高性能封層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究

拓守儉，尚 飛，吳文軍

(1.中鐵大橋局第七工程有限公司，武漢 430056； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400067)

封層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)種類(lèi)較多，施工簡(jiǎn)單且技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)路面瀝青鋪裝養(yǎng)護(hù)中已有應(yīng)用。傳統(tǒng)的霧封層技術(shù)，主要是采用改性乳化瀝青類(lèi)材料噴涂在路面上，達(dá)到封閉微小裂縫，改善路面密水性能的目的，但其在路面形成的油膜減小了路面的構(gòu)造深度，致使早期抗滑性能出現(xiàn)衰變。含砂霧封層主要通過(guò)添加金剛砂等細(xì)小集料，在路面表面形成一個(gè)粗糙的界面以提高抗滑性，但因改性乳化瀝青的粘結(jié)力有限，金剛砂易脫落，導(dǎo)致后期的路表抗滑性能不足[1-4]。

為此，本文針對(duì)含砂霧封層中金剛砂易脫落的問(wèn)題，采用水性環(huán)氧樹(shù)脂作為粘結(jié)材料，以提高細(xì)集料的粘附力和耐久性，從而改善含砂霧封層在鋼橋面鋪裝中的適用性[5-8]，形成高耐磨性的高性能封層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

1 高性能封層原材料性能

高性能封層膠結(jié)料主要由水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和乳化瀝青復(fù)配進(jìn)行制備，所用原材料性能如下。

1) 水性環(huán)氧樹(shù)脂

選用的水性環(huán)氧樹(shù)脂性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

2) 固化劑

選用的脂環(huán)胺改性固化劑性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 水性環(huán)氧性能指標(biāo)

表2 固化劑性能指標(biāo)

3) 乳化瀝青

生產(chǎn)乳化瀝青采用的基質(zhì)瀝青為SK70#瀝青，采用陽(yáng)離子乳化劑，乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3，乳化瀝青制備采用的小型膠體磨如圖1所示。

表3 改性乳化瀝青性能指標(biāo)

圖1 進(jìn)口膠體磨設(shè)備

2 高性能封層膠結(jié)料摻量?jī)?yōu)選

結(jié)合共混物材料的自身特性，本文主要對(duì)水性環(huán)氧改性乳化瀝青的力學(xué)性能、凝膠特性、相結(jié)構(gòu)性能等進(jìn)行分析[9]，最終確定水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化瀝青的適宜比例。

2.1 力學(xué)性能

1) 粘結(jié)性能

采用外摻法研究不同水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)改性乳化瀝青性能的影響，水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻配比例見(jiàn)表4。

表4 不同試樣組水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量配比

分別在25 ℃和45 ℃條件下進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果及分析見(jiàn)表5。

圖2 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試示意

表5 拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(平均值)

分析表5可知，在同一溫度下，拉拔強(qiáng)度隨著環(huán)氧摻量的增加而增大，當(dāng)試件共混物比例為5∶5時(shí)，25 ℃的拉拔強(qiáng)度為3.61 MPa，較5∶1時(shí)強(qiáng)度提高了近3倍；45 ℃的拉拔強(qiáng)度隨著環(huán)氧摻量的增加，較5∶1時(shí)提高了近7倍。

究其原因是隨著環(huán)氧摻量的增加，共混物內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，粘結(jié)力的貢獻(xiàn)率主要由環(huán)氧樹(shù)脂承擔(dān)，其粘結(jié)力提高十分明顯，因此若單純考慮粘結(jié)性能，環(huán)氧摻量越多越好。

2) 拉伸強(qiáng)度

參照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》中的測(cè)試方法，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試水性環(huán)氧乳化瀝青共混物的斷裂延伸率及拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，影響共混物拉伸性能的主要因素為環(huán)氧的摻量，雖然共混物的拉伸強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹(shù)脂比例增加而增大，但是斷裂拉伸率卻隨著環(huán)氧摻量的增加急劇減小，這表明隨著環(huán)氧摻量的增加使得共混物的韌性急劇衰減。從圖3中可見(jiàn)，在試樣組2#和3#之間斜率最大，綜合考慮共混物的拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸率，環(huán)氧摻量比例宜為5∶2～5∶3之間。

2.2 凝膠特性

采用凝膠時(shí)間自動(dòng)測(cè)定儀測(cè)試不同溫度下的水性環(huán)氧乳化瀝青共混物的凝膠特性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 凝膠試驗(yàn)結(jié)果 s

分析表6可知，在同一溫度下，環(huán)氧摻量越高，凝膠時(shí)間越短；在同一環(huán)氧摻配比例下，溫度越高，共混物凝膠時(shí)間越快?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)間，要求共混物的凝膠時(shí)間不低于30 min(1 800 s)，而國(guó)內(nèi)夏季極端溫度往往高于40 ℃，因此為了保證極端高溫是共混物充足的作業(yè)時(shí)間，環(huán)氧摻配比例不應(yīng)高于5∶3。

2.3 相結(jié)構(gòu)

將乳化瀝青和水性環(huán)氧樹(shù)脂在室溫(25 ℃)條件下，按照表4中的比例采用均膠試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行均勻涂抹于載玻片，并采用熒光顯微鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，具體圖像如圖4所示。

由圖4可知，隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，共混物由單相連續(xù)結(jié)構(gòu)(乳化瀝青為聯(lián)系相，水性環(huán)氧樹(shù)脂為分散相)逐漸變?yōu)閮上嘟徊孢B續(xù)結(jié)構(gòu)，在比例達(dá)到5∶3時(shí)發(fā)生相逆轉(zhuǎn)(乳化瀝青為分散相，水性環(huán)氧樹(shù)脂為連續(xù)相)，因此，從工程應(yīng)用角度考慮，乳化瀝青與水性環(huán)氧樹(shù)脂的比例不超過(guò)5∶3為宜。

3 高性能封層共混物性能分析

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)高耐磨高性能封層的配比設(shè)計(jì)，耐磨性能、粘結(jié)性能、鹽霧試驗(yàn)及對(duì)環(huán)境溫度的影響因素進(jìn)行分析，擬得出適用于高性能封層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的最佳配比。

(a) 1#試樣組

(b) 2#試樣組

(c) 3#試樣組

(d) 4#試樣組

(e) 5#試樣組

3.1 高性能封層共混物制備

據(jù)前述試驗(yàn)可知，乳化瀝青-水性環(huán)氧樹(shù)脂共混物兩者的混配比例不宜超過(guò)5∶3。而在高性能封層的配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，金剛砂的用量是關(guān)鍵指標(biāo)，為此，本節(jié)在研究不同摻量金剛砂的基礎(chǔ)上，研究高性能封層共混物的性能。

在高性能封層配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，保持乳化瀝青與水性環(huán)氧樹(shù)脂的比例不超過(guò)5∶3(其中水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑比例為1∶1)，金剛砂的比例分為25%、35%、45%、55%(相對(duì)乳化瀝青質(zhì)量比)，具體的配比組成見(jiàn)表7。

表7 高耐磨SCS高性能封層配合比 %

3.2 高性能封層路用性能分析

3.2.1 粘結(jié)性試驗(yàn)

在瀝青混凝土試件表面涂刷高性能封層共混物后，25 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度拉拔測(cè)試。粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，進(jìn)行了25 ℃和60 ℃兩種溫度下的粘結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 高性能封層共混物粘結(jié)強(qiáng)度

由表8可以看出，高性能封層施工后與原路面的粘結(jié)強(qiáng)度隨著其中金剛砂摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，其中3#試樣組，當(dāng)金剛砂摻量為35%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值，據(jù)此建議金剛砂的摻量不宜大于35%。

3.2.2 耐磨性評(píng)價(jià)

通過(guò)磨耗試驗(yàn)評(píng)價(jià)耐磨性能，材料用量為1.0 kg/m2，試驗(yàn)溫度為25 ℃，分別選擇500轉(zhuǎn)、1 000轉(zhuǎn)、1 500轉(zhuǎn)，每組平行測(cè)試3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 磨耗試驗(yàn)結(jié)果

從表9可見(jiàn)，隨著共混物中金剛砂的加入，共混物的抗磨耗性能呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)金剛砂的摻量為25%時(shí),2#試樣組的抗磨耗性能達(dá)到最大值,3#試樣組的抗磨耗性能略微降低，故綜合考慮，金剛砂的摻量宜控制在25%～35%。

3.2.3 抗滑性能評(píng)價(jià)

瀝青路面的抗滑性能可用構(gòu)造深度、擺式摩擦儀等室內(nèi)檢測(cè)方法評(píng)價(jià)，但考慮到高性能封層施工后構(gòu)造深度肯定會(huì)減小，同時(shí)金剛砂在瀝青路面表面形成的粗糙界面很難采用構(gòu)造深度來(lái)表征，為此，本文采用摩擦系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10-15]。

為評(píng)價(jià)抗滑性能，先在路面上取回SMA-13混凝土板，并按照1.0 kg/m2的用量涂刷高性能封層，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 不同配比的BPN值

從表10抗滑性能的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，高性能封層施工后的抗滑性能與金剛砂的含量密切相關(guān)，隨著金剛砂摻量增加，抗滑性能不斷提升。但在5#試樣組進(jìn)行高性能封層抗滑試驗(yàn)時(shí)，雖然獲得比較好的抗滑性，但表面出現(xiàn)較多散落的金剛砂，因此金剛砂的摻量宜控制在25%～45%。

4 高性能封層養(yǎng)護(hù)時(shí)間

本文借鑒涂層類(lèi)材料中對(duì)固化階段的劃分及根據(jù)霧封層材料的特性，提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。將固化過(guò)程分為表干和實(shí)干2個(gè)階段。

1) 表干階段：用手指輕觸材料的表面，感到有些發(fā)粘，但無(wú)漆膜粘在手指上。

2) 實(shí)干階段：將濾紙鋪展到涂刷的材料面層上，用手按壓。全干后，濾紙容易揭下，并且沒(méi)有未干固的瀝青被帶下。

用軟毛刷將確定的最優(yōu)配比的高性能封層材料，按照抗滑試驗(yàn)得出的用量范圍在車(chē)轍試件上進(jìn)行涂刷，分別在25 ℃室溫環(huán)境下和60 ℃高溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，每 10 min 進(jìn)行一次固化程度的測(cè)定，其測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 不同溫度固化時(shí)間測(cè)試

分析表11試驗(yàn)結(jié)果得出，在AC-13的基面上，高性能封層在常溫(25 ℃)下的實(shí)干時(shí)間為150 min～180 min；在SMA-13基面上，高性能封層在常溫(25 ℃)的實(shí)干時(shí)間為90 min～140 min。主要是SMA-13的表面構(gòu)造深度較大，易于高性能封層的下滲，因此SMA-13基面的實(shí)干時(shí)間更快。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)高性能封層膠結(jié)料的力學(xué)性能、凝膠特性、相結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定了乳化瀝青與水性環(huán)氧樹(shù)脂的配比5∶3為宜。

2) 通過(guò)對(duì)高耐磨高性能封層的粘結(jié)性能、耐磨性能和抗滑性能進(jìn)行分析，確定了金剛砂的摻量宜控制在25%～35%。

3) 通過(guò)對(duì)高耐磨高性能封層養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，確定常溫(25 ℃)條件下在AC-13基面上的實(shí)干時(shí)間為150 min～180 min，在SMA-13基面上的實(shí)干時(shí)間為90 min～140 min。