水性環氧改性乳化瀝青的制備及其性能研究

柳中萬，夏新武，張 軍，任 浩，成 猛,黃紹龍

(1.湖北長江路橋有限公司路面分公司，武漢 430207;2.宜昌砼富公路養護有限公司，宜昌 443007；3.湖北大學材料科學與工程學院，武漢 430062;4.中南安全環境設計研究院有限公司，武漢 430051)

微表處具有施工周期短、開放交通快、綠色無污染等特點是目前應用最廣泛預防性養護技術[1]。但基質乳化瀝青粘結力差、抗剝落以及抗水損害能力差等問題，已經難以滿足如今的路面養護要求。針對傳統瀝青類材料感溫性高、粘結能力不足、耐久性不佳等缺點，通過引入環氧樹脂可以獲得更高強度、更高粘結力以及耐久性好等優良性能。環氧乳化瀝青是一種通過精確組分和相態設計經化學反應形成的多組分、互穿網絡三維立體結構的熱固性復合材料[2]，兼備了環氧樹脂和瀝青兩種材料的優點，是一種具有高強度、高粘結力的復合瀝青，強度是普通瀝青的三到四倍。環氧乳化瀝青微表處與普通乳化瀝青微表處對比具有強度高、高溫穩定性好、層間結合好、抗疲勞性能好、耐久性好等眾多優點。如鄭木蓮[3]等通過水性環氧、SBR膠乳對乳化瀝青復合改性，大大提高了乳化瀝青的路用性能。如袁世剛[4]等通過實驗發現隨著水性環氧樹脂的摻量增加，改性效果越好，但當水性環氧樹脂摻量過大時其離析也會越發明顯，即環氧樹脂存在最佳摻量。該文主要研究其應用在微表處方面的性能研究[5,6]。

1 原材料技術指標

1.1 乳化瀝青

試驗采用宜昌砼富公司生產的SBR乳化瀝青，技術指標見表1。

表1 SBR乳化瀝青的主要指標

1.2 水性環氧樹脂和水性固化劑

試驗中水性環氧樹脂和水性環氧固化劑的部分參數性狀見表2、表3。

表2 水型環氧樹脂的部分參數

表3 水性固化劑的部分參數

2 結果和分析

2.1 不同添加方式的影響

實驗將水性環氧樹脂以不同摻入方式加入到改性乳化瀝青中，觀察不同添加方式對其性能的影響。試驗中水性環氧采用了三種不同的添加方式:第一種是將水性環氧樹脂摻入到改性乳化瀝青中，將固化劑摻入到水中；第二種是將水性環氧樹脂和固化劑按比例混合后摻入到改性乳化瀝青中；第三種是將水性環氧樹脂和固化劑按比例混合后摻入到水中。水性環氧樹脂(A)和水性固化劑(B)的比例按生產廠家推薦為1∶1.3，摻量為3%，根據經驗油石比確定為5.5%，水泥添加量為1.5%。試驗結果見表4。

表4 不同摻入方式對其性能的影響

通過對比添加方式看出，第一種添加方式效果最佳，第二種添加方式效果次之，第三種添加方式效果最差。分析可能是當環氧樹脂和固化劑一經拌合后開始產生固化產物，其產物與瀝青產生了離析，但由于水性環氧樹脂的摻量較少，離析現象并不明顯，水性環氧樹脂的改性效果不明顯，所以第三種添加方式的改性效果最差。對比SBR微表處，水性環氧樹脂的添加，還是明顯的提高了微表處混合料的抗水損害性能。

2.2 乳化瀝青蒸發殘留物性能

按上文選擇添加順序制備水性環氧樹脂摻量分別為1%、3%、5%、7%、10%的水性環氧乳化瀝青，根據JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[7]對其蒸發殘留物的針入度、延度和軟化點進行檢測。試驗結果見圖1。

由圖1(a)可看出,加入水性環氧樹脂能提高其蒸發殘留物的軟化點;當水性環氧樹脂摻量小于5%時,蒸發殘留物軟化點變化不大,而當水性環氧樹脂摻量在5%～10%時 ,蒸發殘留物的軟化點增大。當水性環氧樹脂的摻量較低時,環氧固化后形成的三維網狀結構不足以貫穿整個瀝青結構，因此環氧樹脂起到的改性作用很小，對軟化點的影響并不明顯；而當水性環氧樹脂的摻量繼續增加時，環氧樹脂與固化劑反應所產生的固化產物貫穿整個瀝青結構,而環氧樹脂分子間在外力作用下也能形成了新的化學鍵,這些化學鍵具有很強的熱固性,從而使得蒸發殘留物的軟化點得到提升。由圖1(b)可看出,當水性環氧樹脂的摻量提高,其蒸發殘留物的低溫延度先增加后降低,當水性環氧樹脂的摻量達到7%以后，其蒸發殘留物的延度出現大幅度的降低。當水性環氧樹脂摻量較低時，固化產物較少，對試樣的性能影響較小；只有當水性環氧樹脂的摻量達到一定程度時，水性環氧樹脂的固化交聯反應成為主導反應,其固化產物遍布整個瀝青薄膜，固化產物的熱固性則導致了試樣的低溫延度下降。由圖1(c)可以看出,改性乳化瀝青的蒸發殘留物的針入度隨著水性環氧樹脂摻量的增加表現出先增大后減小的趨勢,當水性環氧樹脂摻量超過6%后,改性乳化瀝青的蒸發殘留物的針入度開始減小。

2.3 抗耐磨性能

在微表處施工中，需要檢測輪胎與微表處路面的磨耗，按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[7]制備試件，以浸水1 h的濕輪磨耗值來評價微表處路面的抗耐磨性能。采用MS-3型級配，石料選用玄武巖石料，填料選用水泥，油石比根據經驗公式確定為5.5%成型試件來研究水性環氧樹脂對微表處混合料耐磨耗性能的影響規律。試驗結果見圖2。

從圖2可看出，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，濕輪磨耗值隨之減小，試件的抗耐磨耗性能得到增強，這是由于隨著環氧樹脂與固化劑的反應，在瀝青中形成了三維網狀結構，分布在瀝青薄膜中，其固化產物具有一定的力學強度，使瀝青混合料的抗沖擊性能得到提升，抗磨耗性能增加，磨耗值的減小也表明瀝青與集料的粘附性得到提升。當水性環氧樹脂的摻量繼續增加時，試件變硬且磨耗后的試件表面有明顯的裂紋產生。這是因為當水性環氧樹脂摻量過大后，樹脂完全固化后，產生較多的固化產物導致瀝青本身的彈性性能大幅減小，使得磨耗后試件產生了裂紋。

2.4 抗車轍性能

車轍作為瀝青路面常見病害之一，是路面在行車反復作用下產生的凹槽。微表處是預防性養護的一種方法，可以替代熱拌瀝青混合料填補車轍，一般厚度在4～10 mm，礦料級配偏細，但可能在輪胎的碾壓下重新產生車轍，所以，當微表處混合料用于填補車轍時需要測定其的抗車轍能力。按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程中T 0756進行稀漿混合料車轍變形試驗[7]。根據公路瀝青路面施工技術規范JTG F40—2004對微表處混合料的技術要求是輪跡寬度變化率小于5%[8]，試驗結果如圖3所示。

從圖3可以看出，混合料的車轍寬度變形基本都符合瀝青路合施工技術要求，當水性環氧樹脂的摻量逐漸增加時，輪跡的寬度變形率隨之相應減小，混合料的抗車轍性能也相應得到提升。環氧樹脂和固化劑反應后所產生的固化產物具有一定的力學強度，增強了微表處混合料的整體的強度，故而使得微表處混合料的抗車轍能力得到增強。

3 結 論

根據殘留物性能檢測、濕輪磨耗試驗和車轍變形的試驗結果，得出以下主要結論:

a.水性環氧樹脂和固化劑要分開加入，提前混合后加入會對其性能有影響；將水性環氧樹脂摻入到改性乳化瀝青中，將固化劑摻入到水中，使用后性能比較好。

b.隨著水性環氧樹脂加入，其乳化瀝青的蒸發殘留物的軟化點明顯提高，延度先增加后降低，針入度先增加后降低。適當的摻加水性環氧樹脂可以改善乳化瀝青的性能，而過量摻加水性環氧樹脂則會降低瀝青的部分基本性能，在該文摻量變化范圍內，加入5%的水性環氧樹脂混合料綜合性能最佳。

c.隨著水性環氧樹脂的加入，混合料的耐磨耗性能和抗車轍性能得到提升，滿足微表處的路用性能。