固化劑含量對水性環氧改性乳化瀝青微表處的性能影響

趙果萍

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國高速公路總里程的飛速增長及汽車保有量的不斷增加，路面維修、養護工作愈發重要。為實施和推廣全壽命周期成本及路面20年不大修等理念，傳統的“矯正性養護”逐漸被“預防性養護”所取代[1]。微表處具有成本低廉、施工方便、污染小等優點[2-3]，逐漸成為公路預防性養護常用的手段之一。然而，由于原材料、配合比及施工環境氣候等原因，微表處仍存在性能衰減迅速、耐久性不佳、易發生早期破壞等不足。主要是因為微表處結構中瀝青與集料之間的黏結力不佳，直接導致集料抗剝落性差；更有甚者，在高溫條件以及汽車荷載作用下，集料受到擠壓而重新排列，導致微表處抗滑性能衰減明顯。因此瀝青膠結料性能是微表處應用的核心。

現階段，工程應用中通常采用丁苯橡膠（SBR）改性乳化瀝青。添加SBR膠乳后的改性乳化瀝青殘留物擁有極佳的黏韌性，大大改善微表處的低溫抗裂性能；但對高溫及抗車轍性能提升不明顯[4-5]。水性環氧樹脂是一種固化物強度高、高溫穩定性優異、黏附性強且儲運方便的環境友好型新材料[6]，是理想的乳化瀝青聚合物改性劑。水性環氧乳化瀝青通過乳化瀝青、水性環氧樹脂固化體系（水性環氧樹脂+水性固化劑）按一定比例摻配而成，可兼顧二者的材料性能優勢，作為改性瀝青膠結料應用于微表處混合料，能提升其抗磨耗、抗水損、抗剝落等性能，增強微表處磨耗層的耐久性。

1 原材料

1.1 水性環氧固化體系及水性環氧固化物

該試驗中，水性環氧樹脂選用購自上海潤碳新材料科技有限公司的水性環氧乳液MU601，具體指標如表1所示。滿足國標《道路用水性環氧樹脂乳化瀝青混合料》（GB/T 38990—2020）[7]的要求。水性固化劑WAT-4-1由實驗室自制，技術指標見表2。

表1 水性環氧樹脂技術指標

表2 水性環氧固化劑技術指標

按照環氧當量與活潑氫當量比例為1∶1.2進行核算，確定MU601和WAT-4-1按質量比1∶0.6使用，摻配混合均勻后即得水性環氧固化體系，該固化體系在室溫條件下隨著時間推移逐漸發生化學固化反應，形成不熔不溶的三維空間網狀結構的水性環氧固化物。

1.2 乳化瀝青

試驗中所用瀝青選用中海油70號基質瀝青，其基本指標見表3。該試驗選用市售陽離子型慢裂快凝乳化劑CMK-206，使用膠體磨制備成乳化瀝青，經測試其性能滿足《微表處和稀漿封層技術指南》（JTC/T F40-02—2005）[8]，其性能如表 4 所示。

表3 中海油70號基質瀝青主要指標

表4 乳化瀝青基本技術指標

1.3 水性環氧乳化瀝青的制備

采用“先乳化后改性”的基本方法，取計量的水性環氧樹脂和水性固化劑按比例充分攪拌至呈白色均一液體，隨后加入至乳化瀝青，室溫條件下機械攪拌（轉速500 r/min）15 min后即得水性環氧乳化瀝青材料。

因為水性環氧固化物強度高脆性較大，在環氧體系改性之前，預先在乳化瀝青中加入3%（折合固體質量）的陽離子型SBR膠乳（60 wt%）。

1.4 集（礦）料

集料及礦粉均選用石灰巖，取自太原東二環檢測項目工地，各項指標均符合《公路瀝青路面養護技術規范》（JTG 5142—2019）[9]規定。級配采用《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2019）[10]，如表 5所示規定的MS-3型中值級配。為加快改性乳化瀝青的破乳，提升稀漿混合料的早期強度，在混合料拌合過程中加入1%（占集料質量的百分比）的硅酸鹽水泥（標號 42.5）。

表5 MS-3型中值級配表

對集料進行篩分，并依據中值級配表繪制合成級配曲線，最終確定各檔集料的質量用量如表6所示。

表6 各檔集料的質量用量比例表

1.5 微表處稀漿混合料最佳油石比的確定

該試驗通過濕輪磨耗試驗（1 h）和負荷車輪黏砂試驗測得的1 h濕輪磨耗損失、黏附砂量與油石比的關系繪制曲線來確定微表處稀漿混合料最佳油石比范圍，繼而為后續評價微表處混合料的路用性能提供基礎。

結合工程經驗，固定SBR膠乳摻加量為乳化瀝青質量的3%，且乳化瀝青內不摻加水性環氧樹脂固化體系，水泥摻加量為集料總質量的1%，稀漿混合料拌合用水量范圍為集料質量的3%～8%.選定油石比范圍為4.5%～6.5%，制作濕輪磨耗及負荷車輪黏砂試件進行試驗，試驗結果如圖1。

圖1 微表處1 h濕輪磨耗損失及黏附砂量與油石比關系曲線

由圖1分析易知，隨著瀝青質量的逐漸增大，微表處稀漿混合料的1 h濕輪磨耗損失WTAT呈現不斷下降的趨勢，當油石比提升至5.5%左右即可滿足規范要求?；旌狭系呢摵绍囕嗮ど傲侩S油石比的增加逐漸增大，當油石比大于6.2%后便超過規范要求的上限450 g/m2。在試驗過程中觀察易知，當油石比超過6.5%時，破乳后混合料試件表面泛油光，在工程應用中會引起路表泛油。綜上所述，該試驗的油石比應處于5.5%～6.2%這一范圍間。

2 結果與討論

2.1 水性環氧乳化瀝青的蒸發殘留物拉伸強度試驗

由于水性環氧乳化瀝青隨著水分的揮發，體系中瀝青的破乳和環氧樹脂的交聯固化反應同時進行，最后形成“環氧瀝青”。因此，規范JTG F40規定的對乳化瀝青殘留物性質測試方法不再適用于水性環氧乳化瀝青。依據國標GB/T 38990規定，通過考察蒸發殘留物的斷裂拉伸強度及伸長率來表征水性環氧乳化瀝青的蒸發殘留物性能。

參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》（GB/528—2009）[11]，制備“啞鈴狀”試件，室溫條件下養護3 h后進行拉伸應力應變性能測定，拉伸速率為（50±5）mm/min，斷裂瞬間的強度和伸長率結果見圖2。

圖2 改性乳化瀝青殘留物拉伸斷裂強度、拉伸斷裂伸長率與水性環氧固化體系摻量關系圖

由圖2易知，水性環氧固化體系的摻加，提升了改性乳化瀝青的力學強度。隨著水分的蒸發，環氧樹脂分子與固化劑接觸發生化學固化反應；與此同時，乳化瀝青不斷破乳，瀝青顆粒填充、依附在環氧樹脂固化物網狀結構內，形成類似“加筋”結構，繼而使整個體系的力學性能及結構強度得以顯著增強。當水性環氧固化體系摻加量為20%時，改性乳化瀝青的殘留物斷裂拉伸強度達到1.63 MPa，遠強于基質乳化瀝青。

水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物的拉伸斷裂伸長率隨水性環氧固化體系摻加量的增加而逐漸降低，說明改性乳化瀝青體系從熱塑性材料逐漸向熱固性材料轉變。即體系由瀝青顆粒為主相、環氧樹脂固化物大分子為分散相的這一狀態逐步衍變為以環氧固化物網絡為主相、瀝青顆粒為分散相的結構。

2.2 水性環氧固化體系對微表處混合料抗磨耗性能的影響

圖3呈現出水性環氧固化體系的摻加量分別為2%、4%、6%、8%、10%和20%的改性乳化瀝青混合料的抗磨耗性能的變化規律。隨著環氧體系摻加量的增加，濕輪磨耗損失值逐漸降低，說明混合料抗磨耗性能提升明顯。分析其原因，瀝青體系的破乳和環氧體系的固化交聯同時發生又相互影響。乳化瀝青的破乳將石料（骨料）充分裹附；環氧固化體系與瀝青顆粒交互纏繞，環氧固化物大分子網絡在裹附瀝青的集料間起到類似“加筋”作用，因此復合體系相比單純瀝青膠結料具有更高的黏附性和強度。但當環氧固化體系摻加量達到10%后，1 h濕輪磨耗損失值曲線趨于平穩，不再產生大幅變化，混合料耐磨耗能力的提升不與水性環氧固化體系用量呈正相關，綜合考慮成本及混合料抗磨耗性能，確定10%為水性環氧固化體系的最佳摻量。

圖3 不同環氧固化體系摻量的改性乳化瀝青混合料濕輪磨耗損失圖

2.3 水性環氧乳化瀝青微表處的水穩定性能影響研究

該試驗采用浸水6 d濕輪磨耗試驗、凍融循環濕輪磨耗試驗分別對微表處混合料的水穩定性能及耐久性進行全面考察評價。按JTG F40規定成型濕輪磨耗試件分為兩組，一組置于25℃恒溫水浴中浸泡6 d進行6 d濕輪磨耗試驗；另一組先放入25℃的恒溫水浴中浸泡1 h，后置于-18℃低溫環境中16 h進行冷凍，接著放入45℃恒溫水箱養護12 h，之后進行濕輪磨耗試驗。

該試驗使用水性環氧固化體系外摻用量分別為2%、4%、6%、8%、10%和20%的改性乳化瀝青成型濕輪磨耗試件進行浸水6 d濕輪磨耗試驗和凍融循環濕輪磨耗試驗，試驗結果見圖4。

圖4 不同固化體系摻量的浸水6 d濕輪磨耗試驗和凍融循環濕輪磨耗試驗損失圖

圖4中易知，水性環氧固化體系的摻入對微表處混合料的水穩性能有明顯改善。隨著環氧固化體系摻量的增加，微表處混合料的浸水6 d和凍融循環的濕輪磨耗損失都呈下降的趨勢，且差距逐漸減小。說明水性環氧固化體系的摻入提升了微表處混合料抵抗凍破壞的能力。該結構顯著增加了膠結料與集料間黏附作用，當溫度應力循環及水侵蝕作用下，有效抵抗了水及荷載對集料產生的凍融剝落作用，提升了微表處混合料的水穩定性。

當環氧體系摻量達到10%時，6 d濕輪磨耗損失和凍融濕輪磨耗損失下降均趨于平緩，因此從成本及性能角度考慮，水性環氧固化體系的最優摻量為10%.

3 結語

a）結合工程經驗及室內試驗，微表處油石比應處于5.5%～6.2%.

b）相比于傳統基質乳化瀝青，水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物的斷裂拉伸強度大大提升。當水性環氧固化體系摻加量為20%時，改性乳化瀝青的殘留物斷裂拉伸強度達到1.63 MPa。水性環氧固化體系的加入，使乳化瀝青體系的力學強度顯著增強。

c）水性環氧固化體系的摻入，顯著提升了微表處混合料的抗磨耗性能及水穩定性能。在綜合考慮成本及性能的基礎上，水性環氧固化體系的最佳摻量為10%.