水性環(huán)氧-乳化瀝青材料的制備及性能研究

伍杰 苗超杰 張倩 戴天彤 胡力

【摘要】隨著公路養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)的擴(kuò)大，對(duì)道路養(yǎng)護(hù)材料的需求也越來(lái)越大，尤其是高性能的乳化瀝青材料。本文制備了一種新型的水性環(huán)氧改性乳化瀝青膠凝材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)材料的配比、拌和工藝和環(huán)氧摻量等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并考察了其黏附性、黏度、粘結(jié)強(qiáng)度等性能指標(biāo)，最后引入微觀結(jié)構(gòu)分析手段對(duì)材料固化的影響因素和強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行了探索研究。

【關(guān)鍵詞】水性環(huán)氧;乳化瀝青;性能研究;微觀分析

Study on Preparation and Properties of Waterborne Epoxy Emulsified Asphalt Materials

Wu Jie1，4，Miao Chao-jie2，Zhang Qian3，Dai Tian-tong1，4，Hu Li3

（1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co.， LtdChongqing400067;

2.Chongqing Expressway Group Co.， Ltd. South Operation BranchChongqing401346;

3.Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074;

4.National Local Joint Engineering Laboratory for Road Engineering in Mountainous AreasChongqing400067）

【Abstract】With the expansion of road maintenance market， there is a growing demand for road maintenance materials， especially high-performance emulsified asphalt materials. In this paper， a new type of waterborne epoxy modified emulsified asphalt cementitious material has been prepared. Its parameters such as proportion， mixing process and epoxy dosage of the material have been studied in detail， as well as its performance of adhesion， viscosity and bonding strength. At last， the influence factors and strength formation mechanism of material curing are investigated by means of microstructure analysis.

【Key words】Waterborne epoxy;Emulsified asphalt;Performance research;Microstructure analysis

1. 引言

截止2018年底，我國(guó)公路總里程達(dá)484.65萬(wàn)公里，其中養(yǎng)護(hù)里程達(dá)475.78萬(wàn)公里，占公路總里程的98.2%[1]。隨著公路里程的逐年增加，公路養(yǎng)護(hù)工作量越來(lái)越大，對(duì)養(yǎng)護(hù)材料的需求也越來(lái)越大。乳化瀝青作為一種道路日常養(yǎng)護(hù)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)常溫拌和、常溫施工，具有施工簡(jiǎn)便、節(jié)能環(huán)保、受氣溫和濕度影響小等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此在瀝青路面病害處治和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方面得到廣泛應(yīng)用[2～3]。但是近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)僅用單純的乳化瀝青作為膠結(jié)料，拌制的瀝青混合料普遍存在溫度適應(yīng)性差、粘結(jié)性能不足、混合料強(qiáng)度低且強(qiáng)度形成較慢等缺點(diǎn)，不能滿足高性能維修養(yǎng)護(hù)材料的需要，限制了乳化瀝青的進(jìn)一步推廣應(yīng)用[4]。因此，改性乳化瀝青的研究逐漸成為了研究的熱點(diǎn)[5]。環(huán)氧樹脂具有粘結(jié)強(qiáng)度高、固化速度快、溫度敏感性低等優(yōu)點(diǎn)，與瀝青的性能可以很好地優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，近年來(lái)成為了改性乳化瀝青研究的熱點(diǎn)對(duì)象之一，并取得較好的成果和應(yīng)用[6]。本文選用一種新型的雙組份水性環(huán)氧樹脂對(duì)乳化瀝青進(jìn)行改性，并對(duì)水性環(huán)氧——乳化瀝青材料的配比、制備工藝、性能和固化機(jī)理等進(jìn)行研究，為水性環(huán)氧改性乳化瀝青混合料的應(yīng)用研究提供理論參考。

2. 水性環(huán)氧——乳化瀝青制備

（1）本文的水性環(huán)氧——乳化瀝青是通過(guò)水性環(huán)氧、固化劑和乳化瀝青3組份混合反應(yīng)而成，原材料技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。

（2）試驗(yàn)對(duì)不同水性環(huán)氧/固化劑添加比例以及3種組份的不同拌和順序?qū)Νh(huán)氧乳化瀝青的性能影響進(jìn)行了研究。分別配制4組不同環(huán)氧/固化劑比例的水性環(huán)氧乳液（環(huán)氧：固化劑=1：1、1.5：1、2：1、2.5：1），水性環(huán)氧和乳化瀝青的質(zhì)量比為1：2。采用兩種拌和順序，A順序：環(huán)氧乳液+固化劑+乳化瀝青;B順序：乳化瀝青+環(huán)氧乳液+固化劑。對(duì)拌和產(chǎn)物進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

（3）測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，無(wú)論采用哪種拌和順序，水性環(huán)氧與固化劑比例為1.5：1時(shí)得到的水性環(huán)氧——乳化瀝青粘結(jié)強(qiáng)度最高，說(shuō)明水性環(huán)氧與固化劑的最佳搭配比例為1.5：1。同時(shí)，在相同的配比情況下，B拌和順序比A拌和順序得到的水性環(huán)氧——乳化瀝青粘結(jié)強(qiáng)度高，可能是因?yàn)榄h(huán)氧與固化劑反應(yīng)較快，當(dāng)采用B拌和順序時(shí)，環(huán)氧與乳化瀝青先均勻混合，然后再加入固化劑，因此反應(yīng)形成的環(huán)氧樹脂也均勻分散在乳化瀝青體系中;當(dāng)采用A拌和順序時(shí)，環(huán)氧先與固化劑拌和而形成部分不溶的環(huán)氧樹脂產(chǎn)物，不會(huì)與后加入乳化瀝青發(fā)生交聯(lián)作用，故有效的環(huán)氧樹脂含量降低，因此粘結(jié)強(qiáng)度較B拌和順序差。

3. 水性環(huán)氧——乳化瀝青性能研究

得到環(huán)氧和固化劑的最佳搭配比例以及拌和工藝后，筆者對(duì)不同環(huán)氧樹脂摻量的水性環(huán)氧——乳化瀝青黏附性、黏度、粘結(jié)強(qiáng)度等性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。分別配制了環(huán)氧樹脂含量為0%、10%、20%、30%、40%、50%的幾種水性環(huán)氧——乳化瀝青材料進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1黏附性能。

（1）黏附性是評(píng)價(jià)瀝青與集料抗水剝離性能的指標(biāo)，因此考察水性環(huán)氧——乳化瀝青材料的黏附性可以間接推測(cè)水性環(huán)氧——乳化瀝青混合料的抗水損壞性能和使用耐久性。將不同環(huán)氧摻量的水性環(huán)氧——乳化瀝青分別與粗集料果附，室溫自然固化24h后進(jìn)行黏附性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

（2）從表3可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，水煮后瀝青薄膜的剝落面積逐漸減少，即水性環(huán)氧——乳化瀝青材料的黏附性逐漸提升，當(dāng)環(huán)氧摻量為20%時(shí)材料的黏附等級(jí)達(dá)到5級(jí)，說(shuō)明環(huán)氧樹脂的加入明顯提升了乳化瀝青與集料的黏附性能。

3.2黏度性能。

（1）黏度是表征瀝青粘稠程度的重要指標(biāo)，可以間接反應(yīng)其施工和易性。若黏度過(guò)大則導(dǎo)致和易性較差，若黏度太小又容易出現(xiàn)與集料的離析、成形較慢等缺點(diǎn)。本文研究的水性環(huán)氧——乳化瀝青是一種常溫流動(dòng)狀液體，在工程應(yīng)用中也通常采取常溫拌和、常溫施工的工藝，因此試驗(yàn)直接在常溫條件下對(duì)不同環(huán)氧摻量的水性環(huán)氧——乳化瀝青材料的標(biāo)準(zhǔn)黏度進(jìn)行了研究，測(cè)試結(jié)果見圖2。

（2）測(cè)試結(jié)果表明，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，水性環(huán)氧——乳化瀝青的黏度逐漸增加，當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量達(dá)到30%時(shí)，水性環(huán)氧改性乳化瀝青黏度達(dá)到50s，超過(guò)了規(guī)范對(duì)改性乳化瀝青標(biāo)準(zhǔn)黏度的要求（12～60s）。分析原因可能是兩方面原因所致，一是隨著環(huán)氧摻量的增加，環(huán)氧樹脂自身反應(yīng)形成的微粒逐漸增多，因此增加了乳化瀝青體系的黏稠度;二是環(huán)氧樹脂濃度增加以后，樹脂間的有效碰撞幾率增加，更容易反應(yīng)形成樹脂交聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此環(huán)氧摻量大于20%后，乳化瀝青體系的黏度急劇增加。

3.3粘結(jié)性能。

（1）瀝青的粘結(jié)性是影響瀝青混合料最重要的性能因素之一，良好的粘結(jié)性可以保證瀝青與集料的黏附性，可以使瀝青路面具有優(yōu)秀的承載能力和抗形變能力。試驗(yàn)以材料的粘結(jié)強(qiáng)度為指標(biāo)，研究了不同環(huán)氧摻量的乳化瀝青粘結(jié)性能，將試件粘結(jié)成型并室溫固化48h后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

（2）從圖3可以看出，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青材料的粘結(jié)性能逐漸提升，當(dāng)環(huán)氧摻量為40%時(shí)，材料的粘結(jié)性能達(dá)到最大值（0.46MPa），再繼續(xù)增加環(huán)氧摻量，粘結(jié)強(qiáng)度幾乎不變?？赡苁且?yàn)榄h(huán)氧可以在瀝青體系中形成交錯(cuò)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，初期隨著環(huán)氧摻量的增加，該三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也逐步增加，故粘結(jié)性能逐漸提升;當(dāng)摻量增加到40%時(shí)，環(huán)氧樹脂的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已足夠密集，該結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能提升作用不再明顯，因此繼續(xù)增加環(huán)氧樹脂摻量時(shí)，材料的粘結(jié)強(qiáng)度變化不大。

4. 水性環(huán)氧——乳化瀝青固化影響因素研究

前面從宏觀角度分析了水性環(huán)氧——乳化瀝青體系的各項(xiàng)性能，但是對(duì)于作用機(jī)理并不清楚，水性環(huán)氧——乳化瀝青體系的固化過(guò)程較為復(fù)雜，既有化學(xué)反應(yīng)又有物理過(guò)程，因此本文借助熒光顯微鏡，對(duì)材料在不同固化時(shí)間和不同固化溫度條件下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，研究其強(qiáng)度形成機(jī)理和性能變化原因。環(huán)氧在熒光顯微鏡下顯藍(lán)綠色熒光，而瀝青無(wú)熒光，因此通過(guò)圖片中明亮對(duì)比和亮點(diǎn)分布可以觀察環(huán)氧和瀝青的結(jié)合與分布狀態(tài)。

4.1固化時(shí)間對(duì)水性環(huán)氧——乳化瀝青的影響。

（1）將不同環(huán)氧摻量的水性環(huán)氧——乳化瀝青材料涂于載玻片，在40℃烘箱中分別固化2h、4h、6h后進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，見表4。

（2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，水性環(huán)氧——乳化瀝青材料的交聯(lián)體系在2h內(nèi)基本完全形成;隨著環(huán)氧摻量的增加，環(huán)氧交聯(lián)的程度越明顯，摻量在20%以下時(shí)基本均勻分散在瀝青體系中（表4，第一、二行），到30%時(shí)開始出現(xiàn)局部的聚集（表4，第三行），大于40%時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象（表4，第四、五行）。與圖2中材料的黏度變化趨勢(shì)和圖3中材料的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果吻合，即黏度在環(huán)氧摻量大于20%時(shí)急劇升高，粘結(jié)強(qiáng)度在摻量大于40%幾乎不再變化。

4.2固化溫度對(duì)水性環(huán)氧——乳化瀝青的影響。

（1）將不同環(huán)氧摻量的乳化瀝青分別在25℃、40℃、60℃條件下固化4h后進(jìn)行熒光成像分析，微觀結(jié)構(gòu)圖見表5。

（2）結(jié)果顯示，隨著固化溫度的升高，環(huán)氧樹脂的交聯(lián)程度明顯提升，在25℃時(shí)材料幾乎都是獨(dú)立分散在瀝青體系中;當(dāng)溫度升高到40℃時(shí)，材料發(fā)生了明顯的團(tuán)聚和交聯(lián)現(xiàn)象;進(jìn)一步升高到60℃時(shí)，材料交聯(lián)作用更加顯著，可能是因?yàn)闇囟鹊纳咭环矫婕铀倭谁h(huán)氧樹脂的化學(xué)反應(yīng)，另一方面也加快了乳化瀝青的物理破乳速度，促使交聯(lián)反應(yīng)更容易發(fā)生，說(shuō)明升高養(yǎng)護(hù)溫度有助于水性環(huán)氧——乳化瀝青混合料的快速成型。對(duì)比表4和表5還可以發(fā)現(xiàn)，固化溫度比固化時(shí)間對(duì)水性環(huán)氧——乳化瀝青的固化影響作用大。

5. 結(jié)論

本文研究制備了一種新型的水性環(huán)氧——乳化瀝青的膠凝材料，并對(duì)其配比、拌和工藝、性能及微觀固化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)論如下：

（1）環(huán)氧樹脂中環(huán)氧和固化劑的最佳配比為1.5：1，水性環(huán)氧——乳化瀝青制備時(shí)推薦的拌和順序?yàn)椋喝榛癁r青+環(huán)氧乳液+固化劑。

（2）環(huán)氧樹脂的加入可大幅提升乳化瀝青的性能，但是環(huán)氧摻量過(guò)大時(shí)材料的黏度指標(biāo)不符合規(guī)范要求，綜合考慮性能和成本因素，推薦該水性環(huán)氧——乳化瀝青材料的環(huán)氧樹脂最佳摻量為20%。

（3）水性環(huán)氧——乳化瀝青膠結(jié)料的固化速率受溫度影響較大，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)材料的快速固化，有望用于道路快速維修養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域。

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