黏结层用环氧乳化沥青研发与性能研究

2018-11-20 15:41:35 中城华宇
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摘要:为了提高桥面铺装结构中黏结层的路用性能,采用水性环氧树脂作为改性剂、选取阳离子乳化剂A和一种有机酸酐固化剂,制备了水性环氧乳化沥青;通过剪切试验和拉拔试验分析了水性环氧树脂掺量对抗剪强度和拉拔强度的影响,同时将研发的水性环氧乳化沥青和SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青的性能进行对比。试验结果表明:当水性环氧树脂掺量为10%~20%时,对应的各项性能较优;与SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青相比,水性环氧乳化沥青呈现出更为优良的抗剪、抗拉和水稳定性能。

 

关键词:道路工程;水性环氧乳化沥青;抗剪强度;拉拔强度;水稳定性能

 

随着交通量的增加,越来越多的桥梁铺装层遭受了病害,其中铺装层与混凝土面板间的黏结层层间性能不足是引起病害的主要原因之一,近年来较多学者对黏结层材料进行了系统的研究。郭寅川等采用自主开发的剪切仪,分析了在不同试验温度和黏层油用量条件下,不同类型乳化沥青的路用性能变化趋势;王伟通过层间直剪试验和拉拔试验,对比分析了普通乳化沥青、SBR改性乳化沥青、SBS改性乳化沥青和EVA改性乳化沥青的路用性能;刘朝晖等提出将SBS改性剂与胶粉复掺,研发的复合改性沥青材料具有优良的高温性能和较强的黏结力。然而,目前国内关于黏层材料的研究几乎都是围绕SBS改性沥青和SBR改性沥青,对环氧乳化沥青的相关研究较少。

 

水性环氧乳化沥青具有强度大、黏结力强、防水能力优、抗变形能力好等优势,逐渐成为研究的趋势。该文选择乳化剂A及一种有机酸酐固化剂,改变水性环氧树脂掺量参数,制备成不同掺量的水性环氧乳化沥青。通过剪切试验和拉拔试验确定最合适的水性环氧树脂掺量,从而优选出最佳的组合方式。将水性环氧乳化沥青与SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青的抗剪性能、抗拉性能和水稳定性能进行对比分析,进一步验证水性环氧乳化沥青的优势。

 

原材料

 

乳化沥青

 

基质沥青是乳化沥青中所占比例最大的组分,一般为50%~65%。若基质沥青中含蜡量过高,则会加大沥青的乳化难度,同时影响乳化沥青的技术性质,因此该文选取含蜡量较低的ESSO-90#基质沥青。

 

如果要将沥青分散在水中,则要施加很大的能量来克服巨大的界面张力。乳化剂是一种表面活化剂,它由能溶于沥青的亲油基和能溶于水的亲水基组成,从而具有使沥青和水这两相互相联结且不分离的功能。该文选取了阳离子乳化剂A。

 

沥青与乳化剂的水溶液在外力作用下形成微滴均匀混合后,经过各种反应形成乳化体系,但是这种体系是不稳定的。为了提高乳化剂的作用,需要添加辅助剂,该文采用PVA作为稳定剂。同时选取盐酸调节沥青乳液的pH值。基于上述原材料,制备出乳化沥青A。

 

水性环氧树脂及固化剂

 

水性环氧树脂具有环保、施工和易性好等优点,因此该文选取了水性环氧树脂。综合考虑到施工方便、挥发性以及是否有毒等因素,选用了一种有机酸酐固化剂,通过前期试验,确定其用量为固化剂:水性环氧树脂=1:4。

 

配合比

 

试验所用粗集料和细集料为花岗岩碎石,矿粉则由石灰岩制备而成,各项指标满足规范要求。沥青混凝土铺装层采用AC-20混合料,最佳油石比条件下沥青混合料的各项体积指标均满足规范要求。

 

试验方案与试件制备

 

试验方案

 

为了模拟真实的桥面铺装情况,采用“5cm水泥混凝土面板+黏层沥青+5cmAC-20沥青混合料板”,通过对该复合板钻芯得到试件,从而进行剪切试验和拉拔试验。

 

试验采用的剪切仪能够施加竖向荷载,同时配备控温环境箱,文中选取的剪切速率为20mm/min,施加竖向荷载为0.6MPa,试验温度为5、25和60℃;拉拔试验则选用MTS万能试验机,拉拔速率为5mm/min,试验温度为5、25和60℃。3种试验温度分别模拟低温、常温和高温3种环境条件。

 

试件制备过程

 

(1)成型水泥混凝土板,尺寸:30cm×30cm×5cm,采用振动器将其振捣密实,对其表面进行清洁处理,经过一段时间后对混凝土板表面进行拉毛处理,成型后养生7d。(2)养生完成后,再次对混凝土板表面进行清洁处理,按规定洒布量在板表面洒布不同的黏层沥青,并置于通风良好的干燥处养生,养生时间不少于24h。(3)规定时间后,将水泥混凝土板置于30cm×30cm×10cm的试模中,同时摊铺AC-20沥青混合料,成型复合板,为了确保环氧乳化沥青充分乳化和固化,至少待7d后才能脱模。(4)采用钻芯机钻取10cm×10cm的芯样,进行后续的剪切试验和拉拔试验。

 

路用性能

 

最佳洒布量的确定

 

黏层油洒布量的多少,直接影响到铺装层的抗剪性能。为了确定最佳黏层油洒布量,在不同温度下,选择5种黏层油掺量,对乳化沥青A进行抗剪试验。

 

可知:无论在5、25还是60℃条件下,随着黏层沥青洒布量的增加,抗剪强度都存在一个峰值,具体表现为先增加后减小的趋势。这主要是因为,若黏层油用量过少则形成的油膜厚度不够,从而黏结力不足,而黏层油用量过大,多余的黏层油则起到润滑作用,反而降低了抗剪强度。同时,在5、25℃情况下,当黏层油用量为1.0kg/m2时,抗剪强度达到峰值,而在60℃条件下,对应的则为0.8kg/m2,在后续试验中,黏层油用量均采用上述推荐值。

 

剪切试验

 

选取0%、10%、20%、30%、40%的水性环氧掺量,按照固化剂:水性环氧树脂=1:4的比例加入到乳化沥青A中,制备出不同掺量的水性环氧乳化沥青。对不同的水性环氧乳化沥青进行了3种温度下的剪切试验。

 

可以看出:无论在哪种温度条件下,随着水性环氧树脂掺量的增加,其层间抗剪强度都随之增加;当掺量超过20%后,其增长速率显著下降,甚至呈现稳定趋势。考虑到经济性,推荐水性环氧树脂掺量为10%~20%。

 

拉拔试验

 

在5、25和60℃条件下,对5种不同水性环氧掺量的乳化沥青进行了拉拔试验。

 

可以看出:随着水性环氧树脂掺量的增加,其拉拔强度都随之增加,同时当掺量超过20%后,其增长速率逐渐变得平缓,甚至呈现稳定趋势。考虑到经济性,推荐水性环氧树脂掺量为10%~20%。根据前文试验,推荐一种性能优良的水性环氧乳化沥青,其组成成分为:乳化沥青A,固化剂:水性环氧树脂=1:4,水性环氧树脂掺量为10%~20%。

 

不同黏层材料性能对比分析

 

为了验证研发的水性环氧乳化沥青的性能优势,选取了SBS改性乳化沥青、SBR改性乳化沥青作为对比,其中掺加10%、20%水性环氧树脂的乳化沥青分别为改性I和改性II。在最佳洒布量的前提下,对4种改性乳化沥青的抗剪强度、拉拔强度进行了试验。

 

可以看出:抗剪强度随着试验温度的升高逐渐减小。4种改性乳化沥青的抗剪强度满足:改性II>SBS改性乳化沥青>改性I>SBR改性乳化沥青,其中SBS改性乳化沥青仅仅稍优于改性I。由此可见,研发的两种水性环氧乳化沥青能够较好地抵抗层间剪切破坏。

 

可知:拉拔强度随着试验温度的升高逐渐减小。改性I和改性II的拉拔强度较大,其中改性II的拉拔强度更是远远优于另外三者。

 

为了分析水对黏结层层间性能的影响,将试件放置于水中浸泡48h,分别测定其抗剪强度和拉拔强度,从而计算出残留抗剪强度和残留拉拔强度。

 

可以看出:水对黏结层层间性能的不利影响很大,在现场施工中,必须考虑黏层材料的抗水损害能力。比较4种沥青的残留抗剪强度和残留拉拔强度,可以看出改性II抵抗水损害的能力最优,其次为改性I,而SBR改性乳化沥青则最差。

 

综合分析上述4种沥青的各项性能,制备的水性环氧乳化沥青具有优良的抗剪、抗拉和水稳定性能,可作为一种理想的黏层材料应用于工程中。

 

结论

 

(1)随着黏层油用量的增加,层间抗剪强度呈现先增加后减小的趋势,在某个用量时出现峰值;随着温度的升高,抗剪强度和拉拔强度都随之减小。

 

(2)水性环氧掺量对抗剪强度和拉拔强度的影响较大。随着掺量的增加,各项性能呈现增长的趋势,但当掺量达到20%后,增加的幅度越来越小。

 

(3)综合考虑抗剪性能和抗拉性能,推荐水性环氧树脂掺量为10%~20%,此时制备的水性环氧乳化沥青的性能较为优良。

 

(4)通过室内试验,比较了改性I、改性II、SBS改性乳化沥青和SBR改性乳化沥青的抗剪能力、抗拉能力和水稳定性能,改性I和改性II表现出显著的性能优势。