水性環氧-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】隨著公路養護市場的擴大，對道路養護材料的需求也越來越大，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氧改性乳化瀝青膠凝材料，通過室內試驗對材料的配比、拌和工藝和環氧摻量等參數進行了詳細研究，并考察了其黏附性、黏度、粘結強度等性能指標，最后引入微觀結構分析手段對材料固化的影響因素和強度形成機理進行了探索研究。

【關鍵詞】水性環氧;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，我國公路總里程達484.65萬公里，其中養護里程達475.78萬公里，占公路總里程的98.2%[1]。隨著公路里程的逐年增加，公路養護工作量越來越大，對養護材料的需求也越來越大。乳化瀝青作為一種道路日常養護材料，能夠實現常溫拌和、常溫施工，具有施工簡便、節能環保、受氣溫和濕度影響小等眾多優點，因此在瀝青路面病害處治和預防性養護方面得到廣泛應用[2～3]。但是近年來，人們發現僅用單純的乳化瀝青作為膠結料，拌制的瀝青混合料普遍存在溫度適應性差、粘結性能不足、混合料強度低且強度形成較慢等缺點，不能滿足高性能維修養護材料的需要，限制了乳化瀝青的進一步推廣應用[4]。因此，改性乳化瀝青的研究逐漸成為了研究的熱點[5]。環氧樹脂具有粘結強度高、固化速度快、溫度敏感性低等優點，與瀝青的性能可以很好地優勢互補，近年來成為了改性乳化瀝青研究的熱點對象之一，并取得較好的成果和應用[6]。本文選用一種新型的雙組份水性環氧樹脂對乳化瀝青進行改性，并對水性環氧——乳化瀝青材料的配比、制備工藝、性能和固化機理等進行研究，為水性環氧改性乳化瀝青混合料的應用研究提供理論參考。

2. 水性環氧——乳化瀝青制備

（1）本文的水性環氧——乳化瀝青是通過水性環氧、固化劑和乳化瀝青3組份混合反應而成，原材料技術指標見表1、表2。

（2）試驗對不同水性環氧/固化劑添加比例以及3種組份的不同拌和順序對環氧乳化瀝青的性能影響進行了研究。分別配制4組不同環氧/固化劑比例的水性環氧乳液（環氧：固化劑=1：1、1.5：1、2：1、2.5：1），水性環氧和乳化瀝青的質量比為1：2。采用兩種拌和順序，A順序：環氧乳液+固化劑+乳化瀝青;B順序：乳化瀝青+環氧乳液+固化劑。對拌和產物進行拉拔強度測試，試驗結果如圖1所示。

（3）測試數據顯示，無論采用哪種拌和順序，水性環氧與固化劑比例為1.5：1時得到的水性環氧——乳化瀝青粘結強度最高，說明水性環氧與固化劑的最佳搭配比例為1.5：1。同時，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氧——乳化瀝青粘結強度高，可能是因為環氧與固化劑反應較快，當采用B拌和順序時，環氧與乳化瀝青先均勻混合，然后再加入固化劑，因此反應形成的環氧樹脂也均勻分散在乳化瀝青體系中;當采用A拌和順序時，環氧先與固化劑拌和而形成部分不溶的環氧樹脂產物，不會與后加入乳化瀝青發生交聯作用，故有效的環氧樹脂含量降低，因此粘結強度較B拌和順序差。

3. 水性環氧——乳化瀝青性能研究

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

3.1黏附性能。

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

（2）從表3可以看出，隨著環氧樹脂摻量的增加，水煮后瀝青薄膜的剝落面積逐漸減少，即水性環氧——乳化瀝青材料的黏附性逐漸提升，當環氧摻量為20%時材料的黏附等級達到5級，說明環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，可以間接反應其施工和易性。若黏度過大則導致和易性較差，若黏度太小又容易出現與集料的離析、成形較慢等缺點。本文研究的水性環氧——乳化瀝青是一種常溫流動狀液體，在工程應用中也通常采取常溫拌和、常溫施工的工藝，因此試驗直接在常溫條件下對不同環氧摻量的水性環氧——乳化瀝青材料的標準黏度進行了研究，測試結果見圖2。

（2）測試結果表明，隨著環氧樹脂摻量的增加，水性環氧——乳化瀝青的黏度逐漸增加，當環氧樹脂摻量達到30%時，水性環氧改性乳化瀝青黏度達到50s，超過了規范對改性乳化瀝青標準黏度的要求（12～60s）。分析原因可能是兩方面原因所致，一是隨著環氧摻量的增加，環氧樹脂自身反應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，更容易反應形成樹脂交聯網結構，因此環氧摻量大于20%后，乳化瀝青體系的黏度急劇增加。

3.3粘結性能。

（1）瀝青的粘結性是影響瀝青混合料最重要的性能因素之一，良好的粘結性可以保證瀝青與集料的黏附性，可以使瀝青路面具有優秀的承載能力和抗形變能力。試驗以材料的粘結強度為指標，研究了不同環氧摻量的乳化瀝青粘結性能，將試件粘結成型并室溫固化48h后進行拉拔試驗測試，試驗結果見圖3。

（2）從圖3可以看出，隨著環氧樹脂摻量的增加，乳化瀝青材料的粘結性能逐漸提升，當環氧摻量為40%時，材料的粘結性能達到最大值（0.46MPa），再繼續增加環氧摻量，粘結強度幾乎不變?？赡苁且驗榄h氧可以在瀝青體系中形成交錯的三維網狀結構，初期隨著環氧摻量的增加，該三維網狀結構也逐步增加，故粘結性能逐漸提升;當摻量增加到40%時，環氧樹脂的三維網狀結構已足夠密集，該結構對材料性能提升作用不再明顯，因此繼續增加環氧樹脂摻量時，材料的粘結強度變化不大。

4. 水性環氧——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氧——乳化瀝青體系的各項性能，但是對于作用機理并不清楚，水性環氧——乳化瀝青體系的固化過程較為復雜，既有化學反應又有物理過程，因此本文借助熒光顯微鏡，對材料在不同固化時間和不同固化溫度條件下的微觀結構進行觀察，研究其強度形成機理和性能變化原因。環氧在熒光顯微鏡下顯藍綠色熒光，而瀝青無熒光，因此通過圖片中明亮對比和亮點分布可以觀察環氧和瀝青的結合與分布狀態。

4.1固化時間對水性環氧——乳化瀝青的影響。

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

（2）試驗結果顯示，水性環氧——乳化瀝青材料的交聯體系在2h內基本完全形成;隨著環氧摻量的增加，環氧交聯的程度越明顯，摻量在20%以下時基本均勻分散在瀝青體系中（表4，第一、二行），到30%時開始出現局部的聚集（表4，第三行），大于40%時出現嚴重的團聚現象（表4，第四、五行）。與圖2中材料的黏度變化趨勢和圖3中材料的粘結強度測試結果吻合，即黏度在環氧摻量大于20%時急劇升高，粘結強度在摻量大于40%幾乎不再變化。

4.2固化溫度對水性環氧——乳化瀝青的影響。

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

（2）結果顯示，隨著固化溫度的升高，環氧樹脂的交聯程度明顯提升，在25℃時材料幾乎都是獨立分散在瀝青體系中;當溫度升高到40℃時，材料發生了明顯的團聚和交聯現象;進一步升高到60℃時，材料交聯作用更加顯著，可能是因為溫度的升高一方面加速了環氧樹脂的化學反應，另一方面也加快了乳化瀝青的物理破乳速度，促使交聯反應更容易發生，說明升高養護溫度有助于水性環氧——乳化瀝青混合料的快速成型。對比表4和表5還可以發現，固化溫度比固化時間對水性環氧——乳化瀝青的固化影響作用大。

5. 結論

本文研究制備了一種新型的水性環氧——乳化瀝青的膠凝材料，并對其配比、拌和工藝、性能及微觀固化過程進行了詳細研究，結論如下：

（1）環氧樹脂中環氧和固化劑的最佳配比為1.5：1，水性環氧——乳化瀝青制備時推薦的拌和順序為：乳化瀝青+環氧乳液+固化劑。

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

（3）水性環氧——乳化瀝青膠結料的固化速率受溫度影響較大，通過溫度調節可以實現材料的快速固化，有望用于道路快速維修養護領域。

參考文獻

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