水性环氧改性乳化沥青的制备及其性能研究

柳中万，夏新武，张 军，任 浩，成 猛,黄绍龙

(1.湖北长江路桥有限公司路面分公司，武汉 430207;2.宜昌砼富公路养护有限公司，宜昌 443007；3.湖北大学材料科学与工程学院，武汉 430062;4.中南安全环境设计研究院有限公司，武汉 430051)

微表处具有施工周期短、开放交通快、绿色无污染等特点是目前应用最广泛预防性养护技术[1]。但基质乳化沥青粘结力差、抗剥落以及抗水损害能力差等问题，已经难以满足如今的路面养护要求。针对传统沥青类材料感温性高、粘结能力不足、耐久性不佳等缺点，通过引入环氧树脂可以获得更高强度、更高粘结力以及耐久性好等优良性能。环氧乳化沥青是一种通过精确组分和相态设计经化学反应形成的多组分、互穿网络三维立体结构的热固性复合材料[2]，兼备了环氧树脂和沥青两种材料的优点，是一种具有高强度、高粘结力的复合沥青，强度是普通沥青的三到四倍。环氧乳化沥青微表处与普通乳化沥青微表处对比具有强度高、高温稳定性好、层间结合好、抗疲劳性能好、耐久性好等众多优点。如郑木莲[3]等通过水性环氧、SBR胶乳对乳化沥青复合改性，大大提高了乳化沥青的路用性能。如袁世刚[4]等通过实验发现随着水性环氧树脂的掺量增加，改性效果越好，但当水性环氧树脂掺量过大时其离析也会越发明显，即环氧树脂存在最佳掺量。该文主要研究其应用在微表处方面的性能研究[5,6]。

1 原材料技术指标

1.1 乳化沥青

试验采用宜昌砼富公司生产的SBR乳化沥青，技术指标见表1。

表1 SBR乳化沥青的主要指标

1.2 水性环氧树脂和水性固化剂

试验中水性环氧树脂和水性环氧固化剂的部分参数性状见表2、表3。

表2 水型环氧树脂的部分参数

表3 水性固化剂的部分参数

2 结果和分析

2.1 不同添加方式的影响

实验将水性环氧树脂以不同掺入方式加入到改性乳化沥青中，观察不同添加方式对其性能的影响。试验中水性环氧采用了三种不同的添加方式:第一种是将水性环氧树脂掺入到改性乳化沥青中，将固化剂掺入到水中；第二种是将水性环氧树脂和固化剂按比例混合后掺入到改性乳化沥青中；第三种是将水性环氧树脂和固化剂按比例混合后掺入到水中。水性环氧树脂(A)和水性固化剂(B)的比例按生产厂家推荐为1∶1.3，掺量为3%，根据经验油石比确定为5.5%，水泥添加量为1.5%。试验结果见表4。

表4 不同掺入方式对其性能的影响

通过对比添加方式看出，第一种添加方式效果最佳，第二种添加方式效果次之，第三种添加方式效果最差。分析可能是当环氧树脂和固化剂一经拌合后开始产生固化产物，其产物与沥青产生了离析，但由于水性环氧树脂的掺量较少，离析现象并不明显，水性环氧树脂的改性效果不明显，所以第三种添加方式的改性效果最差。对比SBR微表处，水性环氧树脂的添加，还是明显的提高了微表处混合料的抗水损害性能。

2.2 乳化沥青蒸发残留物性能

按上文选择添加顺序制备水性环氧树脂掺量分别为1%、3%、5%、7%、10%的水性环氧乳化沥青，根据JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[7]对其蒸发残留物的针入度、延度和软化点进行检测。试验结果见图1。

由图1(a)可看出,加入水性环氧树脂能提高其蒸发残留物的软化点;当水性环氧树脂掺量小于5%时,蒸发残留物软化点变化不大,而当水性环氧树脂掺量在5%～10%时 ,蒸发残留物的软化点增大。当水性环氧树脂的掺量较低时,环氧固化后形成的三维网状结构不足以贯穿整个沥青结构，因此环氧树脂起到的改性作用很小，对软化点的影响并不明显；而当水性环氧树脂的掺量继续增加时，环氧树脂与固化剂反应所产生的固化产物贯穿整个沥青结构,而环氧树脂分子间在外力作用下也能形成了新的化学键,这些化学键具有很强的热固性,从而使得蒸发残留物的软化点得到提升。由图1(b)可看出,当水性环氧树脂的掺量提高,其蒸发残留物的低温延度先增加后降低,当水性环氧树脂的掺量达到7%以后，其蒸发残留物的延度出现大幅度的降低。当水性环氧树脂掺量较低时，固化产物较少，对试样的性能影响较小；只有当水性环氧树脂的掺量达到一定程度时，水性环氧树脂的固化交联反应成为主导反应,其固化产物遍布整个沥青薄膜，固化产物的热固性则导致了试样的低温延度下降。由图1(c)可以看出,改性乳化沥青的蒸发残留物的针入度随着水性环氧树脂掺量的增加表现出先增大后减小的趋势,当水性环氧树脂掺量超过6%后,改性乳化沥青的蒸发残留物的针入度开始减小。

2.3 抗耐磨性能

在微表处施工中，需要检测轮胎与微表处路面的磨耗，按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[7]制备试件，以浸水1 h的湿轮磨耗值来评价微表处路面的抗耐磨性能。采用MS-3型级配，石料选用玄武岩石料，填料选用水泥，油石比根据经验公式确定为5.5%成型试件来研究水性环氧树脂对微表处混合料耐磨耗性能的影响规律。试验结果见图2。

从图2可看出，随着水性环氧树脂掺量的增加，湿轮磨耗值随之减小，试件的抗耐磨耗性能得到增强，这是由于随着环氧树脂与固化剂的反应，在沥青中形成了三维网状结构，分布在沥青薄膜中，其固化产物具有一定的力学强度，使沥青混合料的抗冲击性能得到提升，抗磨耗性能增加，磨耗值的减小也表明沥青与集料的粘附性得到提升。当水性环氧树脂的掺量继续增加时，试件变硬且磨耗后的试件表面有明显的裂纹产生。这是因为当水性环氧树脂掺量过大后，树脂完全固化后，产生较多的固化产物导致沥青本身的弹性性能大幅减小，使得磨耗后试件产生了裂纹。

2.4 抗车辙性能

车辙作为沥青路面常见病害之一，是路面在行车反复作用下产生的凹槽。微表处是预防性养护的一种方法，可以替代热拌沥青混合料填补车辙，一般厚度在4～10 mm，矿料级配偏细，但可能在轮胎的碾压下重新产生车辙，所以，当微表处混合料用于填补车辙时需要测定其的抗车辙能力。按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中T 0756进行稀浆混合料车辙变形试验[7]。根据公路沥青路面施工技术规范JTG F40—2004对微表处混合料的技术要求是轮迹宽度变化率小于5%[8]，试验结果如图3所示。

从图3可以看出，混合料的车辙宽度变形基本都符合沥青路合施工技术要求，当水性环氧树脂的掺量逐渐增加时，轮迹的宽度变形率随之相应减小，混合料的抗车辙性能也相应得到提升。环氧树脂和固化剂反应后所产生的固化产物具有一定的力学强度，增强了微表处混合料的整体的强度，故而使得微表处混合料的抗车辙能力得到增强。

3 结 论

根据残留物性能检测、湿轮磨耗试验和车辙变形的试验结果，得出以下主要结论:

a.水性环氧树脂和固化剂要分开加入，提前混合后加入会对其性能有影响；将水性环氧树脂掺入到改性乳化沥青中，将固化剂掺入到水中，使用后性能比较好。

b.随着水性环氧树脂加入，其乳化沥青的蒸发残留物的软化点明显提高，延度先增加后降低，针入度先增加后降低。适当的掺加水性环氧树脂可以改善乳化沥青的性能，而过量掺加水性环氧树脂则会降低沥青的部分基本性能，在该文掺量变化范围内，加入5%的水性环氧树脂混合料综合性能最佳。

c.随着水性环氧树脂的加入，混合料的耐磨耗性能和抗车辙性能得到提升，满足微表处的路用性能。