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水性环氧树脂乳化沥青对开级配抗滑磨耗层性能的影响
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水性环氧树脂乳化沥青对开级配抗滑磨耗层性能的影响
2021年12月28日    阅读量:37925    新闻来源:《筑路机械与施工机械化》2020年第37卷  |  投稿

摘 要

为了提高现有黏结材料的黏结性能,进而改善开级配抗滑磨耗层的抗滑耐磨性,制备不同掺量的水性环氧树脂乳化沥青,通过基本性能试验与黏结性能试验,确定水性环氧树脂的最佳掺量;借助荷载磨耗试验,研究了不同黏结材料对开级配抗滑磨耗层(OGFC-5)抗滑性能与抗剥落性能的影响。结果表明:添加水性环氧树脂可有效地改善乳化沥青的高低温性能与黏结性能,最佳掺量为20%;经20000次荷载作用后,水性环氧树脂抗滑磨耗层的抗滑性能与抗剥落性能最好,摩擦系数降幅为28.57%,构造深度降幅为33.33%,质量剥落率最低为3.25%。


关键词 道路工程 | 抗滑磨耗层 | 黏结材料 | 抗滑性能


引言

随着中国路网的不断扩展,交通量不断增长,繁重的交通量使路面抗滑性能与耐久性能不断下降,交通安全事故频发,而处于多雨、重载等特殊环境下的高速公路安全事故更为严重[1-2]沥青网sinoasphalt.com。为保障道路运营安全,道路行业研究学者对具有提升道路行驶安全与使用品质的各类养护技术开展了大量研究[3-7]:ImJH等对比了聚合物改性乳液与未改性乳液作封层黏结材料时的性能差别,表明聚合物改性乳液可显著改善抗滑封层的黏结性能、抗松散剥落性能与抗车辙能力[8-9];PretoriusFJ等系统分析了不同级配的抗滑磨耗层的抗滑效果[10];王秋胜等研究了级配组成与粉胶比对Novachip-13混合料性能的影响,确定了粗细集料比例与粉胶比对Novachip-13型超薄抗滑磨耗层性能的影响较为显著[11];周铮等研究了改性树脂超薄抗滑磨耗层(HFS)的高低温及水稳定性能,提出了适用于钢桥面铺装的HFS技术[12];胡曙光等研究了镶嵌式冷铺抗滑磨耗层材料的级配以及胶浆掺量对其力学性能与路用性能的影响规律,确定了胶浆的最佳掺量为14%[13];王玉江等将橡胶粉加入到开级配抗滑磨耗层OGFC-13中,系统研究其路用性能与降噪效果[14];林生峰等研究了纤维对开级配抗滑磨耗层(OGFC)路用性能的影响规律,试验表明,纤维能提高OGFC沥青混合料的高温稳定性和抗车辙能力[15]。综上所述,现有开级配抗滑磨耗层的研究主要集中在黏结材料、填料与级配对开级配抗滑磨耗层路用性能的影响等方面,且已有研究表明表面聚合物改性乳液对抗滑封层的性能有一定的提升作用,但相关研究并未对性能优良的黏结材料展开研究,关于不同黏结材料对开级配抗滑磨耗层性能影响的研究相对较少。鉴于此,本文基于制备不同掺量水性环氧树脂乳化沥青的试验,研究不同掺量水性环氧乳化沥青的基本性能与黏结性能变化规律,确定水性环氧乳化沥青最佳掺量;并研究了不同黏结材料对开级配抗滑磨耗层抗滑性能与抗剥落性能的影响规律,为开级配抗滑磨耗层的应用提供参考。


试验材料与方法


试验材料


针对目前常用的改性乳化沥青黏度低、黏附性差等问题,选择固化后具有较高强度与黏结能力的水性环氧树脂作为改性剂,对阳离子乳化沥青直接进行改性。水性环氧树脂与固化剂选自济宁华凯树脂有限公司,技术指标见表1。阳离子乳化沥青选自北京正泰兴达公路材料有限公司,同时为确定水性环氧树脂乳化沥青与常用SBS改性乳化沥青的性能差别,选择该公司生产的SBS改性乳化沥青进行对比,性能指标详见表2。抗滑磨耗层所用集料为优质玄武岩,技术指标详见表3,矿粉为石灰岩矿粉。普通集料与矿粉洁净、干燥、无杂质。原材料各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。

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级配


鉴于目前国内外关于开级配抗滑磨耗层级配范围的系统研究较少,无规范可供参考,本文调查相关研究单位及工程应用中选用的开级配抗滑磨耗层级配范围,综合考虑,选择交通部公路科学研究院推荐的OGFC-5级配,见表4。

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试验方法


(1)水性环氧树脂乳化沥青制备方法。将不同掺量的水性环氧树脂与固化剂加入到乳化沥青中,固化剂含量为水性环氧树脂掺量的70%,利用剪切仪以500r.min^-1的速度剪切10min,混合均匀后即可制得水性环氧树脂乳化沥青。


(2)水性环氧乳化沥青性能测试方法。水性环氧乳化沥青蒸发残留物的软化点、延度、针入度以及水性环氧树脂乳化沥青的黏度、筛上剩余量与贮存稳定性均参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行测试。水性环氧乳化沥青剪切强度与拉拔强度均参照《道桥用防水涂料》(JC/T535-2005)中的相关规定进行测试,其中剪切仪竖向应力为0.2MPa,剪切速率为20mm.min^-1,拉拔仪拉拔速率为5mm.min^-1。


(3)乳化沥青抗滑磨耗层性能测试方法。磨耗试验采用磨耗试验机进行,荷载为0.7MPa,构造深度与抗滑摆值的测试参照《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)的相关规定进行。


水性环氧树脂乳化沥青最佳掺量


掺量对乳化沥青蒸发残留物三大指标的影响改性乳化沥青蒸发残留物的25℃针入度、软化点与5℃延度可表征改性乳化沥青的稠度、高低温性能,是改性乳化沥青的重要评价指标,因此研究水性环氧树脂10%、20%、30%三种掺量对水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物三大指标的影响,测试结果如图1所示。

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分析图1可知以下几点。


(1)随着水性环氧树脂掺量的增加,25℃针入度不断减小,软化点不断增大,而5℃延度表现出先增大后减小的趋势,其中水性环氧树脂掺量为10%的3项性能指标均低于SBS改性乳化沥青,而掺量增加到20%时,针入度低于SBS改性乳化沥青,软化点与延度均高于SBS改性乳化沥青。




(2)随着水性环氧树脂掺量由10%增加至30%,相比乳化沥青,25℃针入度降幅为6.42%~28.1%,并逐渐接近规范下限;5℃延度在水性环氧树脂掺量为20%时达到最大值,增幅为19.5%;当水性环氧树脂掺量由10%增加到20%时,软化点的提高幅度较为显著,为14.55%,而掺量由20%增加到30%的过程中,软化点改善幅度相对较缓,增幅为5.86%。综上,建议水性环氧树脂掺量为20%。


掺量对乳化沥青黏度及筛上剩余量的影响


黏度可表征水性环氧树脂的流动性,筛上剩余量反映的是乳化沥青中是否存在未乳化的沥青块,它与乳化沥青的质量有关。因此研究水性环氧树脂10%、20%、30%三种掺量下水性环氧树脂乳化沥青黏度及筛上剩余量的变化规律,测试结果如图2所示。

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分析图2可知:随水性环氧树脂掺量的不断增加,乳化沥青标准黏度不断增大,且均优于SBS改性乳化沥青,当掺量由0增加至10%时,增加幅度较缓,而在掺量由10%增加到30%时,增幅显著增加;筛上剩余量随水性环氧树脂掺量的增加不断减小,在水性环氧树脂掺量为20%时趋于平缓。综合考虑,建议水性环氧树脂掺量为20%。


掺量对乳化沥青贮存稳定性的影响


贮存稳定性可表征水性环氧树脂乳化沥青在一定时间内的稳定性,是评价乳化沥青质量的重要指标,因此研究了水性环氧树脂10%、20%、30%三种掺量下水性环氧树脂乳化沥青贮存稳定性的变化规律,测试结果如图3所示。

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分析图3可知:随着水性环氧树脂掺量的增加,乳化沥青24h与5d的贮存稳定性均不断降低,在掺量由0增加至10%的过程中,降低幅度不太显著;当掺量由10%增加至30%时,贮存稳定性显著降低;且在水性环氧树脂掺量为30%时,24h与5d的贮存稳定性已不满足规范要求。因此,建议水性环氧树脂掺量不超过20%。


掺量对乳化沥青黏结性能的影响


为确定水性环氧树脂的掺加对乳化沥青黏结性能有何改善情况,以抗剪强度与拉拔强度为评价指标,测试常温(25℃)下不同掺量水性环氧树脂乳化沥青的抗剪强度与拉拔强度,并与乳化沥青与SBS乳化沥青进行对比。水性环氧树脂乳化沥青25℃的剪切与拉拔试验结果如图4所示。

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分析图4可知,随水性环氧树脂掺量的增加,乳化沥青抗剪强度与拉拔强度均得到显著提升,当水性环氧树脂掺量由10%增加至30%,水性环氧树脂乳化沥青的抗剪强度是乳化沥青的1.73~2.54倍,是SBS乳化沥青的1.22~1.89倍,拉拔强度是乳化沥青的3~4.8倍,是SBS乳化沥青的0.6~1.32倍。综上可知,水性环氧树脂的添加可有效提高乳化沥青的黏结性能。


开级配抗滑磨耗层性能评价


抗滑性能评价


为确定水性环氧树脂乳化沥青对开级配抗滑磨耗层OGFC-5抗滑性能的影响,使用上文确定的最佳掺量为20%的水性环氧树脂乳化沥青,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)制备开级配抗滑磨耗层车辙板试件,测试不同作用次数后试件的摩擦系数(BPN)与构造深度(TD),具体试验结果如图5所示。

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分析图5可知:随荷载作用次数的增加,开级配抗滑磨耗层的抗滑性能均出现不同程度的衰减,3种黏结材料初始抗滑性能均相差不多,但随荷载作用次数的增减,使用水性环氧树脂乳化沥青的抗滑磨耗层抗滑性能衰减程度最为缓慢,其次为SBS改性乳化沥青,使用乳化沥青的抗滑磨耗层衰减程度最为严重;经20000次荷载作用后,水性环氧树脂抗滑磨耗层摩擦系数与未磨耗时相比降幅为28.57%,构造深度降幅为33.33%;SBS改性乳化沥青摩擦系数降幅为35.25%,构造深度降幅为39.33%;乳化沥青摩擦系数降幅为42.03%,构造深度的降幅为45.45%。这表明水性环氧树脂乳化沥青相比其他黏结材料具有更加优异的耐磨性能。


抗剥落性能评价


在磨耗试验中,由于试件表面摩擦力的作用,使得试件表面极易发生剥落现象,测试试件在不同作用次数下集料的剥落质量,计算试件在不同作用次数下的质量剥落率,分析水性环氧乳化沥青对开级配抗滑磨耗层抗剥落性能的影响规律。试验结果如图6所示。

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分析图6可知:随荷载作用次数的增加,开级配抗滑磨耗层质量剥落率均不断增加,但3种黏结材料质量剥落率的增长速度均不相同,其中使用水性环氧树脂乳化沥青的抗滑磨耗层的质量剥落率增长速度最小,其次为SBS改性乳化沥青,使用乳化沥青的抗滑磨耗层质量剥落率增长速度最大,经20000次荷载作用后,水性环氧树脂抗滑磨耗层质量剥落率为3.25%,SBS改性乳化沥青质量剥落率为4.37%,乳化沥青质量剥落率为5.89%,这表明水性环氧树脂乳化沥青相比其他黏结材料抗剥落性能更佳。


结语


(1)本文确定了水性环氧树脂掺量对乳化沥青基本性能的影响规律,随水性环氧树脂掺量的增加,25℃针入度、筛上剩余量与贮存稳定性不断降低,软化点与沥青标准黏度不断增大,而5℃延度表现出先增大后减小的趋势,综合考虑,建议水性环氧乳化沥青最佳掺量为20%。


(2)以抗剪强度与拉拔强度为评价指标,评价了水性环氧乳化沥青掺量对乳化沥青黏结性能的影响规律,当水性环氧树脂掺量由10%增加至30%,乳化沥青的抗剪强度最高可提高2.54倍,拉拔强度可提高4.8倍。


(3)评价了3种黏结材料对开级配抗滑磨耗层抗滑性能的影响规律,经20000次荷载作用后,水性环氧树脂抗滑磨耗层的抗滑性能降低幅度最小,摩擦系数降幅为28.57%,构造深度降幅为33.33%。


(4)评价了3种黏结材料对开级配抗滑磨耗层抗剥落性能的影响规律,经20000次荷载作用后,水性环氧树脂抗滑磨耗层质量剥落率最低为3.25%。

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