基于水性樹脂-乳化瀝青體系的坑槽修補材料性能評價及應用研究

吳永付

(遼寧交投公路科技養護有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

在瀝青路面早期病害中,坑槽病害是最典型的、難處理的病害之一,它不僅影響車輛駕駛的舒適性、道路的美觀性,而且會減少公路的使用壽命[1]。若不及時修補和加強,將會使路面破損面進一步擴展,造成維修費用成倍增加。目前,坑槽的維修處治方式中,冷補法不受天氣影響,施工簡單能夠實現坑槽快速修補,但存在初期強度低、耐久性差等問題,路面易產生二次病害;若能針對冷補材料提升其路用性能,對提高坑槽修補質量具有十分重要的意義。

乳化瀝青具有高效、節能、環保、污染小等優勢,而樹脂材料具有高粘結、高強度性能。水性樹脂-乳化瀝青體系是將二者有機結合,使其既具有乳化瀝青體系的常溫施工和易性,又具有樹脂體系的優良性能。可有效提高坑槽修補材料的路用性能,尤其是粘結強度和耐久性能,延長使用壽命。

1 原材料

(1)基質瀝青

在乳化瀝青組分構成中,瀝青一般占總質量的50%～60%,可見瀝青是乳化瀝青組成中的主要組成,因此瀝青技術指標是影響乳化瀝青性能的關鍵因素。文章選用遼河90#基質瀝青。性能指標如表1所示。

(2)乳化劑

乳化劑是制備乳化瀝青能否成功的關鍵因素,乳化劑會降低水-瀝青體系的表面張力,使水和瀝青這兩個本不相容的物質,形成分散均勻、穩定的水包油型的乳化瀝青。乳化劑的種類繁多,考慮到坑槽修補材料的技術要求,即破乳慢,有足夠的可拌合時間,且成型后能快速凝固,形成強度,實現快速開放交通的要求,同時,要保證與石料具有良好的裹附性,最終選用慢裂型非離子乳化劑7TX。

(3)水性樹脂

目前,水性高分子樹脂的種類繁多,對性能的提升也是參差不齊。拌合型的乳化瀝青修補材料,在保證有足夠的可拌合時間的同時還要保證稀漿混合料能夠快速凝固成型,實現開放交通的需求[2]。經調研、試驗評價,單組分的水性樹脂滿足上述要求。文章經篩選,選用上海某公司生產的水性樹脂乳液(如圖1所示)。

圖1 水性樹脂乳液

2 乳化瀝青生產工藝

乳化瀝青具體生產工藝如下:

(1)預先準備一定質量的溫水,將穩定劑添加到溫水中用玻璃棒攪拌均勻,然后加熱到65℃。隨后添加乳化劑,用量為0.7%,攪拌均勻即可,將皂液加熱到60℃,待用。

(2)預熱膠體磨和瀝青,膠體磨采用水循環預熱至60℃,排出廢水;將瀝青預熱至165℃,待用。

(3)啟動膠體磨,先加入皂液,待循環均勻后,緩緩倒入瀝青,邊加瀝青邊攪拌,經膠體磨研磨均勻分散,形成黑褐色乳液,制備出乳化瀝青。

(4)在制備的乳化瀝青中加入水性樹脂材料,攪拌均勻,備用。

3 水性樹脂-乳化瀝青體系技術性能評價

(1)水性樹脂對乳化瀝青殘留物性能的影響

文章選取水性樹脂摻量為0、8%、10%、15%和20%,進行了水性樹脂-乳化瀝青體系的蒸發殘留物性能評價,傳統殘留物試驗直接用電爐加熱,考慮到水性樹脂材料預熱固化特性,采用烘箱低溫固化。將配置好的水性樹脂-乳化瀝青倒在蒸發皿中,置于70℃烘箱中,恒溫6h,每隔0.5h攪拌一次,防止乳化瀝青結皮。6h后將溫度提高至120℃,保溫1h,保證水性樹脂完全固化。試驗結果如表2和圖2所示。

圖2 水性樹脂對乳化瀝青殘留物的技術性能影響

表2 水性樹脂對乳化瀝青殘留物的性能影響

由試驗結果可知,隨著水性樹脂摻量的增加,殘留物針入度逐漸降低,軟化點逐漸增加,延度急劇下降。樹脂摻量為15%的針入度相對于基準組降低了42.1%,軟化點升高了35.5%,延度降低了91.3%。也就是說,隨著水性樹脂摻量的增加,瀝青的脆性增強,硬度增大,這主要是由于水性樹脂的溫度敏感性低,當摻量較高時更多的表現為樹脂的特性。可見,水性樹脂的添加有助于提高強度,增加粘結性能和高溫性能,但會降低低溫性能。

(2)水性樹脂對乳化瀝青粘度的影響

水性樹脂-乳化瀝青體系在常溫下,隨著養生時間的延長,其塑性、軟硬程度都在不斷變化,粘度也會隨著改變。文章采用布氏黏度來測定水性樹脂-乳化瀝青體系的粘度,通過養生時間的變化測定不同時間內的粘度值,為水性樹脂乳化瀝青及其混合料的施工提供參考。

常規測試中測試瀝青在不同溫度下的粘度,繪制粘溫曲線。由于水性樹脂-乳化瀝青在一定溫度下的固化過程是不斷發生的,其粘度也在不斷變化,無法用穩定的讀數來表征該溫度下的粘度值[3]。因此文章在一定的溫度下引入時間參數,測定固定溫度下不同時間的粘度。測定溫度為60℃,通過時間的變化測定不同時間內的粘度變化,繪制粘度與時間的關系曲線。試驗結果如圖3所示。

圖3 水性樹脂-乳化瀝青體系粘度-時間曲線

由圖3可知,隨著養護時間的增長,水性樹脂-乳化瀝青粘度逐漸增大,且粘度增長速度前期緩慢,后期相對較快。這是因為乳化瀝青開始發生破乳,乳液中水分析出,水性樹脂裹附瀝青顆粒逐漸聚集固化,交聯形成網狀結構。由于聚集分子顆粒間距離減小,摩擦阻力增大,造成體系粘度上升。

經研究,當水性樹脂-乳化瀝青的粘度為5Pa·s時,認為此時體系完成了固化,在實際工程中,需要在此前完成全部施工工序。依據粘度-時間曲線,水性樹脂摻量為10%時,其固化完成時間約為12h,可作為施工參考依據。

(3)粘結性能

坑槽修補質量不僅取決于坑槽修補材料的路用性能,而且也與舊路面之間的粘結性能有關。坑槽修補材料與舊路面粘結性能若不足,在車輛荷載和雨水作用下,坑槽修補材料與縫壁之間易產生松動、雨水順著縫隙進入修補結構內部,造成二次損害。文章自行設計制造了直接剪切試驗儀測試抗剪強度,試驗溫度為25℃。

坑槽修補稀漿混合料摻配比例:礦料100%+水4%+乳化瀝青10%+水性樹脂10%。

成型試件:先在AC-13瀝青混合料車轍試件鉆取芯樣,在芯樣上涂抹一層乳化改性瀝青,待完全破乳后放置到旋轉壓實試模內,拌合坑槽修補稀漿混合料,靜置15min后倒入試模內,旋轉壓實50次,取出放入80℃恒溫烘箱內養生6h,再進行二次旋轉壓實,壓實40次。放置室內養生48h后,備用。

項目對兩種坑槽修補稀漿混合料,即SMA-13和AC-13混合料進行剪切試驗,并選取SMA-13熱拌瀝青混合料進行對比,試驗結果如表3所示。

表3 剪切(直剪)試驗結果

由表3可知,水性樹脂乳化瀝青稀漿混合料的抗剪強度要好于熱拌瀝青混合料的抗剪強度,表明水性樹脂的添加有助于增強混合料的粘結強度。

4 實體工程

為進一步驗證水性樹脂-乳化瀝青體系坑槽修補材料的路用性能,于2022年9月29日在丹錫高速G16(盤錦方向)K181+210處鋪筑了坑槽修補實體工程,修補面積約2.4m2,深度3cm,并對其使用效果進行了跟蹤觀測。

坑槽位于行車道輪跡帶上,首先開挖坑槽,清理,涂粘層乳化瀝青,然后鋪筑基于水性樹脂-乳化瀝青體系的坑槽修補材料,級配為SMA-13,抹平,養生4h后開放交通。丹錫高速坑槽修補及對比段詳見圖4。

圖4 丹錫高速坑槽修補及對比段

經過一個冬季通車運行后再進行觀測,整體使用效果良好,未發現脫落、掉粒等現象。對比同路段采用裂縫貼修補,在經歷2個月后出現了大面積脫皮現象。可見,水性樹脂-乳化瀝青體系坑槽修補材料具有較好的耐久性。

5 結論

水性樹脂-乳化瀝青體系坑槽修補材料是一種新型的日常養護維修材料,具有操作簡單、施工快捷、性能優良、節能環保、快速開放交通等優點,通過實體工程驗證,坑槽修補材料具有較好的路用性能和耐久性,社會和經濟效益顯著。