快速、高效等優勢，主要應用于新建路面的磨耗層和下封層、新建路面的罩面、舊路的養護罩面等。碎石封層具有提高路面抗滑性能、增強路表排水、保護路面結構、延緩瀝青老化等作用，但目前常用的乳化瀝青、改性乳化瀝青型碎石封層存在黏結力差、易剝落松散、泛油、抗滑性能和耐磨性能較差等問題，嚴重制約了碎石封層的應用和進一步發展。

環氧樹脂具有良好的熱穩定性、黏結性、防水性和耐腐蝕性，對于固結路面松散集料、提高路面防水性能有明顯效果。將環氧樹脂用于瀝青的改性，可提高瀝青的強度、剛度、韌性以及耐疲勞性，且環氧瀝青已經作為道路材料被廣泛應用于道橋工程。水性環氧樹脂是以環氧樹脂微粒為分散相、以水為連續相的液相體系材料，可與乳化瀝青相容，形成穩定的樹脂-瀝青復合型材料，兼具樹脂和乳化瀝青優勢，具有穩定性好、固含量高、黏稠度低、黏度大等特點,在道路養護范疇具有較高的推廣價值。

該文針對目前碎石封層存在的黏結力差、集料易松散、抗滑性和耐磨性差等問題，研發一種基于水性環氧乳化瀝青的碎石封層材料。通過室內試驗，研究水性環氧乳化瀝青的性能，并確定水性環氧和乳化瀝青的摻配比；根據正交試驗確定水性環氧-乳化瀝青碎石封層的設計參數，并對其路用性能進行測試。

2 水性環氧乳化瀝青性能測試

2.1 原材料技術性質

試驗中采用兩種不同的陽離子乳化瀝青(表1)作對比：SBS改性乳化瀝青和SBR改性瀝青，分別制備水性環氧乳液(表2)摻量為：2%、4%、6%、8%、10%的水性環氧-乳化瀝青，并對這兩種乳化瀝青在5種不同環氧摻量下的蒸餾后三大指標、黏度、拉拔強度和剪切強度進行測試、對比。

表1 陽離子乳化瀝青性能參數

表2 水性環氧乳液性能參數

2.2 水性環氧摻量對蒸發殘留物三大指標影響

水性環氧樹脂固化后會對乳化瀝青原有的體系產生影響，即：環氧樹脂包裹著瀝青顆粒，與瀝青形成穩定的交聯三維結構，改善乳化瀝青的性能。測試的水性環氧-乳化瀝青蒸發殘留物三大指標見圖1～3。

圖1 不同環氧摻量下的針入度

圖2 不同環氧摻量下的軟化點

圖3 不同環氧摻量下的延度

由圖1～3可知：水性環氧樹脂能夠極大地提高改性乳化瀝青的高溫性能。水性環氧樹脂屬于熱固性材料，固化后樹脂裹附著瀝青，形成穩定的網狀結構，提高了改性乳化瀝青的稠度、黏結力，表現為隨著水性環氧摻量的增大，兩種改性乳化瀝青蒸餾殘留物的25 ℃針入度不斷下降、軟化點不斷升高；但同時水性環氧乳化瀝青也兼具樹脂低溫易脆斷的特點，表現為隨著水性環氧摻量的增大，5 ℃延度呈現不斷下降的趨勢(SBR型)，SBS改性乳化瀝青在環氧摻量小于6%時，樹脂、瀝青的交聯作用較弱，主要體現改性乳化瀝青的性能，但當環氧摻量大于6%時，低溫脆性就比較明顯。

2.3 水性環氧摻量對乳化瀝青黏度的影響

碎石封層是在噴灑膠結料的同時撒布碎石，對于膠結料的黏度要求較高，既要保證常溫和易性，又要保證與集料的黏結性，測試不同環氧摻量下水性環氧乳化瀝青的標準黏度如圖4所示。

圖4 不同環氧摻量下的黏度

由圖4可知：水性環氧樹脂明顯地提高了改性乳化瀝青的黏度。主要由于水性環氧樹脂在固化反應中形成了高分子環氧聚合物，增大了改性乳化瀝青的黏稠性，即隨著水性環氧摻量的增大，黏度也增大；在水性環氧摻量較小時，水性環氧與乳化瀝青交聯反應較慢，形成微凝膠體，黏度增長緩慢，當水性環氧摻量變大時，水性環氧樹脂與乳化瀝青不斷發生聚合反應，交聯作用增強，形成中、大凝膠體，黏度增長較快，即在摻量小于4%時，兩種改性乳化瀝青的黏度增幅較小，當摻量大于4%時黏度增長較快。

2.4 水性環氧摻量對乳化瀝青強度的影響

道路使用過程中，路面表層受力較為復雜，既承受水平方向的摩擦力，也受到豎直方向荷載的重力，所以碎石封層的膠結料必須有良好的黏結力，為驗證水性環氧乳化瀝青的黏結性能，采用拉拔和斜剪試驗，對其力學性能進行測試，結果如圖5、6所示。

圖5 不同環氧摻量下的拉拔強度

圖6 不同環氧摻量下的剪切強度

圖5、6表明：水性環氧樹脂能夠大幅度地提高改性乳化瀝青的黏結性能。隨著環氧摻量的不斷增大，拉拔強度和剪切強度都不斷提高，且在環氧摻量為2%時，抗拉能力和抗剪能力得到明顯的提升。

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通過對比不同環氧摻量下，SBS、SBR兩種乳化瀝青蒸發殘留物的三大指標、黏度及力學性能可知：SBS環氧乳化瀝青蒸發后針入度、軟化點以及黏度、拉拔強度、剪切強度均高于SBR環氧乳化瀝青，且在水性環氧摻量為6%時，SBS改性乳化瀝青的延度最好，所以綜合考慮，確定瀝青為SBS改性乳化瀝青，且水性環氧摻量為6%。

3 水性環氧-乳化瀝青碎石封層參數設計與性能測試

對于碎石封層的參數設計主要包括經驗法和理論計算法，由于碎石的粒徑以及平均高度等參數要求較高，該文采用經驗配比法進行水性環氧乳化瀝青碎石封層的設計，然而影響碎石封層質量的因素較多，包括瀝青和集料的性能、用量、配比以及施工方法等，試驗主要將水性環氧乳化瀝青噴灑量、碎石撒布量、不同粒徑碎石參配比例作為關鍵參數，采用正交試驗的方法進行設計。

3.1 水性環氧-乳化瀝青碎石封層正交試驗設計

水性環氧乳化瀝青的噴灑量是碎石封層設計的關鍵參數，其噴灑分為兩層：第一層要求黏附住碎石且乳液不流淌，第二層要求封住因碎石堆積而產生的裂縫；碎石的撒布量決定了封層的抗滑性能，碎石過多則易剝落，降低路面平整度和駕駛安全性，碎石過少又達不到抗滑的效果；不同粒徑碎石的配比是保證封層路用性能的重要設計環節，不容忽視。

根據工程經驗，對水性環氧乳化瀝青的噴灑量、碎石的撒布量、碎石粒徑2.36～4.74 mm與0～2.36 mm的質量比，分別取3種不同摻量，進行3因素3水平的正交設計，并對不同因素下水性環氧乳化瀝青碎石封層的構造深度、摩擦系數、1 h磨耗進行測試研究，正交試驗設計因素水平表、正交試驗結果見表3、4。

表3 正交試驗設計碎石封層的因素水平

3.2 水性環氧乳化瀝青碎石封層正交試驗結果分析

對于正交試驗結果，采用極差分析法與方差分析法綜合分析不同因素對試驗結果的影響，其中極差法較為直觀，極差值的大小能夠反映各個因素對試驗結果的影響主次關系，極差越大，對應的因素越主要；方差法通過顯著性檢驗，判斷各個因素對試驗結果的影響程度，若各因素F值(因素水平變化引起的平均偏差平方和與平均誤差平方和的比值)大于相應的臨界值，則說明該因素對試驗結果影響顯著。該文分別對構造深度、摩擦系數、1 h磨耗值進行極差及顯著性分析，結果見表5、6。

由表5、6可知：① 2.36～4.74 mm碎石的摻量對構造深度、摩擦系數、磨耗值的影響最為顯著；②(2.36～4.74 mm)∶(0～2.36 mm)碎石的比例越高，碎石封層的構造深度和摩擦系數越大，即摻量比例為60∶40時抗滑性能最好，但在該比例摻量下，碎石封層的磨耗值較大，耐磨性較差，而比例摻量為40∶60時，磨耗值明顯減小；③ 乳化瀝青噴灑量會顯著影響碎石封層的耐磨性能，且由表4可知，乳化瀝青噴灑量越大，磨耗值越小，當噴灑量從(0.3+0.1)kg/m2增加到(0.35+0.1)kg/m2磨耗值下降了約23.3%，從(0.35+0.1)kg/m2增加到(0.40+0.1)kg/m磨耗值下降了26.9%，且從試件成型過程來看，噴灑量為(0.4+0.1)kg/m2時，瀝青與碎石的裹附效果最好；④ 碎石撒布量對于碎石封層性能的影響不明顯，但從節約、安全角度考慮擬采用1.4 kg/m2。

表4 正交試驗結果

注：乳化瀝青的噴灑分兩次，第1次噴灑分別取0.3、0.35、0.4 kg/m2，第2次噴灑量均為0.1 kg/m2。

表5 試驗結果極差分析

表6 試驗結果方差分析

注：方差分析中設定顯著性水平為0.05，且F0.05(2,2)=19。

綜合考慮水性環氧碎石封層的抗滑性能與耐磨耗性能，建議水性環氧乳化瀝青碎石封層設計參數分別為：乳化瀝青噴灑量為(0.4+0.1)kg/m2，碎石撒布量為1.4 kg/m2，碎石粒徑(2.36～4.74 mm)∶(0～2.36 mm)=40∶60。

3.3 水性環氧乳化瀝青碎石封層路用性能測試

根據水性環氧乳化瀝青碎石封層的設計參數，以水泥板為承載板，制備水性環氧乳化瀝青碎石封層，并對其耐磨耗性能和抗滑性能進行測試，試驗結果見圖7～9。

由圖7～9可知：① 對于耐磨耗性能，與傳統乳化瀝青碎石封層相比，水性環氧乳化瀝青碎石封層耐磨性有極大的提高，隨著磨耗時間的延長，磨耗值較小且變化較為平穩；② 對于抗滑性能，相比水泥試板和傳統的乳化瀝青碎石封層，水性環氧乳化瀝青碎石封層的構造深度、摩擦系數都有大幅度的提高，具有較高的抗滑性。

圖7 不同封層下荷載磨耗值

圖8 不同表面構造深度

圖9 不同表面摩擦系數

4 結論

研發了一種新型的基于水性環氧乳化瀝青的碎石封層，主要研究了水性環氧乳化瀝青的黏結性能和力學性能，采用正交設計方法對水性環氧乳化瀝青碎石封層進行參數設計并驗證其性能，主要結論如下：

(1)水性環氧樹脂能夠提高乳化瀝青的稠度和黏度，極大地改善乳化瀝青的高溫性能，但摻量過多乳化瀝青的低溫脆性較為明顯。

(2)水性環氧樹脂能夠大幅度地提高乳化瀝青的黏結性，其拉拔強度和剪切強度有很大的提高，在水性環氧樹脂摻量為2%時，變化最為明顯。

(3)對于水性環氧乳化瀝青碎石封層的參數設計，(2.36～4.74 mm)∶(0～2.36 mm)碎石的摻配比例對其構造深度、摩擦系數、磨耗值的影響最大，其次是水性環氧乳化瀝青噴灑量。碎石撒布量對水性環氧乳化瀝青碎石封層的功能性并無顯著影響。

(4)對比傳統的乳化瀝青碎石封層，水性環氧乳化瀝青碎石封層的耐磨耗性能和抗滑性能都有很大的提升，具有一定的應用和推廣價值。