沥青路面离析处治材料及其处治效果

朱宏斌，白 鑫，蒋应军

(1.金华市公路管理局，浙江 金华 321000； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青路面以其力学强度高、行车平稳舒适、噪音低、施工期短、维修方便等众多优点受到青睐，中国90%以上的路面为沥青路面。但近年来，中国南方大部分沥青路面在建成通车后不久(短的几个月，长的不超过两年)，局部就出现了水损害。引起路面水损害的因素众多，其中沥青路面离析是重要因素之一。

路面离析常产生于各个施工环节，其离析原因和机理引起国内外道路工作者的普遍关注和重视，纷纷开展大量的研究工作，并提出许多行之有效的防止路面离析的措施。但这些措施只能尽量减少离析的发生，不能避免；且近年来施工普遍采用骨架密实型混合料，这使得路面离析现象更为普遍和严重。因此，路面离析除了预防之外，同样还应该重视治理。对于路面离析的处治，一般采取洒布乳化沥青、铣刨等措施，但效果非常有限，且洒布乳化沥青后在使用初期还存在泛油的风险。国外，Harold L.Cobb等人探讨了沥青密封剂、沥青封层等表面涂层技术对保护沥青路面、延长路面使用寿命的作用[1]；Johnson D.R等人用密封剂对加拿大蒙大拿州的沥青路面裂缝进行密封，发现密封胶可以提高路面裂缝的性能，但低温季节密封胶处治效果显著降低，到了高温季节密封胶的密封效果又得到恢复[2]；Johnson G等人指出，路面离析在施工过程中就可采取相应措施予以避免，并对离析路面经铣刨和表面处理后的路面性能进行了研究[3]。国内，何远航研究了水性环氧树脂乳液对乳化沥青改性前后的低温、高温性能以及耐久性能，发现适宜掺量下水性环氧树脂使乳化沥青改性后的路用性能得到提高[4]；张庆杰研制了聚硫密封胶与沥青混凝土预制块相结合的材料以及环氧乳液复配SBS改性乳化沥青，并分别用于沥青路面的坑槽修补与裂缝填封，一年后路面无脱胶开裂现象，处治效果良好[5]；王锋研究了环氧乳化沥青及其混合料的性能，发现环氧乳化沥青混合料具有良好的路用性能，可作为路面养护快速修补材料[6]。

由于研究目的与处治病害不同，对处治材料的要求也不同，目前在离析处治材料方面的研究相对薄弱，特别是针对骨架密实型沥青路面离析的处治[7-9]。鉴于此，本文拟研制一种乳液型灌入式封水材料，利用乳液的良好流动性使乳液下渗，并破乳填充离析部位的空隙，实现离析部位的“上封下堵，适当补强”目的。

1 路面离析处治材料的研发

1.1 水性环氧树脂乳液

环氧树脂是分子量很大的高分子化合物，具有黏结能力强的特点，对固结路面松散的集料、提高路面的防水性能具有明显的效果[10-13]。采用水性环氧树脂乳液对乳化沥青进行改性，环氧树脂在水性固化剂作用下能够从沥青分子中穿过，均匀分布于薄膜中，并相互交结形成网状结构，满足离析处治材料在常温下为液态、自身强度好、高用量下不会泛油的特点要求[14-17]。因此，研发出与乳化沥青具有良好相容性的水性环氧树脂乳液十分关键。

1.1.1 原材料

环氧树脂选用液体双酚A环氧树脂E-44。乳化剂初选5种，制备的环氧树脂乳液在室温下的离心稳定性结果见表1。

表1 乳化剂对E-44环氧树脂的乳化效果

乳化剂代号ABCDE亲疏水平衡值(HLB)14.58.616.715.835.0乳化性可乳化不可乳化可乳化可乳化可乳化乳液稳定性(25 ℃,1 d)有水析出,稳定性略好破乳,乳化失败有水析出,稳定性略好有水析出,稳定性略好大量水析出、沉淀,稳定性差

由表1可知，乳化剂B无法乳化E-44环氧树脂；乳化剂E可以将环氧树脂乳化，但乳液稳定性差；乳化剂A、C、D可以将环氧树脂乳化，且环氧树脂乳液的HLB值在15左右，较稳定。因此，选择乳化剂A、C、D作为研究对象。

1.1.2 乳化剂的复配

环氧树脂不溶于水，较难乳化，通过相反转法采用单一乳化剂乳化很难得到稳定性好的水性环氧树脂乳液[18-19]。不同乳化剂对乳化效果、乳液稳定等性能有直接影响，而合理复配的乳化剂比单一的乳化剂更能制得稳定的乳状液。

以HLB值作为复配乳化剂选择的基础，采用均匀试验设计方法将初步筛选的乳化剂A、C、D通过复配进行详细的配方设计。由均匀试验设计软件计算并最终优化可得：当乳化剂A、D的用量比为2∶1时，制备的路用水性环氧树脂乳液的离心稳定度最小，复配体系的HLB值为14.9。

1.1.3 水性环氧树脂乳液的制备

利用乳化剂复配技术，采用相反转法制备水性环氧树脂乳液。

将E-44环氧树脂加热至变稀，按配方称取所需环氧树脂置于烧杯中，再称取9%的复配乳化剂(乳化剂A、D的质量比为2∶1)加入环氧树脂中，搅拌加热；称取所需水置于烧杯中，加热备用；用热水冲洗乳化设备后，加入有复配乳化剂的环氧树脂，剪切均匀，随后缓慢滴加水，在70 ℃的条件下乳化30 min，将乳液盛于烧杯中备用；用热水冲洗设备，关机。

1.2 路面离析处治材料用乳化沥青

鉴于常用乳化剂制备的乳化沥青与所制备的E-44水性环氧树脂乳液混合搅拌后相容性均较差，本文开展了专用沥青乳化剂的研发。

1.2.1 专用沥青乳化剂

以棉籽油为原料，通过常压水解制备得到长碳链混合脂肪酸；马来酸与混合脂肪酸反应得到三羧酸类中间体，然后再与多乙烯多胺反应制备得到表面活性较强、临界胶束浓度较小的脂肪酰胺阳离子沥青乳化剂，命名为专用沥青乳化剂。

专用沥青乳化剂呈棕褐色黏稠油状液体，室温下易溶于水，其水溶液为碱性，呈黄色半透明至透明状，见图1。

图1 沥青乳化剂及乳化剂水溶液

利用表面活性剂在水中的溶解情况估计专用沥青乳化剂的HLB值，见表2。

表2 表面活性剂的HLB值与水溶液外观的关系

由表2可知，制备的专用沥青乳化剂HLB值在13左右，符合与制备的E-44水性环氧树脂乳液相容的条件。

1.2.2 专用乳化沥青与水性环氧树脂的相容性

将专用沥青乳化剂和试验选用的4种常用基质沥青均按照乳化剂、基质沥青、水的含量为2%、50%、48%进行配比，制备得到4种不同的乳化沥青，再与路用水性环氧树脂乳液进行相容性试验，结果见表3。

表3 相容性试验结果

由表3可知，采用专用沥青乳化剂制备的乳化沥青与路用水性环氧树脂乳液具有很好的相容性。

1.3 水性固化剂优选

试验选用水性固化剂A、B、C，主要技术指标见表4。

表4 试验用水性固化剂的主要技术指标

试验发现，选取的3种固化剂与水性环氧树脂乳液均能够混合和固化。因此，选取专用沥青乳化剂制备的不同乳化沥青与水性固化剂分别混合进行相容性试验，试验结果见表5。

表5 水性固化剂和乳化沥青的相容性试验结果

由表5可知，只有固化剂A与制备的乳化沥青混合后相容性好。因此，采用专用沥青乳化剂和SK90#沥青制备的乳化沥青以及固化剂A进行路面离析处治材料的研发。

1.4 路面离析处治材料配方设计

路面离析处治材料主要由乳化沥青、水性环氧树脂乳液、水性固化剂3种组分按照一定的配比混合、搅拌均匀制成。根据固化剂A的使用情况，水性环氧树脂乳液和固化剂A的添加配比为3∶1。为了考察水性环氧树脂乳液在乳化沥青中的最佳比例，分别配制不同比例的乳液，结果见表6。

由表6可知：随着时间推移，水性环氧树脂乳液在水性固化剂的作用下发生固化反应，进而导致乳化沥青的破乳；随着固化反应的进行，整个体系交联，呈凝胶态；随着固化反应的完成，形成了具有一定强度的固化物。

初步确定5种路面离析处治材料主要组分配比，用于后续研究评价，见表7。表中E、R、H分别表示乳化沥青、水性环氧树脂乳液、固化剂，数字下标表示该成分所占百分比。

表6 不同比例配制而成的混合物固化情况

表7 路面离析处治材料主要组分配比

2 处治效果评价

2.1 试验方案

根据NCHRP Report441对离析程度的评定标准，试验选取中度离析的AC-20沥青混合料。AC-20离析混合料矿料级配见表8。AC-20沥青混合料离析试件的物理力学性能见表9。

表8 中度离析的AC-20沥青混合料级配

表9 离析试件物理力学指标

2.2 处治效果评价

成型相应的中度离析AC-20试件，采用表7中5种不同配比的路面离析处治材料对离析试件表面进行一次涂刷，以即将流出而又未流出为宜，检验处治后试件性能，结果见表10。

由表10可知：采用不同配比的路面离析处治材料涂刷一次后，试件的空隙率均明显降低，其中E55R30H15和E40R40H20对空隙率的降低效果更好；试件渗水系数显著降低，但E85R10H5、E70R20H10、E55R30H15处治后不能满足规范要求，E40R40H20处治后试件渗水系数从2 189 mL·min-1降低到89 mL·min-1，且满足规范要求，E25R50H25处治后材料完全不渗水；冻融劈裂抗拉强度比均有提高，但E85R10H5、E70R20H10处治后不能满足规范要求，E55R30H15、E40R40H20和E25R50H25处治后试件的冻融劈裂抗拉强度比达到规范要求，其中E40R40H20提升了17%，水稳定性提升明显；处治后动稳定度均有提高，其中E40R40H20动稳定度提升了30%以上，效果显著；E40R40H20处治后马歇尔稳定度提升20%左右，效果明显；处治之后试件抗滑性能均有所下降，不能满足规范要求，但考虑到抗滑性能是针对表面层而言的，离析处治后局部抗滑性能的下降并不影响路面整体的抗滑性能。

表10 AC-20离析试件处治效果评价

3 结 语

(1)研究了复配技术和乳化剂比例对路面离析处治专用水性环氧树脂乳液效果的影响。结果表明：当选取的乳化剂A、D的用量为2∶1时，制备的路用水性环氧树脂乳液稳定度的离心稳定度最小，处治效果最佳。

(2)研究了不同乳化沥青与水性环氧树脂的相容性，结果表明：专用乳化剂、SK90#沥青、水的配比为2%、50%、48%，制备的乳化沥青与路用水性环氧树脂乳液具有很好的相容性，各项性能指标符合技术要求，适用于工程实际生产和使用。

(3)研究了不同配比路面离析处治材料对中度离析AC-20材料处治效果的影响。结果表明：当乳化沥青与水性环氧树脂乳液的比例大于10∶1，水性环氧树脂乳液与固化剂A的比例为3∶1时，制备的路面离析处治材料处治效果最好；采用E40R40H20处治材料对中度离析AC-20试件进行一次涂刷处治，其渗水系数从2 189 mL·min-1降低到89 mL·min-1，冻融劈裂抗拉强度比提升了17%，动稳定度提升了30%以上，马歇尔稳定度提升约20%，处治效果最佳。