水性環氧改性乳化瀝青含砂封層養護技術研究

黃絢

作者簡介：

黃 絢（1982—），工程師，主要從事高等級公路養護管理研究工作。

為研究水泥路面養護中水性環氧改性乳化瀝青含砂封層的應用技術，文章介紹了水性環氧樹脂固化機理和原材料性能要求，通過正交試驗設計法著重研究了瀝青灑布量、石屑撒布量、石屑粒徑構成三因素對含砂封層抗滑性和耐磨耗性能的影響。研究結果表明：石屑粒徑對水性環氧改性乳化瀝青碎石封層路用性能影響最大，石屑粒徑越粗，構造深度和摩擦系數越高，但是耐磨耗性越差;石屑撒布量對封層抗滑性能影響較大;瀝青灑布量對封層耐磨性能影響較大。綜合考慮推薦砂封層各項技術指標采用石屑比例50∶50，石屑撒布量為1.7 kg/m2，第一層環氧改性乳化瀝青灑布量為0.4 kg/m2，可獲得最佳路用性能。

水泥路面;道路養護;環氧改性乳化瀝青;含砂封層

U418.6A170584

0 引言

我國交通事業飛速發展，新建道路里程逐年增長，目前新建高速公路主要以瀝青混凝土路面為主。但是我國并非瀝青生產國，優質道路用瀝青主要依靠進口，重交通路段需要購買成本較高的各類改性瀝青。而我國是水泥生產大國，目前連續配筋水泥混凝土路面技術逐漸成熟，相對于改性瀝青混凝土路面具有成本低、抗變形性能好等優點，在國內發展長壽命水泥混凝土路面具有天然優勢。然而水泥混凝土路面損傷后養護困難，若對早期微小裂縫處置不當，極易發展成為嚴重的裂縫、斷板等病害[1]。過去針對水泥路面早期病害的護維修手段效果較差，對于水泥路面主要還是采用成本較高的銑刨重建和加鋪瀝青面層的方法。隨著預防性養護觀念逐漸受到重視，含砂封層技術被廣泛應用到高速公路養護工程中。

相關研究認為水泥路面沒有足夠的構造深度和粗糙程度，普通瀝青含砂封層直接應用到水泥路面上，易受到雨水和行車作用而剝落[2]。而環氧改性乳化瀝青具有高溫穩定性高、抗疲勞性能強、粘附性較好，加鋪在水泥路面上整體性好等特點，成為一種理想的水泥路面封層材料[3]。因此，本文對水泥路面環氧樹脂乳化瀝青含砂封層養護技術進行研究，分析環氧改性乳化瀝青灑布量、石屑撒布量、石屑粒徑構成對含砂封層路用性能的影響，為同類型水泥路面養護工程提供技術依據。

1 環氧改性乳化瀝青原材料

1.1 乳化瀝青

本文選取瀝青質和樹脂含量較高的70#石油瀝青作為基質瀝青，制備乳化瀝青時所用乳化劑摻量為1.2%，穩定劑摻量為瀝青質量的60%，最終制得乳化瀝青的技術指標見表1。

1.2 水性環氧樹脂

水性環氧樹脂是指環氧樹脂受到水性化處理后在水中以微小顆粒均勻懸浮形成的混合溶液，具有穩定性好，易與乳化瀝青混合均勻，固化速度快等優點[4]。本文選用環氧樹脂E-51和環氧樹脂含量10%的乳化劑PF108制備水性環氧樹脂，技術指標如表2所示。

1.3 固化劑

固化劑用于加速環氧樹脂固化速度，環氧樹脂的環氧基和羥基與多種活性官能基團發生交聯形成熱固化產物，從而迅速提高環氧改性乳化瀝青的力學性能[5]。本文選用多胺基酰胺固化劑T450，其技術指標見表3。固化劑根據式（1）計算可知固化劑摻量為環氧樹脂用量的61%時為最佳摻量。

最佳用量計算表達式見式（1）：

W=M·En·a%（1）

式中：W——100 g環氧樹脂用胺質量，g;

M——胺分子質量;

n——胺的活潑氫原子質量;

a%——胺純度;

E——環氧樹脂的環氧當量。

2 水性環氧改性乳化改性瀝青含砂封層技術研究

2.1 正交實驗設計

環氧改性乳化瀝青含砂封層主要提高路面的抗滑性能和耐磨耗性能，由環氧改性乳化瀝青灑布量、石屑粒徑構成和石屑撒布量三個因素決定。本文為確定三者最佳水平，采用正交試驗設計法設計實驗方案。

2.1.1 影響因素和相關水平

（1）環氧改性乳化瀝青灑布量

水性環氧乳化瀝青含砂封層施工時一般分為兩次灑布：第一層水性環氧乳化瀝青要求能夠完全覆蓋水泥路面，并且能夠粘附住撒布的石屑，這一階段的灑布量直接影響到封層的性能;第二層水性環氧乳化瀝青撒布要求密封住石屑之間的間隙，使石屑上下兩層水性環氧乳化瀝青在粘附作用下形成穩定耐久的整體。現有研究成果認為第一層水性環氧乳化瀝青灑布量對封層路用性能影響最大，而第二層灑布量為0.1 kg/m2時能夠滿足質量需求。因此，本文確定第二層灑布量為0.1 kg/m2，擬采用灑布量為0.3 kg/m2、0.35 kg/m2、0.4 kg/m2作為第一層環氧改性乳化瀝青相關水平。

（2）石屑粒徑構成

含砂封層所用石屑一般為石料廠出產的0～3 mm和3～5 mm的石灰巖石屑混摻，本文選用河南某石料廠出產的1#和2#兩檔石屑，篩分結果如表4所示。設計試驗時擬采用1#和2#石屑比例為25∶75、50∶50、75∶25作為相關水平。

（3）石屑撒布量

撒布石屑用于改善路面抗滑能力，防止單獨噴灑環氧改性乳化瀝青導致路面抗滑能力下降，造成行車危險。本文擬采用石屑撒布量1.3 kg/m2、1.5 kg/m2、1.7 kg/m2作為相關水平。

綜上，得到環氧改性乳化瀝青灑布量、石屑粒徑構成、石屑撒布量三種因素對應的相關水平如表5所示。

2.1.2 正交試驗設計表

由上文確定的環氧改性乳化瀝青灑布量、石屑粒徑構成、石屑撒布量3個影響因素和3個相關水平建立正交試驗，如表6所示。

2.2 抗滑性與耐磨性試驗結果

對上述正交實驗設計法設計的9組方案在預制的水泥板上加鋪環氧改性乳化瀝青含砂封層進行抗滑性與耐磨性試驗。結果如表7所示。

對各因素的三種水平的試驗結果進行極差值處理，根據極差值大小可以判斷出三因素對路用性能影響程度的大小。極差值分析結果如表8所示。

由表7和表8可知：

（1）石屑粒徑構成的構造深度、摩擦系數、磨耗值平均值極差最大，說明其對含砂封層的路用性能影響比石屑灑布量及瀝青灑布量大，對路用性能起主要影響作用。當3～5 mm石屑與0～3 mm石屑比例為75∶25時含砂封層的構造深度、摩擦系數相比25∶75和50∶50時提升明顯，這是因為石屑粒徑較粗時含砂封層表面粗細石屑堆積形成豐富的棱角。當3～5 mm石屑與0～3 mm石屑比例為75∶25時磨耗值最高，觀測荷載磨耗實驗過程發現比例為75∶25時含砂封層出現破損剝落現象。這是因為粗粒徑石屑含量較多時，環氧改性乳化瀝青未能充分粘附粗粒徑石屑與細粒徑石屑堆疊形成的間隙，因此要合理控制石屑粒徑構成。本文推薦3～5 mm石屑與0～3 mm石屑比例為50∶50。

（2）石屑灑布量對構造深度和磨耗值影響略小于瀝青灑布量，但是對摩擦系數影響高于瀝青灑布量。當石屑灑布量增大時，構造深度、摩擦系數、磨耗值均有所增大，當灑布量為1.7 kg/m2時同時達到最大值。

（3）當瀝青灑布量取0.4 kg/m2時，構造深度、摩擦系數、磨耗值相比0.3 kg/m2和0.35 kg/m2時均有所減小，但是灑布量為0.4 kg/m2時相比0.3 kg/m2時的構造深度僅下降了14.3%，摩擦系數相比0.35 kg/m2時僅下降5.4%，而磨耗值卻下降了42.9%，說明環氧改性乳化瀝青灑布量對磨耗值也有較大影響。當瀝青灑布量較大時，石屑之間的間隙能夠被更充分地粘結，使得含砂封層抵抗磨耗的能力增強。

綜上，本文推薦第一層環氧改性乳化瀝青灑布量為0.4 kg/m2，第二層灑布量為0.1 kg/m2，石屑粒徑構成為3～5 mm石屑與0～3 mm石屑比例50∶50，石屑撒布量為1.7 kg/m2，此時環氧改性乳化瀝青含砂封層路用性能最好。

3 結語

（1）石屑粒徑構成對水性環氧改性乳化瀝青碎石封層路用性能影響最大，石屑粒徑越粗，構造深度和摩擦系數越高，但是耐磨耗性越差。因此需合理控制石屑粒徑構成，本文推薦3～5 mm石屑與0～3 mm石屑比例為50∶50。

（2）石屑撒布量對封層抗滑性能影響較大，當石屑撒布量增大時，構造深度、摩擦系數有所增大。瀝青灑布量對封層耐磨性能影響較大，瀝青灑布量為0.4 kg/m2時相比0.3 kg/m2時，磨耗值降低42.9%。

（3）綜合考慮含砂封層的抗滑性能和耐磨性能，推薦瀝青含砂封層各項技術指標按如下標準選用：石屑比例為50∶50，石屑撒布量為1.7 kg/m2，第一層環氧改性乳化瀝青灑布量為0.4 kg/m2，此時封層可取得最佳路用性能。

[1]陳俊宇.水泥路面應用水性環氧改性乳化瀝青砂霧封層技術研究[D].西安：長安大學，2015.

[2]鄭木蓮，范賢鵬，李洪印，等.道路用水性環氧乳化瀝青的研究進展[J].中國科技論文，2019，14（8）：821-829.

[3]陳 忠.新型環氧改性瀝青封層技術在路面養護工程中的應用研究[J].中外公路，2018，38（3）：92-96.

[4]張 鵬.水環氧乳化瀝青石屑封層在農村公路水泥橋面預養護的應用研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[5]曾德亮.水性環氧樹脂改性乳化瀝青在霧封層養護中的應用[J].公路，2015，60（2）：212-215.