水性環氧樹脂改性乳化瀝青混凝土性能研究

張慶++郝培文 白正宇

摘 要：針對水性環氧樹脂的固化特點，確定水性環氧樹脂改性乳化瀝青混凝土試件的養生條件，對比不同水性環氧樹脂摻量下乳化瀝青混合料路用性能指標。結合室內試驗和數據分析，結果表明：水性環氧樹脂的加入有利于提高乳化瀝青混合料的早期強度和后期強度，并且對乳化瀝青混凝土后期強度的影響明顯大于其早期強度，水性環氧樹脂能夠有效改善乳化瀝青混凝土的水穩定性，但對乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。

關鍵詞：水性環氧樹脂；乳化瀝青混合料；養生條件；凍融劈裂

中圖分類號：U414.01 文獻標志碼：B

Properties of Emulsified Asphalt Concrete Modified with Waterborne Epoxy Resin

ZHANG Qing1，2， HAO Pei- wen1， BAI Zheng- yu2

（1. Key Laboratory for Road Structure and Material of Transportation Industry， Changan University，

Xian 710064， Shaanxi， China； 2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Henan Normal

University， Xinxiang 453007， Henan， China）

Abstract： The pavement performance of emulsified asphalt mixture with different amounts of waterborne epoxy resin was studied， and the curing conditions of waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt mixture were set up. Combined with laboratory experiments and data analysis， it is found out that waterborne epoxy resin can improve the early strength and later strength of emulsified asphalt mixture， and the effect on the later strength is significantly greater. It also improves the water stability， while has an adverse effect on cracking resistance at low temperature.

Key words： waterborne epoxy resin； emulsified asphalt mixture； modification； pavement performance

0 引 言

乳化瀝青混合料是一種環保型材料，它采用乳化瀝青作為結合料，在制備和使用過程中有害物質排放量極少，且生產后可常溫儲存，與普通瀝青混合料相比，不需要重復加熱，大幅度節約了能源消耗[1]。很多國家都在嘗試將乳化瀝青混合料作為道路鋪筑材料，用于面層和基層。截至目前，美國、法國、瑞典等國家都有用乳化瀝青混合料鋪筑城市街道及鄉村道路的工程實例，并取得了良好的使用效果。

水性環氧樹脂（Waterborne Epoxy，簡稱WE）是以環氧樹脂微粒為分散相、以水為連續相的液相體系材料[2]，可在室溫條件下以及潮濕環境中固化，已成為水泥混凝土道路建設和維修的常用改性材料[3]，可將環氧樹脂熱穩定性好、強度高和粘結力強的特性發揮到路用材料中。文本采用水性環氧樹脂對乳化瀝青混凝土進行改性，研究水性環氧樹脂改性乳化瀝青混凝土的制備方法和性能規律，為高性能乳化瀝青混凝土的理論研究和工程實踐提供參考。

1 試樣的制備

1.1 試驗材料

集料采用石灰巖，級配取AC- 13范圍中值；乳化瀝青為陽離子慢裂慢凝型乳化瀝青；水性環氧樹脂通過固化劑乳化法自制[4]，其中環氧樹脂與固化劑的比例為0.8∶1。為提高乳化瀝青混合料的早期強度，添加適量水泥以加快乳化瀝青破乳[5]，采用標號42.5硅酸鹽水泥，摻量為1%。

1.2 試件成型方法

1.2.1 拌和

在混合料拌和之前，先加入適量水，以提高乳化瀝青對集料的裹附性和混合料的可拌和性。在滿足工作性的前提下，控制用水量，集料加水拌和后表面呈基本潤濕狀態。然后在拌和狀態下依次加入水泥、乳化瀝青（根據研究需要采用不同的水性環氧樹脂摻量），并繼續攪拌。機械作用會加速乳化瀝青破乳速度，過度攪拌會使乳化瀝青過早破乳，導致混合料離析，并且會使集料表面瀝青膜發生剝離，因此機械攪拌時間以加入乳化瀝青后1 min為宜。混合料較稀時，應當在常溫下養生至混合料稠度適中再進行擊實，可通過風扇通風來加快養生速度。

1.2.2 擊實

在制備乳化瀝青混合料試件的過程中，變化最大的為含水量，它是影響乳化瀝青混合料成型速度的主要因素[6]。在試件成型過程中，通過兩次馬歇爾擊實實現兩個階段的排水：第一次擊實的目的是使混合料在水和乳化瀝青的潤滑作用下達到最佳密實度，在這個過程中，乳化瀝青混合料尚未完全破乳，擊實作用使部分水分在機械功的作用下被壓出，模擬施工現場的路面碾壓階段；第二次擊實的目的是壓實水分排出后形成的空隙，擊實作用使乳化瀝青充分破乳并加速混合料中殘余水分排出，此時瀝青尚未硬化，可以進一步壓密混合料，模擬路面開放交通后混合料被不斷壓密的過程。

為提高乳化瀝青混合料成型試件的壓密效果，并盡量減少擊實過程中瀝青乳液的損失，采取兩次擊實和先輕后重的原則，將混合料均勻拌和后，第一次擊實35次，第二次擊實40次。

1.3 養生條件的確定

目前國內外對乳化瀝青混合料的養生溫度和時間界定各不相同，國內一般采用交通部陽離子乳化瀝青協作組推薦的修正馬歇爾試驗方法[7]，即試件置于烘箱中在養生溫度下試模內養生24 h，模外靜置24 h。養生溫度為室溫時，試件強度代表乳化瀝青混合料早期強度；養生溫度為110 ℃時，試件強度代表乳化瀝青混合料后期強度。

利用水性環氧樹脂對乳化瀝青混凝土進行改性，使乳化瀝青混合料的性能有較大改進。但在研究過程中發現，若試件在110 ℃以下養生，強度性能改善效果不好，試件表面容易出現起皮、泛白的現象。分析認為：這是水性環氧樹脂在高溫條件下迅速固化引起的，雖然110 ℃以下有利于水分的蒸發排出，但高溫下水性環氧樹脂固化速度比水分揮發速度更快，并且混合料試件在沒有達到恒溫之前，內部存在溫度梯度，試件表面溫度較高，導致表面部分的水性環氧樹脂迅速固化，在試件表層形成沒有流動性的環氧樹脂固化物，隨后試件中的水分蒸發形成膨脹功，造成試件表面出現細微破裂現象。

高溫條件還會使水性環氧樹脂固化效果下降。水性環氧樹脂固化過程也是固化劑分子向環氧樹脂微粒內部滲透、擴散的過程。固化反應首先在環氧樹脂粒子界面發生，同時固化劑分子逐漸擴散到環氧樹脂粒子內部，進一步和環氧樹脂分子發生固化交聯反應。如果環境溫度較高，界面處的固化反應過快，導致環氧樹脂顆粒表面層的粘度快速增加，使固化劑分子向環氧樹脂顆粒內部擴散的時間變短，因此大量的固化劑分子聚集在環氧樹脂顆粒表面，與環氧樹脂發生反應，形成較硬的顆粒外殼，阻止了更多未參與反應的固化劑分子向環氧樹脂顆粒內部滲透、擴散、交聯，造成環氧樹脂固化程度下降，導致混合料的性能受到影響。

針對水性環氧樹脂的固化特點，同時考慮60 ℃以上的溫度會遏制水泥的水化反應，確定采取60 ℃的養生溫度，使試件中的水分較為緩慢地消散，避免與水性環氧樹脂的固化速度協調性差而導致試件發生應力集中破壞，并且保證了環氧樹脂的固化程度。

經過測試，試件在60 ℃烘箱內48 h達到質量恒定，視為養生時間完成。所以試件養生條件為：第一次擊實后在60 ℃下養生1 h；然后取出試件第二次擊實后脫模，并在60 ℃下繼續養生47 h；最后將試件從烘箱取出，室溫放置12 h。

2 性能測試及分析

2.1 水性環氧樹脂對試件強度的影響

2.1.1 早期強度

在室溫養生條件下，制備不同水性環氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料試件，對其進行馬歇爾穩定度測試，以考察水性環氧樹脂對乳化瀝青混合料早期強度的影響，結果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青混合料早期強度逐漸提高。

圖1 不同水性環氧樹脂摻量下的試件早期強度

對不同水性環氧樹脂摻量下的早期強度進行單因素方差分析。從表1中可以看出，顯著性因子小于0.05，說明水性環氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料的早期強度具有顯著影響。

水性環氧樹脂屬于反應型改性劑，積極影響于形成強度較高且形態不可逆的連續空間網絡。在水性環氧樹脂的固化過程中，固化物能夠通過交聯反應作用貫穿于瀝青膜體相之中，并且環氧樹脂固化物能夠把瀝青粒子橋接在一起，使得乳化瀝青殘留物性能顯著提高，所以水性環氧樹脂的加入有利于乳化瀝青混合料早期強度的提高。

2.1.2 后期強度

在60 ℃條件下養生，制備不同水性環氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料試件，對其進行馬歇爾穩定度測試，從而考察水性環氧樹脂對乳化瀝青混合料后期強度的影響，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青混合料后期強度得到明顯提高。

圖2 不同水性環氧樹脂摻量下的試件后期強度

對不同水性環氧樹脂摻量下的改性乳化瀝青混合料后期強度進行單因素方差分析。從表2中可以看出，水性環氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料后期強度具有顯著的影響。

通過對比水性環氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料早期強度和后期強度的方差分析結果中的F值可知，后期強度的F值遠遠大于早期強度的F值，說明水性環氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料后期強度的影響大于對乳化瀝青混合料早期強度的影響效果。這是由于在乳化瀝青混合料強度形成初期，乳化瀝青還沒有完全破乳，混合料內部的水分也沒有完全消散。早期強度主要由集料形成的內摩阻力構成，所以此時水性環氧樹脂對混合料的早期強度貢獻較小。當乳化瀝青混合料破乳達到成型強度的時候，混合料內部的水分也已經完全消散，這時內聚力已成為構成混合料強度的主要部分，由于水性環氧樹脂摻量對提高乳化瀝青混合料內聚力具有顯著作用，進一步影響混合料的強度，因此水性環氧樹脂摻量會對乳化瀝青混合料后期強度起到重要影響作用。

2.2 水性環氧樹脂對試件低溫性能的影響

為了考察水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能，對不同水性環氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料試件進行低溫彎曲應變能測試[8]，試驗結果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青混合料的彎曲應變能密度逐漸降低，說明水性環氧樹脂對乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。

圖3 不同水性環氧樹脂摻量下的試件低溫彎曲應變能密度

2.3 水性環氧樹脂對試件水穩定性能的影響

對不同水性環氧樹脂摻量下的乳化瀝青混合料進行凍融劈裂強度試驗，考察試件的水穩定性，試驗結果如圖4、5所示。從圖中可以看出，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青混合料的劈裂強度明顯逐漸增高，凍融劈裂強度比也得到顯著提高。

圖4 不同水性環氧樹脂摻量下的試件劈裂強度

圖5 不同水性環氧樹脂摻量下的試件凍融劈裂強度比

由于瀝青混合料的劈裂強度能夠在一定程度上反映混凝土的粘聚力，因此試驗結果說明水性環氧樹脂能夠顯著提高乳化瀝青混合料的粘聚力，其內在原因是水性環氧樹脂的加入提高了膠結料的粘結性能。凍融劈裂強度比指標能夠有效反映混凝土的水穩定性，從試驗結果可以發現，水性環氧樹脂的加入有利于乳化瀝青混合料水穩定性的提高。

3 結 語

從試驗結果和數據分析中可以看出，水性環氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料的性能影響較大，得出如下結論。

（1） 針對水性環氧樹脂的固化特點，確定水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料試件的養生溫度為60 ℃。

（2） 水性環氧樹脂摻量對改性乳化瀝青混合料的早期強度和后期強度均有顯著影響，且水性環氧樹脂摻量對乳化瀝青混合料后期強度的影響效果大于對早期強度的影響效果。

（3） 隨著水性環氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青混合料的彎曲應變能密度逐漸降低，說明水性環氧樹脂對乳化瀝青混合料的低溫抗裂性能有不利影響。

（4） 水性環氧樹脂摻量能夠顯著提高乳化瀝青混合料的劈裂強度和凍融劈裂強度比，說明水性環氧樹脂的加入能夠有效改善乳化瀝青混合料的粘聚力和水穩定性。

參考文獻：

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[責任編輯：譚忠華]