水性环氧树脂/SBR 复合改性乳化沥青制备及微表处性能评价

■游培钧

（福建新路达交通建设监理有限公司，南平 353000）

微表处是一种常用的路面预防性养护技术，对于路面早期病害问题有良好的处治效果[1]。 它是通过将稀浆混合料摊铺在原路面上而形成的薄层罩面[2]。 工程实践经验表明，微表处对轻度车辙病害和细微裂缝有良好修复效果，同时可提高路面的耐磨耗和抗滑性能[3-4]。 鉴于以上优势，微表处已经在国内外沥青路面养护工程中得到了广泛应用[5-6]。

目前， 微表处常用的SBR 改性乳化沥青可改善微表处低温抗裂性能， 但是对高温性能的作用效果并不明显。 此外，还存在粘结强度低，易导致微表处集料松散剥落和层间剪切滑移等问题，难以达到预期的养护效果[8]。水性环氧树脂是对环氧树脂做水性化处理而得到的一种环保型新材料，在与固化剂混合后，经过水分蒸发、粒子聚结、固化剂扩散、交联固化反应，可形成具有良好粘结性能的三维网状交联结构，具有良好的黏结力、强度和高温稳定性， 近年来被越来越多地应用于道路工程领域， 将其与SBR 改性乳化沥青复配有望获得更好的使用性能[9]。

本研究依托南平松建高速公路路面预防性养护工程项目，开展微表处材料设计研究，旨在为工程应用提供参考依据。通过在SBR 改性乳化沥青中掺加水性环氧树脂，制备复合改性乳化沥青，开展试验研究其对微表处施工性能和路用性能的影响。

1 原材料和方法

1.1 原材料

SBR 改性乳化沥青的技术指标见表1。

表1 SBR 改性乳化沥青技术指标

水性环氧体系包括水性环氧树脂 （A 组分）和固化剂（B 组分）两个组分，技术指标见表2。

表2 水性环氧体系技术指标

粗细集料和矿粉的技术指标见表3。 采用普通硅酸盐水泥（P.O42.5），掺量为0.2%。 水起到润湿集料表面的作用，同时影响稀浆混合料的稠度和密实度，采用自来水。

表3 粗细集料和矿粉技术指标

1.2 复合改性乳化沥青制备

复合改性乳化沥青的主要制备步骤如下：将水性环氧树脂与固化剂按照2∶1 的质量比例拌合均匀后，加入到SBR 改性乳化沥青中，并以2 000 r/min的速率高速搅拌10 min， 得到复合改性乳化沥青。设置水性环氧体系掺量分别为SBR 改性乳化沥青质量的4%、8%、12%、16%。通过直接加热法测试复合改性乳化沥青蒸发残留物的三大指标和旋转薄膜烘箱短期老化后指标。

1.3 配合比设计

采用我国常用的MS-3 型级配， 级配曲线见图1。根据1 h 湿轮磨耗试验和负荷车轮粘砂试验，确定油石比范围为6.5%～8.5%。 同时考虑到混合料的施工性和经济性，确定最佳油石比为7.0%。

图1 微表处混合料级配曲线

1.4 试验方法

1.4.1 拌合试验

依据T0757-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（以下简称《规程》）进行微表处混合料拌合试验。 在拌合过程中，当混合料开始变稠，拌和产生明显阻力时，表明乳化沥青开始破乳，此时对应的拌合时间即为可拌合时间。

1.4.2 粘聚力试验

粘聚力试验主要用于评价微表处的早期强度，评价指标为微表处混合料30 min 和60 min 粘聚力。 根据试件破损状态划分为4 种情况：完全成型、中度成型、初级成型和未成型，详见《规程》。

1.4.3 湿轮磨耗试验

按照《规程》开展1 h 湿轮磨耗试验，根据公式（1）计算湿轮磨耗值，评价微表处的耐磨耗性能。此外，为研究微表处混合料的水稳定性能，将试件25℃水浴浸水时长分别延长到1、3、6、9、12 d，分析湿轮磨耗值随浸水时长的变化规律。

式中：WTAT 为湿轮磨耗值；ma为试件在磨耗试验前的质量；mb为试件在磨耗试验后的质量；A 为磨耗面积。

1.4.4 负荷车轮碾压试验

采用负荷车轮碾压试验评价微表处混合料抗车辙性能， 评价指标为车辙深度率和宽度变形率，具体试验方法和评价指标计算方法参见《规程》。

2 结果与分析

2.1 复合改性乳化沥青性质

由表4 可知， 当水性环氧体系掺量从0%增加至16%时，复合改性乳化沥青的针入度由54.2℃降低到46.2℃，延度由39.5 cm 降低到28.4 cm，软化点由57.1℃增加到73.1℃， 短期老化后残留物的质量变化由0.93%降低到0.31%， 针入度比由50.1%增加到68.7%，说明水性环氧使得改性乳化沥青高温稳定性和抗老化性能得到增强，但是可能会对低温性能造成不利影响。

表4 复合改性乳化沥青技术指标

2.2 施工性能

由图2 可知，随着水性环氧体系掺量和外加水量的增大，微表处混合料含水量不断增加，使得沥青破乳时间推迟，可拌合时间得到延长。 我国《微表处和稀浆封层技术指南》（以下简称《指南》）要求可拌合时间不少于120 s。 当水性环氧掺量低于8%，且外加水量低于7%时，可拌合时间不能满足要求。当外加水量达到7%时， 可拌合时间均大于120 s，继续增加用水量虽然能进一步延长可拌合时间，但是会造成破乳时间过长， 导致开放交通时间延迟，因此本研究采用7%作为外加水量。

图2 微表处混合料可拌合时间测试结果

微表处30 min 和60 min 粘聚力测试结果见图3。 未掺加水性环氧树脂时，微表处30 min 粘聚力达到1.4 N·m，60 min 粘聚力达到2.1 N·m，说明微表处粘聚力随时间增加，在60 min 时开始初步成型。 掺加水性环氧树脂后，微表处30 min 粘聚力逐步下降，说明水性环氧树脂对微表处早期强度产生了不利影响，这是因为水性环氧树脂增加了混合料含水量，破乳速度降低，使得其30 min 粘聚力降低。随着时间的延长，水性环氧树脂开始固化，乳化沥青逐渐破乳，使得60 min 粘聚力得到提高。 水性环氧体系掺量达到12%时，60 min 粘聚力值为2.3 N·m，微表处为中度成型状态。 《指南》中规定，微表处的30 min 和60 min 粘聚力值分别不应低于1.2 N·m和2.0 N·m。从图3 可知，60 min 粘聚力值都能满足《指南》要求，但是30 min 粘聚力则在水性环氧树脂掺量达到16%时低于《指南》要求，因此应将水性环氧体系掺量控制在16%以下。

图3 微表处混合料粘聚力试验结果

2.3 耐磨耗性能

由图4 可知，1 h 湿轮磨耗值越大，说明微表处越容易剥落，耐磨耗能力越差。 根据指南要求，微表处试件1 h 湿轮磨耗值不应超过540 g/m2， 测试结果均满足这一要求。 当水性环氧体系掺量从0%增加到8%时，1 h 湿轮磨耗值不断降低， 说明微表处耐磨耗性能得到改善。 水性环氧树脂的交联固化产物使得沥青被分隔嵌固在三维网络结构中，增强了改性乳化沥青的空间稳定性及与集料的界面黏附性能， 从而降低了车轮荷载对微表处表面的磨耗。水性环氧体系掺量为8%时，1 h 湿轮磨耗值最小，微表处耐磨耗性能最好。 随后，继续增加水性环氧掺量，反而会造成1 h 湿轮磨耗值增大，这是因为水性环氧掺量过高导致改性乳化沥青变脆，微表处混合料容易发生脆断，耐磨耗性能降低。

图4 微表处混合料1 h 湿轮磨耗值试验结果

2.4 水稳定性

由图5 可知，随着浸水时长的增加，湿轮磨耗值不断增大，而增长幅度则在逐渐减小。 掺加水性环氧后，湿轮磨耗值明显减小，说明水性环氧树脂提高了微表处的水稳定性。 水性环氧树脂提高了沥青在水环境中的抗剥落能力，其固化产物的三维网状结构增加了沥青的黏度和强度，约束了沥青分子的流动和水分向试件内部的迁移渗透过程，微表处混合料水稳定性得到提高。水性环氧掺量为8%时，湿轮磨耗值达到最小值，微表处水稳定性最好。

图5 湿轮磨耗值随浸水时长变化规律

2.5 抗车辙性能

从图6 可知， 随着水性环氧体系掺量的增加，宽度变形率和车辙深度率不断降低，说明水性环氧树脂增强了微表处混合料抗车辙能力。 这是因为水性环氧树脂固化产物的空间网状结构使得混合料的刚度和抗变形能力提升， 水性环氧体系掺量越大，该网状结构密度就越大，对车轮荷载产生的竖向压应力和横向拉应力的抵抗能力越强，因此宽度变形率和车辙深度率随水性环氧体系掺量的增加呈现下降趋势。

图6 微表处混合料抗车辙性能

3 结论

（1）水性环氧树脂使得改性乳化沥青变硬变脆，沥青的针入度和延度降低，软化点增大，抗老化能力提高。 （2）随着水性环氧体系掺量和外加水量的增大，微表处混合料的可拌合时间得到延长。 综合考虑施工性和开放交通时间，推荐外加水量为7%。水性环氧树脂会对微表处早期强度产生不利影响，应将水性环氧体系掺量控制在16%以下。 （3）随着水性环氧体系掺量的增大，1 h 湿轮磨耗值先减小后增大，水性环氧体系掺量为8%时，微表处耐磨耗性能最好。 （4）掺加水性环氧树脂有效增强了沥青和集料的粘附性能，提高了沥青在水环境中的抗剥落能力，约束了沥青分子的流动性，提高了微表处混合料的水稳定性。 （5）掺加水性环氧树脂使得微表处的刚度和抗变形能力增加，有效提高了微表处的抗车辙性能。