水性環氧改性乳化瀝青流變性能研究

何麗紅,侯藝桐,鄧穩,溫仙仙,陳竟濤

(1.重慶交通大學 交通土建材料國家地方聯合工程實驗室,重慶 400074；2.重慶交通大學 材料科學與工程學院,重慶 400074)

水性環氧乳化瀝青是一種新興的改性乳化瀝青，兼具環氧樹脂和乳化瀝青的優點，可提高路面的高溫穩定性、耐磨、粘結力以及防水等性能，目前，水性環氧改性乳化瀝青研制及其在道路工程中的應用處于探索實驗階段[1-3]。研究人員對其應用領域做了較多實驗研究，但有關膠結料流變性能研究較少[4-6]。

本文制備不同環氧摻量的改性乳化瀝青，運用動態剪切流變儀測試溫度掃描、頻率掃描及時間掃描模式下水性環氧改性乳化瀝青高溫性能及抗疲勞性能，并對其針入度、軟化點、延度進行評價。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

乳化瀝青，陽離子型；水性環氧體系，由A、B兩組分組成，其中A為自乳化型水性環氧樹脂，乳白色均勻液體，固含量50%，環氧當量1 200～1 850 g/eq，25 ℃旋轉粘度 500～3 000 mPa·s；B為水溶性固化劑，淺黃色透明液體，胺值260～320 mgKOH/g，25 ℃旋轉粘度280～400 mPa·s。

TA DHR-2動態剪切流變儀。

1.2 實驗方法

首先將水性環氧體系A組分與B組分按照質量比2∶1于室溫條件下混合均勻配制水性環氧體系，并按照5%,10%,15%,20%摻量加入到乳化瀝青中，以1 200 r/min的速率勻速剪切30 min后，即可得到4組目標樣品。同時，將不摻水性環氧體系的乳化瀝青作為參照對比樣品。

1.3 性能測試

1.3.1 流變性能 采用動態剪切流變儀，將樣品加熱至流體狀態后澆筑在聚四氟乙烯膜上，待樣品冷卻至固態，放置于儀器板間，待保溫完成后開始測試。其中溫度掃描實驗參數根據superpave結合料規范確定溫度區間為46～76 ℃，溫度梯度為6 ℃；頻率掃描：在60 ℃條件下施加0.1～100 rad/s的荷載；時間掃描實驗參數：實驗溫度 25 ℃，實驗頻率10 rad/s，施加10%應變的交變正弦荷載，采用復數模量降至50%初始模量與加載時間的關系對水性環氧改性乳化瀝青的抗疲勞性能進行表征。

1.3.2 殘留物三大指標 利用直接加熱法得到各樣品蒸發殘留物，進行針入度、軟化點及延度測試。

2 結果與討論

2.1 高溫性能

2.1.1 復數剪切模量 圖1為水性環氧改性乳化瀝青殘留物的復數剪切模量隨溫度及頻率的變化關系曲線。

圖1 水性環氧乳化瀝青復數剪切模量隨溫度及頻率的變化曲線Fig.1 Curve of complex shear modulus of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.復數剪切模量隨溫度的變化；b.復數剪切模量隨頻率的變化(60 ℃)

由圖1a可知，各樣品的復數模量與溫度呈反比關系，這很大程度上是因為瀝青是一種感溫性材料，溫度的上升會使其粘度減小[7]。同時由圖1a還可知，在相同溫度下，隨著水性環氧含量的增加，各樣品復數模量逐步增大，且當溫度升高時，水性環氧的摻入使各樣品的復數剪切模量增大更為明顯，這說明水性環氧樹脂的固化產物會阻礙瀝青分子的流動，降低膠結料的粘性成分，從而增加復數剪切模量，從而提高乳化瀝青的熱穩定性。由圖1b可知，所有樣品復數剪切模量均隨頻率的升高整體呈上升趨勢，在相同加載頻率下，各樣品復數模量與環氧摻量呈正比。由圖1b還可知，當水性環氧摻量<10%時，頻率對樣品復數模量有較大影響。這是因為當水性環氧摻量<10%時，樣品中環氧樹脂骨架結構強度不足，大部分瀝青游離于體系內[4]。

2.1.2 相位角 相位角δ可表征材料性質。在多數情況下，或者在瀝青路面的使用溫度條件下，瀝青膠結料主要表現為粘彈性[8]。圖2為不同環氧樹脂摻量下的水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物的相位角隨溫度及頻率的變化關系曲線。

圖2 水性環氧乳化瀝青相位角隨溫度及頻率的變化曲線Fig.2 Curve of phase angle of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.相位角隨溫度的變化;b.相位角隨頻率的變化(60 ℃)

由圖2a可知，在相同溫度下，各樣品相位角與環氧摻量呈正比關系。這是因為水性環氧樹脂在瀝青材料內部形成的空間網狀結構可以有效阻止瀝青的流動，從而降低材料的粘度，提高其彈性。由圖2b可知，隨著體系內頻率的增大，樣品相位角都有不同程度的減小趨勢，這是因為荷載頻率的增大會加快瀝青分子之間的運動，導致增加其恢復形變的能力。在相同加載頻率下，材料的相位角會隨著水性環氧摻量的增加而減小，這表明水性環氧摻量的增加會給予瀝青更多的彈性成分，這對瀝青材料在荷載作用下恢復形變有積極作用[9]。

2.1.3 車轍因子 抗車轍因子G*/sinδ是早期的SHRP計劃中提出用來評價瀝青膠結料高溫抵抗車轍能力的一個參數[10]。圖3為各摻量水性環氧乳化瀝青蒸發殘留物車轍因子。

圖3 水性環氧乳化瀝青抗車轍因子隨溫度及頻率的變化曲線Fig.3 Curve of rutting resistance factor of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.車轍因子隨溫度的變化;b.車轍因子隨頻率的變化(60 ℃)

由圖3a可知，隨著溫度的升高，各摻量環氧樹脂下的改性乳化瀝青車轍因子都降低，但在相同溫度下，水性環氧摻量越多，改性乳化瀝青抗車轍因子越大。這是由于當溫度升高時，環氧樹脂固化后在瀝青材料內部形成穩定且具有一定強度的骨架結構，從而提高水性環氧乳化瀝青的抗車轍性能。由圖3b可知，在相同的測試溫度下，加載頻率越大，改性乳化瀝青抗車轍因子越大。這是因為當受荷載作用頻率加快時，相對應的樣品所受的荷載剪切作用力的時間也就越短，這就使樣品在短時間內發生的剪切變形量相對較小，所以在高頻區，樣品會展現出更加優良的彈性恢復變形能力。與之相反，在低頻區，瀝青材料的彈性恢復形變能力較差，而低頻代表著較低的行車速度，這也就解釋了為什么在停車場、減速帶會有較多車轍的原因。

2.2 抗疲勞性

水性環氧改性乳化瀝青蒸發殘留物的復數模量隨加載時間的變化曲線見圖4。

圖4 水性環氧乳化瀝青復數模量-加載時間曲線Fig.4 Complex modulus-loading time curve of waterborne epoxy emulsified asphalt

由圖4可知，不同環氧摻量的水性環氧改性乳化瀝青的復數剪切模量都隨加載時間的增加而減小，衰減規律近似相同。在荷載作用初期，隨著加載時間的增加，復數剪切模量迅速下降，隨后進入平穩期，直至瀝青內部發生破壞，這與瀝青混合料在應變控制模式下的勁度模量變化規律較為相似[11]。且隨著水性環氧樹脂摻量的增加，其改性乳化瀝青復數模量降至50%初始模量所需加載時間增大，疲勞破壞點推遲出現，抗疲勞性能逐步提高。這說明水性環氧樹脂對乳化瀝青的抗疲勞性能有積極作用。

2.3 殘留物三大指標

表1為不同水性環氧摻量下水性環氧改性乳化瀝青蒸發殘留物的三大指標測試結果。

表1 水性環氧乳化瀝青三大指標測試結果Table 1 Test results of three main indexes of waterborne epoxy emulsified asphalt

由表1可知，參照對比樣乳化瀝青的針入度為66.7(0.1 mm)，軟化點為54 ℃，5 ℃延度為 17.2 cm；水性環氧摻量的增加會使其軟化點增大，針入度和延度減小。當環氧摻量為20%時，軟化點達到62.0 ℃，針入度減少了34.8%，為43.5(0.1 mm)，延度降低了79.1%，為3.6 cm。這是由于環氧樹脂為熱固性樹脂，會賦予瀝青較好的熱穩定性；而且環氧樹脂固化后會有較大剛度，會讓瀝青材料具有更高的強度。

3 結論

(1)水性環氧樹脂的摻入會提高其改性乳化瀝青的彈性成分，在摻量大于10%時更為明顯。這將有利于其在高溫低頻條件下具有良好的彈性恢復變形能力，并且有效提升高溫穩定性。

(2)水性環氧樹脂的摻入會推后乳化瀝青疲勞損傷點，抗疲勞性能提高；水性環氧摻量越高，材料抗疲勞性能越好。

(3)水性環氧摻量的增加會使其軟化點逐漸增大，針入度和延度都減小，高溫性能逐步提升。同時，三大指標的測試結果與其流變行為曲線得出的結論相一致。