高速鐵路橋面防水層用改性植物基乳化瀝青的研制

趙靜存 王鑫 丁宇 劉偉明 葉德軍

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京100081；2.中國鐵路哈爾濱局集團有限公司大慶工務段，黑龍江大慶163000；3.北京中鐵科新材料技術有限公司，北京100081

高速鐵路橋面防水層是暴露于外部環境的結構部位，其作用是防止雨水侵入梁體，保護橋梁結構不被銹蝕［1-2］。

我國既有線主要使用的是噴涂型防水材料。隨著列車的高速運行和氣候變化，噴涂型防水材料龜裂、破損、剝離病害發展速度加快，甚至出現大面積的掀起現象，嚴重影響行車安全，且出現問題的噴涂型防水材料難以鏟除，強行鏟除時易損傷混凝土基體［3-5］。針對這種病害，本文提出在防水層表層攤鋪瀝青混凝土防水材料，可防止破損的防水材料卷起，并且具有防水功能。但攤鋪的瀝青混凝土顏色多為黑色，吸熱能力強，易引起混凝土橋梁熱脹冷縮產生變形，影響其耐久性。針對瀝青混凝土顏色問題，本文提出一種改性植物基乳化瀝青。

植物瀝青［6］是一種低碳、環保的可再生資源，通過添加膠粉能將其顏色調配為淺灰色，涂刷在黑色瀝青體系防水材料表層可改變瀝青防水材料的顏色。但植物瀝青存在低溫環境下硬脆、高溫環境下穩定性差的問題，難以滿足使用要求，應作改性處理［7-11］。本文用高黏樹脂改性植物瀝青制備改性植物基乳化瀝青，并研究高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青蒸發殘留物常規性能、動力黏度、黏結性能、儲存穩定性的影響，研究結果對高黏樹脂改性植物瀝青的應用具有積極意義。

1 試驗部分

1.1 主要原料

植物瀝青（芳香烴含量30%的棕油）為工業級，由江蘇新越瀝青產業研發有限公司生產；高黏樹脂為工業級，由揚子化學科技有限公司生產；無水MgCl2為工業級，由江蘇新越瀝青產業研發有限公司生產；十八烷基三甲基氯化銨為工業級，由江蘇新越瀝青產業研發有限公司生產；甲基丙烯酸甲酯為工業級，由江蘇新越瀝青產業研發有限公司生產。

1.2 試驗儀器

針入度試驗儀選用的是由上海昌吉地質儀器有限公司生產的SYD-2801E1 型；瀝青延度試驗器選用的是由上海昌吉地質儀器有限公司生產的SYD-4508G-1 型；瀝青軟化點試驗器選用的是由上海密通機電科技有限公司生產的SYD-2806F 型；瀝青動力黏度計選用的是由滄州求真儀器設備有限公司生產的SYD-0602型。

1.3 改性植物基乳化瀝青的制備

植物瀝青和高黏樹脂總質量為100 g。試樣1#、2#、3#、4#、5#中高黏樹脂占比分別為 30%、35%、40%、45%、50%。

將植物瀝青加入反應釜中加熱至170 ℃，然后開始攪拌，緩慢均勻加入高黏樹脂。添加高黏樹酯過程中，攪拌罐的加熱裝置保持打開，維持此溫度恒溫攪拌均勻至沒有顆粒物質存在。攪拌均勻狀態可采用取小樣、肉眼觀測的方法來判斷。

植物瀝青與高黏樹脂攪拌均勻后，再與溶有無水MgCl2、十八烷基三甲基氯化銨的混合水溶液使用膠體磨剪切，添加甲基丙烯酸甲酯并攪拌均勻，制得改性植物基乳化瀝青。

1.4 試驗方法

1）改性植物基乳化瀝青的針入度、延度、軟化點、儲存穩定性測試參考JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》［12］。

2）黏結強度性能測試參考CJJ 139—2010《城市橋梁橋面防水工程技術規程》［13］。

1.5 材料性能

參考公路橋梁用瀝青的性能［14］，結合高鐵橋防水層的工況，提出了改性植物基乳化瀝青的性能要求，見表1。

表1 改性植物基乳化瀝青的性能要求

2 高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青的影響

2.1 植物基乳化瀝青常規性能

改性植物基乳化瀝青的軟化點與高黏樹脂用量的關系見圖1。

圖1 高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青軟化點的影響

由圖1可知，隨著高黏樹脂用量的增大，改性植物基乳化瀝青的軟化點增大；當高黏樹脂用量到40%時，改性植物基乳化瀝青的軟化點為87 ℃，滿足技術要求。這是因為高黏樹脂黏度大，熔點高，提高了植物基乳化瀝青的耐高溫性能，擴大了植物基乳化瀝青的使用溫度范圍，因此高黏樹脂的用量不宜小于40%。

改性植物基乳化瀝青的針入度與高黏樹脂用量的關系見圖2。

由圖2可知，隨著高黏樹脂用量的增多，改性植物基乳化瀝青的針入度逐漸下降。這是因為高黏樹脂的添加使改性植物基乳化瀝青變硬，強度變大，提高了改性植物基乳化瀝青抵抗變形的能力。當高黏樹脂用量大于45%時，針入度不滿足性能要求。

改性植物基乳化瀝青的延度與高黏樹脂用量的關系見圖3。

由圖3 可知：改性植物基乳化瀝青的延度隨著高黏樹脂用量的增加而逐漸降低；當高黏樹脂的用量大于45%時，延度小于60 cm，高黏樹脂用量的增多增大了改性植物基乳化瀝青的脆性，降低了改性植物基乳化瀝青的塑性變形能力，在受到較大拉伸變形時容易開裂，因此高黏樹脂的用量不宜大于45%。

2.2 植物基乳化瀝青黏結強度

改性植物基乳化瀝青的黏結強度與高黏樹脂用量的關系見圖4。

由圖4可知，隨著高黏樹脂用量的增多，改性植物基乳化瀝青的黏結強度逐漸增大。因為隨著高黏樹脂用量的增多，改性植物基乳化瀝青的黏度增大，黏性分子隨之增多，增強了分子間黏結力，因此黏結強度提高。當高黏樹脂的用量達到40%時，改性植物基乳化瀝青的黏結強度大于1.5 MPa，符合性能要求。

2.3 植物基乳化瀝青儲存穩定性

改性植物基乳化瀝青儲存穩定性與高黏樹脂用量的關系見圖5。

圖5 高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青儲存穩定性的影響

由圖5可知，隨著高黏樹脂用量的增多，植物基乳化瀝青1 d 的儲存穩定性由0.4%增大為0.7%，5 d 的儲存穩定性由1.0%增大為1.5%，變化較小。這是因為高黏樹脂與植物瀝青的相容性好，兩者混合后不會出現較多離析。

2.4 不同溫度下改性植物基乳化瀝青的黏結強度

采用高黏樹脂用量為40%～45%，制備改性植物基乳化瀝青，探討其低溫黏結強度的變化規律。

瀝青為感溫性材料，其基本的力學參數與溫度有著重要的關系。不同溫度下改性植物基乳化瀝青黏結強度的變化規律見圖6。

圖6 不同溫度下改性植物基乳化瀝青黏結強度的變化規律

由圖6 可知：隨著溫度從0 ℃逐漸下降，改性植物基乳化瀝青低溫黏結強度增強，降至-15 ℃時黏結強度達到峰值，為1.72 MPa；其后隨著溫度的繼續下降，黏結強度迅速衰減。由此可以看出，一定低溫環境下，在輕度凍結及瀝青自身硬度增加的條件下，瀝青的黏結強度呈現增加的趨勢。

3 結論

1）隨著高黏樹脂的添加，改性植物基乳化瀝青的軟化點升高，針入度和15 ℃延度下降，當高黏樹脂添加量超過40%時，針入度和15 ℃延度衰減比較大。

2）高黏樹脂的添加提高了植物基乳化瀝青的黏結強度，當高黏樹脂的添加量為35%時，改性植物基乳化瀝青的黏結強度大于1.5 MPa，符合性能要求。

3）隨著高黏樹脂的添加，植物基乳化瀝青1 d 的儲存穩定性由0.4%增大為0.7%，5 d 的儲存穩定性由1.0%增大為1.5%，變化較小，說明高黏樹脂與植物瀝青的相容性較好。

4）瀝青為感溫性材料，其黏結強度與溫度有著重要的關系。高黏樹脂用量在40%～45%時，改性植物基乳化瀝青的低溫黏結強度隨著溫度降低先增大后減小，在-15 ℃出現最大值。