水性环氧树脂改性乳化沥青混凝土性能研究.pdf

啜圃国豳I D E S I G N A N D T E S T 文章编号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 6 ) 0 0 0 5 4 0 4 0 水性环氧树脂改性乳化沥青混凝土性能研究 张 庆 ， 郝培文 ， 白正宇 ( 1 长安大学 道路结构与材料交 通行业重点实验室 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 河南师范大学 化学化工学院 ， 河南 新乡4 5 3 0 0 7 ) 摘 要： 针对水性环氧树脂的固化特点 ， 确定水性环氧树脂改性乳化沥青混凝土试件的养生条件 ， 对 比不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青混合料路用性能指标。结合 室内试验和数据分析 ， 结果表 明： 水性环氧树脂的加入有利 于提高乳化沥青混合料的早期强度和后期强度， 并且对乳化沥青混凝 土后期强度的影响明显大于其早期强度 ， 水性环氧树脂能够有效改善乳化沥青混凝土的水稳定性， 但对乳化沥青混合料的低温抗裂性能有不利影响。 关键词： 水性环氧树脂 ； 乳化沥青混合料 ； 养生条件 ； 冻融劈裂 中 图分类号 ： U4 1 4 0 1 文献 标 志码 ： B Pr o pe r t i e s o f Em u l s i f i e d As ph a l t Co nc r e t e M o d i f i e d wi t h W a t e r b o r n e Epo x y Re s i n ZHANG Qi n g ，HAO P e i we n BAI Z h e n g y u ( 1 Ke y I a b o r a t o r y f o r Ro a d S t r u c t u r e a n d M a t e r i a l o f Tr a n s p o r t a t i o n I n d u s t r y ，Ch a n g a n Un i v e r s i t y ， Xi a n 71 0 064，S ha a nx i ，Ch i n a；2 S c ho ol o f Che mi s t r y a n d Che mi c a l Eng i n e e r i n g，He na n Nor ma l Uni v e r s i t y，Xi nxi a n g 45 3 00 7，He n a n，Chi na ) Ab s t r a c t ：The p a v e me n t pe r f o r m a nc e o f e mul s i f i e d a s p ha l t m i x t ur e wi t h d i f f e r e nt a mo un t s o f wa t e r b or ne e p ox y r e s i n wa s s t u di e d， a n d t he c ur i n g c on di t i o ns of wa t e r b or n e e p ox y r e s i n m o di f i e d e mul s i f i e d a s p ha l t mi xt ur e we r e s e t upCombi ne d wi t h l a bo r a t o r y e xpe r i me nt s a n d d a t a an a l y s i s，i t i s f o u nd o ut t ha t wa t e r b o r n e e po xy r e s i n c a n i mpr o v e t he e a r l y s t r e n gt h a nd l a t e r s t r e n gt h o f e m u l s i f i e d a s p ha l t m i x t ur e， a nd t he e f f e c t on t he l a t e r s t r e n g t h i s s i gn i f i c a n t l y g r e a t e r I t a l s o i m p r o v e s t h e wa t e r s t a bi l i t y，wh i l e ha s a n a d v e r s e e f f e c t o n c r a c k i ng r e s i s t a nc e a t l O W t e mpe r a t ur e Ke y wo r d s ： wa t e r bo r ne e po x y r e s i n； e m u l s i f i e d a s ph a l t mi xt ur e； mo di f i c a t i o n； p a v e me nt pe r f o r ma nc e 引 口 乳化沥青混合料是一种环保型材料 ， 它采用乳 化沥青作为结合料 ， 在制备和使用过程 中有害物质 排放量极少 ， 且生产后可常温储存 ， 与普通沥青混合 料 相 比 ， 不 需 要 重 复 加 热 ， 大 幅 度 节 约 了 能 源 消 耗 。很多国家都在尝试将乳化沥青 昆 合料作为道 路铺筑材料 ， 用于面层和基层 。截 至 目前， 美 国、 法 国 、 瑞 典等 国家都有用 乳化沥青混合 料铺筑城 市街道 及 乡村 道路 的工程实例 ， 并 取得了 良好 的使 用效果 。 水性 环 氧 树脂 ( Wa t e r b o r n e E p o x y ， 简 称 wE) 是 以环 氧树脂 微粒 为 分 散相 、 以水 为 连 续 相 的液 相 体系材料 ， 可在室温条件下以及潮湿环境 中固化 ， 已成为水泥混凝 土道路建设 和维修的常用改性 材 料E ， 可将环氧树脂热稳定性好 、 强度高和粘结力强 的特性发挥到路用材料 中。文本采用水性环氧树脂 对乳 化沥青 混凝 土进 行 改 性 ， 研 究水 性 环 氧 树 脂 改 性乳化沥青混凝土的制备方法 和性能规律， 为高性 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 1 O 基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 2 7 8 0 6 0 ) ； 河南省高等学校重点科研项 目( 1 5 A1 5 0 0 5 9 ) DES I GN AND TES T 能乳化 沥青 混 凝 土 的理 论研 究 和 工 程 实践 提 供 参 考 。 1 试 样的制备 1 1 试 验 材料 集料采用石灰岩 ， 级 配取 AC 一 1 3范 围中值 ； 乳 化沥青为阳离子慢裂慢凝型乳化沥青； 水性环氧树 脂通过固化剂乳化法 自制 ， 其 中环氧树脂与固化 剂的 比例 为 0 8： 1 。为提高乳化沥青混合料的早 期强 度 ， 添加 适量 水 泥 以加快 乳化 沥青 破 乳l_ 5 ， 采用 标号 4 2 5硅 酸盐 水 泥 ， 掺 量 为 1 。 1 2试 件成 型 方法 1 2 1 拌 和 在混合料拌和之前 ， 先加入适量水 ， 以提高乳化 沥青 对集 料 的裹 附性 和混 合料 的可拌 和性 。在 满足 工作性 的前提下 ， 控制用水量 ， 集料加水拌和后表面 呈基本润 湿状态。然后 在拌和状 态下依次 加入水 泥 、 乳 化 沥青 ( 根据 研究 需要 采 用不 同 的水性 环 氧树 脂 掺量 ) ， 并继 续搅 拌 。机械 作 用会 加速 乳化 沥青 破 乳速度 ， 过度搅拌会使乳化沥青过早破乳， 导致混合 料离析 ， 并且会使集料表面沥青膜发生剥离 ， 因此机 械搅拌时间以加入乳化沥青后 i mi n为宜。混合料 较 稀 时 ， 应 当在 常 温下 养 生 至 混 合 料 稠 度 适 中再 进 行击 实 ， 可 通过 风扇 通风 来 加快 养生 速度 。 1 2 2 击 实 在制备乳化沥青混合料试 件的过程 中， 变化最 大的为含水量 ， 它是影 响乳化沥青混合料成型速度 的 主要 因素 。在试 件成 型过 程 中 ， 通过 两 次 马歇 尔击实实现两个阶段的排水 ： 第一次击实的 目的是 使混合料在水和乳化沥青的润滑作用下达到最佳密 实度 ， 在这个 过程 中， 乳化沥青 混合料 尚未完全破 乳， 击实作用使部分水分在机械功的作用下被压出， 模 拟 施工 现场 的路 面碾 压 阶段 ； 第 二 次击 实 的 目的 是压实水分排 出后形成 的空 隙， 击实作用使乳化沥 青充分破乳并加速混合料 中残余水分排 出， 此 时沥 青 尚未 硬 化 ， 可 以进一 步压 密混 合料 ， 模 拟路 面 开放 交通后混合料被不断压密的过程。 为提高乳化沥青混合料成型试件 的压密效果 ， 并 尽量 减 少击 实过 程 中沥 青 乳 液 的损 失 ， 采 取 两 次 击实和先轻后重的原则 ， 将混合料均匀拌和后 ， 第一 次击实 3 5次 ， 第二次击实 4 O次 。 1 3养生 条件 的确 定 目前国内外对乳化沥青混合料的养生温度和时 间界 定各 不相 同 ， 国 内一 般 采 用 交 通 部 阳离 子 乳 化 沥青协作组推荐的修正马歇尔试验方法 ， 即试件 置 于烘 箱 中在养 生 温度 下 试模 内养 生 2 4 h ， 模 外 静 置 2 4 h 。养 生 温度 为 室 温 时 ， 试 件 强度 代 表乳 化 沥 青混合料早期强度 ； 养生温度为 1 1 0时， 试件强度 代表乳化沥青混合料后期强度 。 利 用水 性 环 氧 树 脂 对 乳 化 沥 青 混 凝 土 进 行 改 性 ， 使乳化沥青混合料 的性能有较大改进 。但在研 究 过程 中发 现 ， 若 试件 在 l 1 O 以下 养生 ， 强度 性 能 改善效果不好 ， 试件表面容 易 出现起皮 、 泛 白的现 象 。分析认为： 这是水性环氧树脂在高温条件 下迅 速 固化 引起 的 ， 虽 然 1 1 0 以下有 利 于 水 分 的蒸 发 排出 ， 但高温下 水性 环氧树脂 固化 速度 比水 分挥 发 速度 更 快 ， 并 且 混 合 料 试 件 在 没 有 达 到 恒 温 之 前 ， 内部存 在温 度梯 度 ， 试 件表 面温度 较 高 ， 导致 表 面部 分 的水 性 环 氧 树 脂 迅 速 固化 ， 在 试 件 表 层 形成 没 有 流 动 性 的 环 氧 树 脂 固 化 物 ， 随 后 试 件 中 的水 分 蒸 发 形 成 膨 胀 功 ， 造 成 试 件 表 面 出 现 细 微 破 裂 现 象 。 高温条件还会使水性环氧树脂 固化效果下降。 水性环氧树脂固化过程也是固化剂分子向环氧树脂 微 粒 内部渗 透 、 扩 散 的 过程 。固 化反 应 首 先 在 环 氧 树 脂粒 子界 面发 生 ， 同时 固化剂 分 子逐 渐 扩 散 到 环 氧树脂粒子 内部 ， 进一步和环氧树脂分子发生 固化 交 联反应 。如果 环 境 温度 较 高 ， 界 面处 的 固化 反应 过快， 导致环氧树脂颗粒表面层 的粘度快速增加 ， 使 固化剂分子向环氧树脂颗粒 内部扩散的时间变短 ， 因此 大量 的固化剂 分 子 聚集 在 环 氧 树脂 颗 粒 表 面 ， 与环氧树脂发生反应 ， 形成较硬的颗粒外壳 ， 阻止了 更多未参与反应的固化剂分子向环氧树脂颗粒 内部 渗透 、 扩散、 交联 ， 造成环氧树脂 固化程度下降 ， 导致 混合料的性能受到影响。 针对 水性 环氧 树脂 的 固化特 点 ， 同时考 虑 6 O 以上 的温 度会 遏制 水泥 的水 化反 应 ， 确定采 取 6 0 的养生温度 ， 使试 件 中的水 分较为缓慢 地消散 ， 避 免 与水 性 环 氧树 脂 的 固 化 速 度 协 调 性 差 而 导 致 试 件发生应力 集 中破 坏 ， 并且保 证 了环氧树 脂 的 固 化程 度 。 经 过 测试 ， 试 件 在 6 0 烘箱 内 4 8 h达 到质 量 恒 定 ， 视 为 养生 时 间完成 。所 以试 件养 生条 件为 ： 第 一 次击实后在 6 0下养生 1 h ； 然后取出试件第二 次击实后脱模 ， 并在 6 o下继续养生 4 7 h ； 最后将 试件从烘箱取出， 室温放置 1 2 h 。 55 2性能测试及分析 2 1 水性 环 氧树脂对 试件 强度 的影 响 2 1 1 早期 强度 在 室温养 生条 件 下 ， 制 备不 同水 性 环 氧树 脂 掺 量下的乳化沥青混合料试件 ， 对其进行马歇尔稳定 度 测试 ， 以考 察水性 环 氧 树 脂 对乳 化 沥 青 混合 料 早 期 强度 的影 响 ， 结 果 如 图 l所 示 。从 图 1中可 以看 出 ， 随 着水性 环氧 树脂 掺量 的增加 ， 乳化 沥青混 合料 早 期 强度逐 渐提 高 。 4 堇 舞 L 4 3 o 5 1 o 1 5 2 o 2 5 水性环氧树脂掺量 图 1 不 同水性环氧树脂掺量下 的试件早期强度 对不 同水 性环 氧树脂 掺量 下 的早 期强 度进 行单 因素方差分析 。从表 1中可 以看 出， 显著性因子小 于 0 0 5 ， 说 明水性环氧树脂掺量对乳化 沥青 昆 合料 的早期 强度具 有显 著影 响 。 表 1 水性环氧树脂掺量对早期强度的方差分析结果 分析项 目 平方和 d f 的值 均方 F的值 显著性 因子 组 间 1 7 8 3 4 o 4 4 6 3 5 3 5 4 o o 1 3 组 内 o 2 5 2 2 O o o 1 3 总数 2 o 3 5 2 4 水性 环氧树 脂 属 于反 应 型 改性 剂 ， 积极 影 响 于 形成 强度 较高且 形态 不可 逆 的连 续空 间 网络 。在 水 性环 氧树脂 的固化 过程 中 ， 固化 物 能 够 通过 交 联 反 应作 用贯 穿于 沥青 膜 体相 之 中 ， 并 且 环 氧树 脂 固化 物 能够把 沥青 粒子 桥 接在 一 起 ， 使 得 乳 化 沥青 残 留 物性能显著提高， 所 以水性环氧树脂的加入有利于 乳化 沥青 混合 料早 期强度 的提 高 。 2 1 2后 期 强 度 在 6 O条 件 下养生 ， 制备 不 同水性环 氧树 脂掺 量 下 的乳化 沥青混 合 料 试件 ， 对其 进 行 马 歇 尔稳 定 度测试 ， 从而考察水性环氧树脂对乳化沥青混合料 后 期强 度 的影响 ， 结 果 如 图 2所 示 。从 图 2中可 以 看出， 随着水性环氧树脂掺量 的增加 ， 乳化沥青混合 料后期 强度 得到 明显 提高 。 对 不 同水性 环氧 树脂 掺量下 的改 性乳化 沥青 昆 56 重 鼎 最 世 图 2 不 同水性环氧树脂掺量下的试件后期强度 合 料后 期强 度进行 单 因素方 差分 析 。从 表 2中可 以 看出， 水性环氧树脂掺量对乳化沥青混合料后期强 度具 有显著 的影 响 。 表 2 水性环氧树脂掺量对后期强度的方差分析 结果 分析项 目 平方和 d f 的值 均方 F的值 显 著性 组 间 8 2 7 7 8 4 2 0 6 9 5 3 1 8 5 7 5 o o o o 组 内 1 2 9 9 2 0 o 0 6 5 总数 8 4 o 7 8 2 4 通过对比水性环氧树脂掺量对乳化沥青混合料 早 期强度 和 后 期强 度 的方 差 分 析 结 果 中 的 F 值 可 知 ， 后期强度的 F值远远 大于早期强度 的 F值 ， 说 明水性环氧树脂掺量对乳化沥青混合料后期强度的 影 响大 于对 乳化 沥青 ? 昆合 料早 期 强 度 的影 响效 果 。 这是由于在乳化沥青混合料强度形成初期， 乳化沥 青 还 没有完 全破乳 ， 混 合料 内部 的 水分 也 没 有 完 全 消散 。早期 强度 主要 由集 料 形成 的 内摩 阻 力构 成 ， 所 以此时水 性环 氧树 脂对混 合料 的早期 强度 贡献 较 小。当乳化 沥青 混 合料 破 乳 达 到成 型强 度 的 时 候 ， 昆合料 内部的水分也 已经 完全消散 ， 这时 内聚 力 已成 为 构 成 混 合 料 强 度 的 主 要 部 分 ， 由 于 水 性 环 氧树 脂 掺量 对 提 高 乳 化 沥 青 混 合 料 内 聚力 具 有 显 著作 用 ， 进 一 步 影 响 混 合 料 的 强 度 ， 因此 水 性 环 氧 树 脂掺 量会 对 乳 化 沥 青 混 合 料 后 期 强 度 起 到 重 要 影 响作 用 。 2 2水 性环 氧树脂 对试 件低温 性 能的影 晌 为 了考察 水性 环氧树 脂改 性乳 化沥 青混合 料 的 低 温抗 裂性 能 ， 对 不 同水 性 环 氧树 脂 掺 量 下 的乳 化 沥青混 合料试 件 进 行低 温 弯 曲应 变 能测 试 _ 8 ， 试 验 结 果如 图 3 所 示 。从 图 3中可 以看 出 ， 随着 水性 环 氧树脂掺量的增加， 乳化 沥青混合料的弯 曲应变能 密度 逐渐 降低 ， 说 明水性 环氧 树 脂对 乳化 沥 青 混 合 料 的低温抗 裂性 能有不 利影 响 。 2 3水性 环氧 树脂对 试件 水稳 定性 能的 影响 对 不 同水性 环氧 树 脂 掺 量 下 的乳 化 沥 青 混 合 DESI GN AND TES T 曼 0 韵 口 d 皿 钽 图 3不 l司水 性 环 氧 树 脂 掺 量 F的 试 件 低 温 弯 曲 应 变 能 密 度 料 进行 冻 融 劈 裂 强 度 试 验 ， 考 察 试 件 的 水 稳 定 性 ， 试验结果 如 图 4 、 5所示 。从 图中可 以看 出 ， 随着 水性环氧树脂 掺量 的增加 ， 乳 化沥 青混 合料 的劈 裂强度 明显逐 渐增 高 ， 冻融劈 裂强度 比也 得 到显 著 提 高 。 丑 矮 徭 蜷 星 醴 敞 图 4不同水 性环 氧树脂 掺量下的试件 劈裂强度 0 O 8 O 6 0 4 0 2 0 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 水性环氧树脂掺量， 图 5 不 l司水 性 环 氧 树 脂 掺 量 F的 试 件 冻 融 劈 裂 强 度 比 由于沥青混合料的劈裂强度能够在一定程度上 反 映混凝 土 的粘 聚 力 ， 因此试 验 结果 说 明水 性 环 氧 树脂能够显著提高乳化沥青混合料 的粘聚力 ， 其 内 在原因是水性环氧树脂的加入提高了胶结料的粘结 性 能 。冻 融劈 裂 强度 比指 标能 够有 效 反映 混凝 土 的 水稳 定性 ， 从 试验 结果 可 以发 现 ， 水 性 环氧 树脂 的加 入有 利 于乳化 沥青 混 合料 水稳 定性 的提高 。 3 结 语 从试 验结 果 和数 据 分 析 中可 以 看 出 ， 水性 环 氧 树脂掺量对乳化沥青 混合料 的性能影响较大 ， 得出 如 下结论 。 ( 1 )针对 水性环氧 树脂 的 固化特 点 ， 确定 水性 环 氧树脂改性乳化沥青混合料试件的养生温度为 6 0。 ( 2 )水性 环 氧树脂 掺 量对 改性 乳 化 沥青 混 合料 的早期强度和后期强度均有显著影响 ， 且水性 环氧 树脂掺量对乳化沥青混合料后期强度的影响效果大 于对 早期 强度 的影 响效 果 。 ( 3 )随着 水性 环 氧 树脂 掺 量 的 增 加 ， 乳 化 沥 青 混合料 的弯 曲应 变能 密度逐 渐降低 ， 说 明水性 环 氧 树脂 对 乳 化 沥青 混合 料 的 低 温 抗 裂 性 能 有 不 利 影 响 。 ( 4 )水性环氧树脂掺量能够显著提高乳化沥青 混合料的劈裂强度 和冻融劈裂强度 比， 说明水性环 氧树脂的加入能够有效改善乳化沥青混合料的粘聚 力 和水稳 定性 。 参 考文 献 ： 1 沈金安 ， 李福普 改性乳化沥青在高速公路沥青路面维修养护 中的应 用前景 J 石油沥青 ， 2 0 0 0 ， 1 4 ( 1 ) ： 3 3 4 3 2 张洪 涛， 黄锦霞 水性制备与应用树脂 M 北京 ： 化学工业 出 版 社 ， 2 o i 1 3 邹海 良， 张亚峰 ， 邝健政 ， 等 水性环氧乳液改性水泥复合材料 的力学性能研究 J 新型建 筑材料 ， 2 O l O ( 6 ) ： 1 5 - l 9 4 张 黎 固化剂乳化 型水性环 氧树脂 体系 的研究 D 西安 ： 西北工业 大学 ， 2 0 0 3 5 何建新 ， 郭鹏 飞， 刘 录录， 等 阳离子乳化沥青混凝土配合 比设 计 的优选方法研究 _ J 水 利 与建筑 工程 学报 ， 2 0 1 3 ， l l ( 3 ) ： 9 6 - 9 8， 1 0 6 6 李江 乳化 沥青混凝 土强 度形成 机理 研究 J 石 油沥青 ， 2 O O7 ， 21 ( 2) ： 2 6 - 3 o 7 葛折圣 ， 黄晓明， 许 国光 用弯 曲应变能方 法评价 沥青混合料 的低 温抗裂 性能 J 东 南 大学 学 报：自然 科学 版 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 4) ： 6 53 - 6 5 5 8 侯 曙光， 赵华 乳 化剂及改 性剂对 沥青 性能影 响机 理分 析 J 筑路机械与施 工机械化 ， 2 0 1 O ， 2 7 ( 1 0 ) ： 6 9 6 1 ， 6 5 责任 编辑 ： 谭 忠华 5 7