水性環氧樹脂復配SBR改性乳化瀝青橋面鋪裝黏結層性能研究

賴嘉洲

(廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510550)

0 引言

為了兼顧改性乳化瀝青路用材料的綜合路用性能，且兼備制備工藝簡單、易分散、貯存穩定性好等技術優勢，許多學者開始嘗試將水性環氧樹脂用于制備改性乳化瀝青。水性環氧樹脂具有強度高、黏結力強、高溫穩定性和抗疲勞性能優良的特點，水性環氧樹脂改性乳化瀝青系列混合料也具備優異的黏結強度、高溫性能與抗水損害等性能，且水性環氧樹脂與普通乳化瀝青的配伍性良好、在乳化瀝青中分散性良好，制備工藝也日漸成熟。

目前水性環氧樹脂改性乳化瀝青及其混合料產品已廣泛應用于橋面鋪裝防水黏結層等工程，并取得良好的防水、抗滑和抗車轍性能使用效果。更進一步，有學者提出將SBR與水性環氧樹脂進行復配，由此制備的復合改性乳化瀝青既具備水性環氧樹脂強度高、黏結力強、高溫穩定性和抗疲勞性能優良的特點，又能有效提高SBR改性乳化瀝青高溫性能和黏附性能，因此有必要將水性環氧樹脂與SBR改性瀝青進行復配，以實現2種改性劑對乳化瀝青性能的疊加改善作用。

現有研究對水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青的針入度體系及拉伸性能等分析仍不全面，有關水性環氧樹脂與SBR膠乳摻量仍缺乏試驗數據支撐，這限制了復合改性乳化瀝青的進一步推廣應用。基于此，筆者通過水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青殘留物的針入度指標性能、拉伸性能進行研究，并采用熒光顯微鏡對其微觀特征進行表征和分析，以期拓寬水性環氧樹脂復合SBR改性乳化瀝青的適用范圍。

1 原材料與試驗方案

1.1 試驗原材料

1)水性環氧樹脂乳液 水性環氧樹脂和固化劑均由山西某廠家提供，廠家推薦的環氧樹脂(N4E2)與固化劑(HGB)比例為1∶1，技術指標如表1所示。

表1 水性環氧樹脂和固化劑主要技術指標

2)SBR改性乳化瀝青 制備SBR改性乳化瀝青的主要原材料包括殼牌A-90基質瀝青、LYE-B101陽離子慢裂慢凝乳化劑、陽離子丁苯膠乳LYE-R03、水。在實驗室自制SBR改性乳化瀝青。

1.2 水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青制備

采用先乳化后改性的方法，主要制備工藝參數為：①將水性環氧樹脂與乳化劑以1∶1質量比混合，攪拌5min使水性環氧樹脂與固化劑混合均勻，其余原材料均按預定質量稱量，將殼牌A-90基質瀝青加熱至140℃備用；②將乳化劑加入80℃水中，開啟剪切機，調節剪切速率為2 000r/min；③以10g/min速度將殼牌A-90基質瀝青(140℃)加入乳化劑(摻量為2%)與水混合溶液中；④待基質瀝青添加至預定質量(按固含量62%控制基質瀝青摻量)后，調節剪切機速率至4 000r/min，保持此剪切速率，剪切25min，制備完成乳化瀝青；⑤將預定質量的水性環氧樹脂與SBR膠乳一同加入乳化瀝青(溫度為60℃)中，保持剪切速率為2 000r/min，剪切10min，完成水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青制備。

1.3 復合改性瀝青評價指標

由于摻入水性環氧樹脂和SBR改性劑，復合改性瀝青兼顧水性環氧樹脂的熱固屬性和丁苯橡膠的延展性。試驗研究參照GB/T 38990—2020《道路用水性環氧樹脂乳化瀝青混合料》、JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術規范》、JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》技術指標要求(見表2)，本文以水性環氧樹脂與SBR復合改性瀝青殘留物的針入度、軟化點、延度、斷裂伸長率、斷裂強度為評價指標，同時考察推薦復配方案下水性環氧樹脂與SBR復合改性瀝青的貯存穩定性與施工和易性，最終推薦適宜的水性環氧樹脂與SBR膠乳摻配比例。

表2 乳化瀝青技術指標匯總

2 水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青性能

2.1 針入度指標體系性能

改性乳化瀝青性能主要取決于其蒸發殘留物性能。采用微波加熱獲取復合改性乳化瀝青蒸發殘留物，研究水性環氧樹脂和SBR膠乳摻量對復合改性瀝青蒸發殘留物的針入度、延度(5℃)、軟化點和拉伸性能的影響趨勢。試驗結果如表3所示。

由表3可知：

表3 水性環氧樹脂與SBR復合改性瀝青針入度指標性能

1)相同SBR膠乳摻量下，隨著水性環氧樹脂摻量的增大，復合改性乳化瀝青殘留物的針入度減小、軟化點增大、延度減小，表明增大水性環氧樹脂主要改善復合改性乳化瀝青殘留物的高溫性能，同時降低其低溫性能。水性環氧樹脂摻量增大，水性環氧樹脂通過交聯聚合形成高剛度三維網分散于SBR改性瀝青中，蒸發殘留物由熱塑性轉變為熱固性，水性環氧樹脂具有熱固屬性，固化后力學性能提升，剛度增大導致低溫延展性降低。

2)增大SBR膠乳后，5℃延度明顯增大，其余高溫性能指標略有增大，表明增大SBR膠乳對復合改性瀝青殘留物高溫性能改善效果不明顯，SBR膠乳對水性環氧樹脂改性乳化殘留物的低溫性能有顯著增強作用。

3)隨著SBR膠乳與水性環氧樹脂摻量的增大，復合改性乳化瀝青的1，5d貯存穩定性降低，同時恩格拉黏度E25增大。這主要是因為，隨著2種改性劑摻量的增大，復合改性乳化瀝青體系的穩定性降低，水性環氧樹脂在貯存過程中其摻量越大，SBR膠乳與水性環氧樹脂復合改性乳液的黏度越大，沒有分散均勻的改性劑產生結團、離析現象。此外，水性環氧樹脂的熱固性屬性，局部產生固化反應，也會導致復合改性乳化瀝青乳液穩定性降低。

4)將水性環氧樹脂與SBR膠乳進行復配，能兼顧2種改性劑各自的技術優勢。在4%～10%水性環氧樹脂與4%～8%的SBR膠乳復配方案下，復合改性乳化瀝青殘留物的針入度介于60～76.4(0.1mm)、軟化點55.9～70.6℃，復合改性乳化瀝青具有優異的高溫性能。這取決于SBR改性劑優異的低溫延展性，摻加6%～8%的SBR膠乳后，復合改性乳化瀝青殘留物的5℃延度可達到18.8～33.9cm，低溫性能良好。

5)以滿足復合改性乳化瀝青1d貯存穩定性≤1%、5d貯存穩定性≤5%，恩格拉黏度E25介于2～30，5℃延度≥20cm，軟化點≥55℃，25℃針入度50～130(0.1mm)，兼顧經濟性，推薦適宜的水性環氧樹脂摻量為8%、SBR膠乳摻量為6%。

2.2 拉伸性能試驗結果及分析

拉伸試驗的試件制備方法參照JTG E20—2011中T0629—2011試驗方法進行。拉伸儀器采用WDL-50型電子拉力試驗機，拉伸試驗溫度為25℃，拉伸速率為10mm/min，試驗結果如表4所示。由表4可知：

表4 水性環氧樹脂與SBR復合改性瀝青拉伸性能試驗結果

1)不摻加水性環氧樹脂的SBR改性瀝青整體黏結強度<0.5MPa，摻加水性環氧樹脂后乳化瀝青的拉伸強度明顯增大，且隨著水性環氧樹脂摻量的增加，水性環氧樹脂改性乳化瀝青及水性環氧樹脂復合SBR改性瀝青的拉伸強度逐漸增大。4%～10%水性環氧樹脂復合4%～8% SBR改性乳化瀝青的拉伸強度1.13～2.28MPa，比4%～8% SBR單一改性乳化瀝青的拉伸強度提高3.5倍以上，增大水性環氧樹脂摻量后復合改性瀝青交聯結構體系增強，環氧樹脂固化物的熱固特性。

2)水性環氧樹脂摻量>8%和SBR膠乳摻量>6%后，繼續增大水性環氧樹脂或SBR膠乳摻量后復合改性瀝青的拉伸強度增長趨勢變緩。

3)水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青的斷裂伸長率隨著水性環氧樹脂摻量的增加逐漸減小，隨SBR膠乳摻量的增大而增大，表明增大SBR膠乳能改善復合改性瀝青的柔韌性，而水性環氧樹脂對復合改性乳化瀝青柔韌性能具有明顯的負面影響，復合改性乳化瀝青殘留物的斷裂伸長率主要取決于SBR膠乳。這主要是因為，SBR改性瀝青具有優異的低溫延展性，但水性環氧樹脂體系為熱固性材料，環氧樹脂改性瀝青的性能隨著水性環氧樹脂摻量的增加，逐漸由黏彈塑性熱塑性向熱固性轉變，使得復合材料變硬變脆、柔韌性變差，最終導致復合材料斷裂伸長率逐漸降低。

3 水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青微觀結構

固定SBR膠乳摻量為6%，變化水性環氧樹脂摻量為4%，6%，8%，10%。將水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青澆筑試模，在40℃鼓風條件下固化24h備用。采用基恩士 (中國) 有限公司生產的cossim熒光顯微在400倍物鏡下觀察水性環氧樹脂改性乳化瀝青試樣的微觀形貌(見圖1)。

圖1 水性環氧樹脂與SBR復合改性乳化瀝青試樣熒光顯微形貌

由圖1可知，隨著水性環氧樹脂摻量增大，復合改性乳化瀝青的微觀形貌逐漸發展為致密的“蜂形”連續結構。在水性環氧樹脂摻量達到10%時，水性環氧樹脂固化產物出現連續相，并在固化產物團聚后在復合改性乳化瀝青中形成明顯的“蜂形”結構。隨著水性環氧樹脂和SBR改性劑摻量增大，復合改性瀝青中的“蜂形”結構逐漸出現，隨著水性環氧樹脂摻量增大，“蜂形”結構所占體積、面積與數量逐漸增大，10%水性環氧樹脂固化后，“蜂形”結構分布逐漸連續、均勻，宏觀表現為復合改性瀝青試樣逐漸由熱塑性轉變為熱固性。

4 工程案例

根據室內研究成果，于2018年將6% SBR復配10%水性環氧樹脂改性乳化瀝青應用于瀝青混凝土橋面鋪裝防水黏結層，水泥混凝土面板銑刨7mm后，灑布水性環氧樹脂與撒布SBR復合改性乳化瀝青碎石作為防水黏結層，復合改性乳化瀝青灑布量為2～2.5kg/m2，9.5～13.2mm單粒徑碎石撒布量為9～10kg/m2，采用“兩油一料”工藝，撒布完成后養護48h，養護結束后測試拉拔強度1.2MPa，遠高于設計要求0.4MPa。目前橋面鋪裝已服役近2年，橋面瀝青混凝土鋪裝未見推移、擁包等病害，試驗段取得滿意效果。

5 結語

1)將水性環氧樹脂與SBR膠乳進行復配，能兼顧2種改性劑各自的技術優勢。在4%～10%水性環氧樹脂與4%～8% SBR膠乳復配方案下，復合改性乳化瀝青殘留物的針入度介于60～76.4(0.1mm)、軟化點55.9～70.6℃，復合改性乳化瀝青具有優異的高溫性能。這取決于SBR改性劑優異的低溫延展性，摻加6%～8% SBR膠乳后，復合改性乳化瀝青殘留物的5℃延度可達到18.8～33.9cm，低溫性能良好。

2)摻加水性環氧樹脂能增大復合改性瀝青的拉伸強度，同時也會導致復合改性瀝青變硬變脆、柔韌性降低問題。從水性環氧樹脂對復合改性瀝青拉伸強度的貢獻和對斷裂強度的負面影響考慮，綜合考慮拉伸強度與斷裂伸長率2個評價指標，推薦適宜的水性環氧樹脂摻量為6%～8%，SBR膠乳摻量為4%～8%，即可確保復合改性乳化瀝青具有足夠的拉伸強度與斷裂伸長率。

3)在水性環氧樹脂摻量達到10%時，水性環氧樹脂固化產物出現連續相，并在固化產物團聚后在復合改性乳化瀝青中形成明顯的“蜂形”結構。在4%水性環氧樹脂摻量下，“蜂形”結構逐漸出現，隨著水性環氧樹脂摻量增大，“蜂形”結構所占體積、面積與數量逐漸增大，10%水性環氧樹脂固化后，“蜂形”結構分布逐漸連續、均勻，宏觀表現為復合改性瀝青試樣逐漸由熱塑性轉變為熱固性。