填料對水性環氧乳化瀝青膠漿疲勞特性的影響

黃維蓉,姜 濤,李懷龍,任海生

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院,重慶 400074; 2. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;3.鄭州市綜合交通規劃研究中心,河南 鄭州 450052; 4. 東南大學 智能運輸系統研究中心,江蘇 南京 211100)

0 引 言

在道路施工中,熱拌瀝青混合料存在著溫度損失快、對環境溫度要求高、燃料消耗大、產生的有害煙霧多等諸多缺點[1-4]。乳化瀝青作為經濟環保的路用瀝青材料被廣泛應用,除在道路施工中作為低等級公路的上面層、基層及高等級公路的基層再生冷補料外,還可作為涂料、冷補料、黏結劑、絕緣材料等[5-6]。乳化瀝青具有施工便利、污染小等諸多優點[7],更符合我國提出的 “碳達峰、碳中和”新目標。

直接乳化后基質瀝青的性能無法完全滿足道路施工要求,M.A.SHAFII等[8-10]分別將SBS、SBR等膠乳加入乳化瀝青中進行改性,提升了改性乳化瀝青高/低溫性能和乳化瀝青混合料的力學性能。國內學者將水性環氧樹脂與乳化瀝青進行復配得到了水性環氧乳化瀝青(WEREA),WEREA能起到提升乳化瀝青穩定性的效果[11-12]。在乳化瀝青冷再生混合料中,乳化瀝青會與填料結合形成膠漿,裹覆細集料并填充空隙[13],故針對乳化瀝青冷再生混合料水穩定性較差的缺點,通常會加入水泥提升其水穩定性。現有研究表明:乳化瀝青冷再生混合料中的礦粉、水泥等填料對WEREA性能有一定影響,復合材料在破乳、固化過程中,產生的應力開裂會逐漸降低,少量比例水泥摻入會提高復合材料的早期強度,增加與集料之間的黏結作用,填料加入將會改變WEREA的破乳、固化時間。

膠漿作為瀝青及瀝青混合料相關研究的中間“橋梁”,很大程度上可直接反應出瀝青混合料的性能。國內外對WEREA膠漿的研究主要集中于路用性能上,針對其疲勞特性的研究較少;但實際上冷再生瀝青混合料的彎曲疲勞破壞對路面影響較大,因此對乳化瀝青混合料的抗疲勞性能進行分析具有良好的工程指導意義[14-17]。

筆者以WEREA為基礎展開研究,分別使用陰/陽離子乳化劑配合SBR膠乳制備出兩種類型的乳化瀝青,通過加入水性環氧樹脂體系,制備出WEREA;選取石灰石礦粉、水泥作為填料分別摻入其中,再制備出不同的WEREA膠漿;通過改變粉膠比,對礦粉-WEREA-膠漿和水泥-WEREA -膠漿的疲勞特性進行研究。

1 原材料

采用P·O42.5水泥和石灰石礦粉作為礦物填料,與WEREA混合形成膠漿。原材料為改性乳化瀝青、填料和水性環氧樹脂,其中改性乳化瀝青原料包括基質瀝青、乳化劑、固化劑、SBR膠乳。

1.1 瀝青和填料

選用殼牌70#A級基質瀝青,測試結果如表1。填料選取P.O 42.5水泥、石灰石礦粉,試驗前對這兩種填料過0.075 mm方孔篩,防止填料在固化前影響WEREA膠漿[18],水泥、礦粉相關技術指標見表2、 表3。

表1 殼牌70#基質瀝青技術指標

表2 P.O 42.5水泥技術指標

表3 石灰石礦粉技術指標

1.2 水性環氧樹脂

筆者所用的水性環氧樹脂為BH-644,由低分子雙酚A型環氧樹脂和改性劑通過剪切機乳化而成。固體份環氧值為0.36～0.44,屬于純環氧樹脂乳液;固化劑為改性多胺類固化劑BH-560。

2 WEREA膠漿制備

WEREA膠漿制備分為3步:制備改性乳化瀝青,制備WEREA,制備WEREA膠漿。

2.1 制備改性乳化瀝青

SBR改性乳化瀝青的制備是將乳化和改性同時進行[8]。各組分配比為,瀝青∶水∶乳化劑∶穩定劑∶SBR膠乳=60∶40∶2∶0.1∶3。其具體制備流程見圖1;陰/陽離子改性乳化瀝青相關技術指標見表4。

圖1 乳化瀝青制備流程Fig. 1 Flow chart of emulsified asphalt preparation

表4 改性乳化瀝青技術指標

2.2 制備WEREA

水性環氧樹脂乳液與固化劑的摻配比例可通過文獻[19]得出,其計算如式(1):

(1)

式中:W為100 g水性環氧樹脂用胺的質量;M為胺的分子質量;n為胺的活潑氫原子數;a為胺的純度;E為水性環氧樹脂的環氧值。

通過計算可知水性環氧樹脂∶固化劑=1∶0.72。但實際中固化劑中的活性氫未能與環氧反應完全,使用XHTJ-10黏結強度測試儀通過拉拔試驗確定實際的水性環氧樹脂體系最佳摻配比例為1∶0.9。

制備WEREA的步驟如下:① 根據計算結果稱取水性環氧樹脂、固化劑及改性乳化瀝青;② 將固化劑及水性環氧樹脂用攪拌器以200～300 r/min攪拌2 min;③ 將改性乳化瀝青倒入杯中繼續攪拌,以300～500 r/min攪拌5 min,直至杯底無黏稠狀乳液,杯中液體均勻。

水性環氧樹脂摻量為20%時的黏結性好且易均勻分散,故筆者所用摻量為20%。

2.3 制備WEREA膠漿

綜合考慮WEREA在實際中的固化、破乳時間,在制備WEREA膠漿時選擇合適的填料投料溫度、時間、拌和方式和養護工藝等因素[20],具體制備工藝如下:① 將填料過0.075 mm方孔篩,取小于0.075 mm部分放入105 ℃的烘箱中,烘至干燥無水分狀態后,降至室溫;② 取制備的無結團水性環氧乳化瀝青300 g,以粉膠比(0.3、0.6、0.9、1.2)分別稱取礦粉、水泥;③ 使用JJ-1A型攪拌器,室溫下將WEREA以200 r/min攪拌30 s,將填料均勻倒入杯中,以500 r/min攪拌180 s;④ 盛裝WEREA膠漿的杯底無顆粒沉淀、無團聚現象時,完成WEREA膠漿制備。

3 試 驗

3.1 WEREA膠漿疲勞性能

3.1.1 試驗方法

筆者采用TA-DHR2型動態剪切流變儀的時間掃描模式對樣品進行試驗,用來評價瀝青膠漿在荷載反復作用下的疲勞壽命[21]。試驗參數為:平板夾具直徑25 mm,樣品厚度1 000 μm,加載控制模式為應力控制模式,試驗溫度為25 ℃,加載頻率為10 Hz[22]。由于本次試驗溫度較低,實際操作存在困難,故筆者根據文獻[23],夾具在升溫前設置為2 000 μm,溫度升高至45 ℃后設置為1 000 μm。

3.1.2 評價指標

筆者從熱力學角度,以儲能模量和損耗模量來反映WEREA經反復施加應力的疲勞變化。發現疲勞時間與儲能模量成反比,與損耗模量成正比[24]。

近年來,學界多采用SHRP計劃中的疲勞因子G*sinδ作為評價指標,但該評價指標較為片面[25-26],實際上WEREA疲勞壽命相關性與樣品選取有關。筆者通過動態剪切儀中的時間掃描模式,分別選取Nf50、NG*作為WEREA抗疲勞性能的評價指標。

其中:Nf50指當模量降低為初始值的50%時,即為疲勞破壞,此時的加載時間即為疲勞壽命;由于瀝青膠漿是典型的黏彈性材料,可通過分析復數模量(G*)來表征荷載的變化規律[27-29];樣品破壞前G*隨加載時間曲線拐點所對應的時間即NG*。

3.2 WEREA膠漿微觀結構

筆者使用掃描電鏡(SEM)對WEREA、礦粉-WEREA-膠漿和水泥-WEREA-膠漿的微觀結構進行觀察,對比分析不同填料摻入后的對WEREA疲勞特性的影響。

4 結果與討論

4.1 疲勞特性

分別以水泥、礦粉作為填料,粉膠比選取0.3、 0.6、 0.9、 1.2,水性環氧樹脂摻量20%,分別制備陰/陽離子WEREA膠漿。DSR試驗前需要根據試驗時間調整水泥-WEREA膠漿的制備時間,使每組水泥-WEREA膠漿試驗前養生時間控制在90 min,礦粉-WEREA膠漿待瀝青基本破乳即可。每種填料的每種粉膠比共分為4個試樣,相同粉膠比以2個試樣為一組,以此獲取平行試驗結果。取兩組結果均值作為試驗結論,為減小實驗誤差,若2組數據相差較大則重新試驗。本次試驗共2種填料,2種改性乳化瀝青,合計64個試驗結果。

筆者對Nf50、NG*兩個指標進行匯總,并進行線性擬合處理,分析了填料種類、粉膠比對WEREA膠漿疲勞特性的影響[30],探究了WEREA膠漿疲勞壽命與粉膠比在不同應力(0.10、 0.15 MPa)水平條件下的關聯性,擬合結果如圖2～圖5。

圖2 礦粉-陰離子WEREA膠漿疲勞壽命試驗及線性擬合結果Fig. 2 Fatigue life test and linear fitting results of mineral powder-anionic WEREA mortar

由圖2可知:礦粉-陰離子WEREA膠漿應力從0.10 MPa增加至0.15 MPa,以Nf50、NG*評價礦粉-WEREA膠漿疲勞壽命平均降低50.0%、44.6%;以礦粉作為填料時,應力水平上升50%,疲勞壽命降低47.4%;對擬合前相同應力水平、不同粉膠比的WEREA膠漿疲勞壽命增加情況進行計算,隨著粉膠比階梯性增加,膠漿疲勞壽命提升幅度放緩,增加幅度由約30%減少約20%,兩種應力水平下該趨勢一致。究其原因是:礦粉作為填料加入WEREA,內部的礦粉被復合材料包裹,起到支撐固定作用,隨著粉膠比在合理范圍內增加,被包裹的礦粉增加,受影響的膠漿空間增大,疲勞特性提升與粉膠比線性高度相關;礦粉摻量的增加讓發揮作用的礦粉比例逐漸降低,WEREA膠漿抗疲勞性能提升幅度逐漸降低。

由圖3可知:礦粉-陽離子WEREA膠漿應力從0.10 MPa增加至0.15 MPa,Nf50、NG*指標的表面疲勞壽命分別降低51.1%、48.4%,應力水平提升50%,疲勞壽命降低49.7%;在0.10 MPa應力水平下,粉膠比增大對WEREA膠漿抗疲勞性能提升趨勢與陰離子WEREA膠漿相同,從26%降低至18%;在0.15 MPa應力水平下,粉膠比從0.3增加至0.9,疲勞壽命提升幅度從24%降低至19%,當粉膠比從0.9增加至1.2時,疲勞壽命提升幅度躍升至約33%。應力變化對兩種WEREA膠漿疲勞特性影響均較大,且在相同應力條件下,隨礦粉摻量增加,對疲勞壽命的提升幅度也逐漸降低;但陽離子WEREA膠漿在0.15 MPa應力條件下,粉膠比從0.9增加至1.2時,對疲勞壽命的提升幅度不降反升,究其原因是陽離子WEREA與礦粉所帶電荷相異,兩者混合后內部細小顆粒反而不如陰離子WEREA膠漿更易分散、形成整體結構,應力提升至0.15 MPa后礦粉所形成的結構被破壞,而摻量增加使得內部礦粉形成更多的整體結構,抵抗形變能力增強,表現為疲勞壽命的躍升。

圖3 礦粉-陽離子WEREA膠漿疲勞壽命試驗及線性擬合結果Fig. 3 Fatigue life test and linear fitting results of mineral powder-cation WEREA mortar

由圖4可知:應力水平從0.10 MPa增加至0.15 MPa,水泥-陰離子WEREA膠漿的疲勞壽命大幅降低,Nf50、NG*指標平均減少79.5%、80.2%,應力水平增加50%,疲勞壽命降低79.9%;0.10 MPa應力水平下,粉膠比由0.3增加至1.2,疲勞壽命提升幅度由33%增加至22%;而在0.15 MPa應力水平下,疲勞壽命提升幅度由13%增加至25%后再降至19%,水泥對陰離子WEREA膠漿疲勞壽命提升效果與礦粉的差異性較大。究其原因是:水泥與WEREA中的水分發生水化反應,水化產物所形成的空間結構與乳化瀝青聚合物所形成的空間結構互相貫穿、相互支撐、黏結[31],當水泥摻量低時,WEREA內部水分未被利用充分,若應力增加則極易破壞內部水泥石結構,隨著水泥摻量增加,將水分利用完全,疲勞壽命提升幅度增加,再次增加摻量雖能提升膠漿抗疲勞性能,但并非由水化生成的水泥石發揮作用,而是由未被反應的水泥在WEREA內部發揮和礦粉相同作用,即表現出在0.15 MPa應力條件下的抗疲勞性能呈現出先增加后減少的效果。

圖4 水泥-陰離子WEREA膠漿疲勞壽命試驗及線性擬合結果Fig. 4 Fatigue life test and linear fitting results of cement-anionic WEREA mortar

由圖5可知:應力水平從0.10 MPa增加至0.15 MPa,水泥-陽離子WEREA膠漿的疲勞壽命也大幅降低,Nf50、NG*指標平均減少79.8%、79.5%,應力水平增加50%,疲勞壽命降低79.6%;在兩種應力水平下,疲勞壽命的變化幅度基本一致,隨著粉膠比增加,膠漿抗疲勞性能平均提升幅度從30%降低至21%后再增加至29%。兩種電荷的水泥-WEREA膠漿在應力提升至0.15 MPa后疲勞壽命均大幅降低,這表明雖然水泥相較于礦粉對WEREA膠漿抗疲勞性能提升更好,但應力提升至一定程度時,內部水泥水化形成的結果被破壞,疲勞壽命仍會大幅降低;由于電荷差異,陰/陽離子WEREA膠漿內部水泥與水發生水化反應的程度有所區別,黏結性能較好的陽離子WEREA與水泥能充分利用內部水分,表現為水泥最佳摻量相較于陰離子WEREA膠漿更少,該最佳摻量并非是指此摻量下膠漿疲勞壽命最大,而是該摻量對應的疲勞壽命-粉膠比曲線上的點斜率最大,即內部水分利用率較高,水泥石所形成的的整體結構達最大值,與試驗結果一致。

圖5 水泥-陽離子WEREA膠漿疲勞壽命試驗及線性擬合結果Fig. 5 Fatigue life test and linear fitting results of cement-cationic WEREA mortar

不同于陰離子WEREA膠漿,未與水發生水化反應的水泥能與復合材料黏結,發揮與陽離子WEREA膠漿內部礦粉的作用,形成第2種整體結構,表現為疲勞壽命提升幅度的二次增加。

綜合對比圖2～圖5,填料對兩種WEREA膠漿的疲勞性能提升程度相近,且兩種WEREA膠漿的Nf50、NG*指標與粉膠比均存在顯著的線性關系,相關系數R2>0.95,表明用Nf50、NG*指標來評價WEREA膠漿可靠性較高;水泥和礦粉對WEREA疲勞壽命的提升效果有明顯差異,在0.10 MPa應力條件下,綜合兩個評價指標,水泥摻入后的陰離子WEREA膠漿疲勞壽命比礦粉高4.96倍,0.15 MPa應力條件下為1.90倍,陽離子WEREA膠漿在摻入水泥后疲勞壽命比礦粉高4.58倍,0.15 MPa應力條件下為1.86倍,表明應力大小對WEREA膠漿有決定性影響,但離子電荷類型對疲勞壽命總體程度影響較小,無論乳化劑所帶電荷類型,相同應力條件下水泥對WEREA膠漿抗疲勞性能的提升顯著高于礦粉。

這兩種填料本身粒徑較小、比表面積較大,當粉膠比超出一定范圍時,復合材料無法均勻包裹所有填料,疲勞壽命將大幅減少,隨著粉膠比增加,無論是將礦粉還是水泥作為填料,WEREA膠漿都有較大可能出現疲勞壽命急劇減小的情況。

4.2 SEM試驗

筆者使用蔡司SIGMA300場發射掃描電鏡進行試驗觀察。疲勞壽命試驗結果表明:當填料加入后,對WEREA膠漿疲勞壽命提升主要是以物理改性為主,水泥摻入WEREA膠漿不會產生新的有機基團[32],力學性能提升主要是所形成的水泥水化產物與水性環氧樹脂共同作用,表現出較強的黏結效果。

選取粉膠比為1.2的WEREA、WEREA礦粉類膠漿、WEREA水泥類膠漿的微觀結構SEM觀察結果如圖6。

圖6 SEM微觀圖Fig. 6 SEM micrograph

由圖6(a)可知:隨著水環氧樹脂體系摻入,WEREA表面產生不規則的連續褶皺,這是由于環氧樹脂體系與乳化瀝青復合,材料破乳、固化后所形成的立體三維結構,由瀝青和環氧樹脂共同提供抵抗形變能力,此時WEREA力學性能由其提供。

對比圖6(a)、圖6(b):在石灰石礦粉加入后,褶皺明顯減少,粒徑為10～30 μm的球形狀固體均勻分布在整個體系中,且連續性較好。究其原因是:摻入適量礦粉后,均勻混合在復合材料中,WEREA整體強度形成,礦粉被包裹,進一步提升了材料的抗疲勞性能。

對比圖6(a)、圖6(c):水泥摻入后褶皺基本消失,由大量粒徑在10～50 μm的不規則固體取代。究其原因是:水泥與WEREA中的水發生水化反應,水泥水化產生的體積收縮應力減少了復合材料表面褶皺,所生成的水泥石分散在材料中,與WEREA共同作用,提供了更高的強度和更復雜的空間結構。對比圖6(b)、圖6(c):水泥摻入后所產生的水泥石使得試樣內部微觀形貌相對于石灰石礦粉更加不規則,水泥石的高強度和復雜的微觀形貌使得WEREA膠漿適應不利條件下的應力水平,具有更好的抗變形能力和抗疲勞性能。

WEREA仍具有瀝青自身的觸變性[30],受應力影響而產生變形,在發生疲勞破壞前,材料內部微觀結構發生破壞,復合材料的觸變性決定了在卸載后材料的微觀結構在一定程度上會進行重組。

對比WEREA膠漿,在加載間隙通過填料的固定和三維支撐作用對WEREA的觸變性產生影響,提高了材料內部微觀結構的重組能力。對比水泥和礦粉,水泥石在WEREA膠漿內部形成相較于礦粉連續性、整體性更好的立體結構,對內部微觀結構的自愈合能力增強效果遠高于礦粉,宏觀上表現為水泥-WEREA膠漿的疲勞壽命提高。

5 結 論

1)水泥在合理摻量下,能有效地提高WEREA自愈合能力。放大WEREA的觸變性,是WEREA膠漿疲勞壽命提高的根本原因,礦粉-WEREA膠漿疲勞壽命提升還包括因礦粉的加入(提升了體系黏度);隨著摻量增加,填料所影響的WEREA內部空間范圍逐漸增加,表現為疲勞壽命與粉膠比線性高度相關。

2)水泥作為填料對WEREA膠漿疲勞性能提升較礦粉更為明顯,陰/陽離子WEREA膠漿對水泥-WEREA膠漿疲勞性能提升的最佳摻量不一致,合理配比為:陽離子乳化瀝青推薦粉膠比0.9,陰離子乳化瀝青推薦粉膠比1.2。

3)WEREA膠漿在0.10、 0.15 MPa應力條件下的疲勞壽命差異明顯。

4)陰/陽離子WEREA在加入填料后抗疲勞性能改善程度相差不大,但隨著粉膠比增大,抗疲勞性能提升趨勢因電荷因素存在細微差異。

5)通過線性回歸方法表明:以Nf50、NG*指標評價WEREA膠漿疲勞性能較為可靠。

6)WEREA膠漿中通過水泥水化反應產生的收縮應力撫平WEREA中的褶皺,生成的水化產物搭接形成空間網狀結構,比礦粉-WEREA膠漿結構更為緊密,水泥作為填料顯著增強WEREA的抗疲勞性能。