水性增黏樹脂改性乳化瀝青室內試驗研究

鄒武坤，李剛華，趙夢珍，石志欣，周啟偉

（1.吉安市公路勘察設計院，江西 吉安 343000；2.吉安市公路建設和養(yǎng)護中心泰和分中心，江西 吉安 343000；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶市 400067；4.重慶交通大學，重慶市 400074）

0 引言

截至2022 年，我國高速公路通車總里程超16 萬km，居世界第一。隨著路網的持續(xù)完善，高速公路進入了養(yǎng)護快速發(fā)展時期。改性乳化瀝青作為養(yǎng)護核心材料，是養(yǎng)護領域的研究熱點。大量工程實踐表明[1-3]，采用SBR、SBS、水性環(huán)氧樹脂、增黏樹脂等制備高性能改性乳化瀝青，對改善養(yǎng)護維修路面的層間黏結性能和綜合路用性能、提高路面養(yǎng)護品質具有重要意義。

增黏樹脂具有應用便捷、黏附性高、適用性強等特點，被作為優(yōu)異的黏結材料應用于涂料工業(yè)、橡膠工業(yè)和土木工程中。研究表明[4]，增黏樹脂（C9 石油樹脂）能夠在瀝青中形成交聯網絡結構，從而提高改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能。李永紅等[5]發(fā)現增黏樹脂顆粒能顯著提高基質瀝青的高低溫性能、黏附性和黏結強度，但用量不宜過多，否則會影響乳化瀝青體系的穩(wěn)定性，并推薦冷再生混合料中應用時最佳摻量為12%～15%。周啟偉等[6]對增黏樹脂顆粒改性乳化瀝青的反應機理進行研究得出，樹脂摻量為15%時與瀝青達到飽和狀態(tài)，形成致密的交聯網狀結構；紅外光譜分析得出，樹脂與乳化瀝青之間僅為物理共混，無化學反應發(fā)生。然而，目前尚未見有關水性增黏樹脂改性乳化瀝青的報道。

本文研究了水性增黏樹脂改性乳化瀝青的宏觀性能、力學特性和相結構，并確定了適宜的增黏樹脂摻量，為水性增黏樹脂改性乳化瀝青在工程中的應用提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

選用金陵70#瀝青制備乳化瀝青，乳化劑為進口慢裂快凝型乳化劑Q3，用量為2%。室內制備完成的乳化瀝青技術參數見表1。

表1 乳化瀝青技術參數

增黏樹脂為上海某公司生產的大分子水性樹脂乳液，固含量為55%，25℃黏度為200～1 500 cp，粒徑不大于2 μm，pH 為3～8。

1.2 增黏樹脂改性乳化瀝青制備

將不同摻量的水性增黏樹脂與乳化瀝青在常溫25℃下混合均勻，攪拌時間為25 min，攪拌速率為1 200 r/min，即得到改性乳化瀝青。增黏樹脂摻量分別為乳化瀝青質量的10%、15%、20%、25%，不含增黏樹脂的原樣乳化瀝青為對照組，制備過程如圖1 所示。

圖1 改性乳化瀝青制備過程示意圖

1.3 室內試驗

（1）常規(guī)性能試驗。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物進行軟化點、15℃延度、25℃針入度試驗。

（2）力學性能試驗。利用基于水泥混凝土板的25℃拉拔強度試驗和25℃斜剪試驗分析水性增黏樹脂改性乳化瀝青分子內聚力即力學性能。在10 cm×10 cm×3 cm 的水泥混凝土板塊上分別刷涂不同樹脂摻量的改性乳化瀝青，用量為0.3 kg/m2。之后將試件放入45℃烘箱中靜置24 h。待水分完全蒸發(fā)后進行拉拔試驗和45°斜剪試驗，測試溫度為25℃，獲取試件的拉拔強度和剪切強度。測試方法參考《城市橋梁橋面防水工程技術規(guī)程》（CJJ 139—2010）。斜剪試驗如圖2 所示。

圖2 斜剪試驗

（3）熒光顯微鏡試驗。采用LW300LFT-LED 熒光顯微鏡觀測不同增黏樹脂摻量下乳化瀝青的相結構組成，放大倍數為400 倍，藍光模式，分析增黏樹脂改性乳化瀝青的細觀機理。

2 試驗結果與分析

2.1 蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能

不同增黏樹脂摻量的改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能如表2 和圖3 所示。由結果可知，當增黏樹脂摻量較低時，改性乳化瀝青的軟化點增幅較小；隨摻量增加至20%時，軟化點明顯提高；摻量為25%時，軟化點增幅最大，說明增黏樹脂能有效提高改性乳化瀝青的高溫性能。這是由于增黏樹脂在瀝青中發(fā)生了脫氫反應，導致混合體系中芳香度增大，進而提高了乳化瀝青的高溫穩(wěn)定性[6]。

圖3 增黏樹脂改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能結果

表2 增黏樹脂改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能指標

加入10%的增黏樹脂后，改性乳化瀝青的針入度比原樣乳化瀝青增大。隨增黏樹脂摻量進一步增加，針入度逐步下降，意味著改性乳化瀝青逐漸變硬。摻量為25%時，相比原樣乳化瀝青，針入度大幅降低，說明摻入25%的增黏樹脂對提升乳化瀝青高溫性能有積極作用。

改性乳化瀝青的延度隨增黏樹脂摻量的增加快速下降，在15%～20%之間出現延度下降平臺區(qū)；而后在摻量為25%時，延度低于10 cm，表明改性乳化瀝青的低溫抗裂性能大幅降低，推測與增黏樹脂的熱塑性增加了乳化瀝青脆性，以及增加的芳香族化合物有關。從蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能角度來看，推薦增黏樹脂摻量為20%左右，有利于獲得性能較為優(yōu)異的改性乳化瀝青。

2.2 層間黏結性能

添加不同摻量增黏樹脂的改性乳化瀝青拉拔試驗結果如圖4 所示。

圖4 拉拔試驗現象

改性乳化瀝青的25℃黏結強度和剪切強度如表3 和圖5 所示。由此發(fā)現，隨增黏樹脂摻量的提高，黏結強度和剪切強度均呈先快速增大后緩慢增長的趨勢，并在摻量為15%時增長速率達到最大，說明改性乳化瀝青抵抗層間黏結破壞和抵抗層間剪切破壞的能力得到了有效提升。增黏樹脂摻量增加，改性體系的黏性小分子含量增多，有利于乳化瀝青內部形成穩(wěn)固的黏性大分子結構。此外，剪切強度普遍高于黏結強度，是因為拉拔試驗過程中施加的拉力主要作用于瀝青材料本身；而在斜剪試驗過程中，層間的摩阻力和剪切角等因素會對剪切強度造成影響。該現象與王晶等[7]和李嘯華等[8]的研究結果一致。

圖5 增黏樹脂改性乳化瀝青的黏結強度與剪切強度（25℃）

表3 增黏樹脂改性乳化瀝青的黏結強度與剪切強度（25℃）

2.3 相結構

對不同增黏樹脂摻量的改性乳化瀝青熒光顯微結構進行研究，結果如圖6 所示。未添加增黏樹脂時，顯微鏡視野中未出現明顯的聚合物熒光結構；添加增黏樹脂后，視野中出現分布均勻的熒光亮點和較小的不規(guī)則結構。增黏樹脂摻量為10%時，增黏樹脂作為分散相存在于作為連續(xù)相的瀝青中，彼此相互獨立，互不交聯。增黏樹脂摻量增加到15%時，開始出現部分交聯結構。增黏樹脂摻量為20%時，交聯結構明顯增加，此時的交聯結構相比于15%摻量時更加緊湊。結合蒸發(fā)殘留物軟化點試驗結果可知，改性乳化瀝青高溫性能出現明顯提升的原因是改性體系中形成了大量交聯網絡結構。當摻量繼續(xù)增加至25%時，出現較大的亮片結構，發(fā)生類似聚合物團聚的現象，交聯網絡結構更加密集，由此導致改性乳化瀝青的高溫性能和層間黏結性能提高，但同時造成低溫延度的明顯下降。

圖6 不同摻量增黏樹脂對改性乳化瀝青相結構的影響（400 倍）

3 結論

（1）水性增黏樹脂摻量的提高對乳化瀝青軟化點的提升有積極作用，對低溫延度有不利影響。摻量小于20%時，改性乳化瀝青的針入度相比未改性的乳化瀝青有所增加。建議實際工程中控制增黏樹脂摻量在15%～20%。

（2）添加增黏樹脂的改性乳化瀝青具有良好的抵抗層間黏結破壞和剪切破壞能力。增黏樹脂摻量與25℃黏結強度和25℃剪切強度均有較好的正相關。

（3）隨增黏樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青中逐漸形成交聯網絡結構，對提高其高溫穩(wěn)定性和層間黏結性能有重要作用。增黏樹脂摻量為25%時，改性體系中出現類似聚合物團聚的現象，不利于發(fā)展改性乳化瀝青的低溫抗裂性能。