制备方法与水性环氧树脂掺量对乳化沥青性能影响研究

刘亚洲， 王银燕

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆渝奥工程项目管理有限公司， 重庆 400067)

水性环氧树脂乳化沥青主要由水性环氧树脂、基质沥青、乳化剂及助剂组成，其性能主要受制备方法及原材料性质影响[1-4]。相较于基质乳化沥青，水性环氧树脂乳化沥青具有粘附性好、固化物强度高、热稳定性好等优良性能[5-7]。为充分利用其性能优势，研究了不同水性环氧乳化沥青制备方法与水性环氧树脂掺量对乳化沥青分散性、稳定性、胶结性能的影响，通过粒度分析评价其分散性，离心稳定试验快速评定其存储稳定性，粘结强度试验与抗剪强度试验评价其胶结性质，以确定水性环氧树脂作为乳化沥青改性剂的最佳掺量，分析评价水性环氧树脂乳化沥青制备方法的适用性。

1 原材料

1.1 水性环氧树脂

水性环氧树脂体系[8]由水性环氧树脂(A组分)与固化剂(B组分)组成，通常分为柔性水性环氧树脂与刚性水性环氧树脂2类。其中，柔性水性环氧树脂破乳速度快，适用于低温脆性要求高及需缩短开放交通时间的工况[6]。本文采用非离子型柔性水性环氧树脂，技术指标如表1所示。

表1 水性环氧树脂性能指标

1.2 基质乳化沥青

结合相关规范对拌和乳化沥青固含量的要求以及以往工程经验，乳化沥青固含量取60%，其相关技术指标如表2所示。

表2 乳化沥青技术指标

1.3 稳定剂

选择使用WD2阴离子型乳化沥青稳定剂，该稳定剂呈白色粉末状，能够明显改善乳化沥青稳定性及粘度。将稳定剂(按生产乳化沥青的用量比例)按1∶300(稳定剂∶水)加入水中，充分溶解后再加入乳化剂水溶液中。

2 水性环氧乳化沥青制备方法及配比设计

2.1 制备方法

乳化沥青的改性方式根据乳化与改性先后顺序的不同通常有3种形式[9-11]，如表3所示，本文采用水性环氧树脂作为改性剂。

表3 水性环氧乳化沥青制备方法

对比表3中3种不同的改性乳化沥青制备方法，乳化改性沥青的制备难度最大，主要是[12]：1) 在基质沥青中掺入改性剂，其整体粘度有较大的提高，分散难度加大；2) 胶体磨不仅需对乳化沥青进行剪切，还需将改性剂剪切碾磨细小，若胶体磨的功率比较低，一般难以完成，故一般试验研究较少采用这种制备方法。本文主要针对表3中前2种制备方法对乳化沥青性能影响进行研究。

2.2 配比设计

在2种不同制备方法下，外掺5%～20%(步长5%)的水性环氧树脂至乳化沥青中，配比设计如表4所示，研究随水性环氧树脂掺量的变化，乳化沥青的分散性、存储性、胶结性能，并综合分析其性能，确定最佳的水性环氧树脂在乳化沥青中的掺配比例及最佳的制备方法。

表4 水性环氧乳化沥青各组分比例

3 不同制备方法与水性环氧树脂掺量对乳化沥青的性能影响

乳化沥青的性能主要为分散性、存储稳定性以及胶结性能。本文采取边乳化边改性和先乳化后改性2种水性环氧乳化沥青制备方法，按照表4的配比设计，制备水性环氧树脂掺量分别为5%、10%、15%、20%的4种水性环氧乳化沥青，基质乳化沥青(水性环氧树脂掺量为0)作为对照组，采用激光粒度分析试验、离心稳定试验、粘结强度试验与抗剪试验分别评价乳化沥青分散性、存储稳定性、胶结性能的变化[13-18]。

3.1 乳化沥青分散性

乳化沥青颗粒粒径大小是乳化沥青质量控制的重要参数之一，颗粒越小，粘度越大，分布越均匀，与集料的裹附性越好，乳化沥青的分散性越好[19]。通过激光粒度试验测定沥青颗粒的粒度来表征乳化沥青的分散性，使用激光粒度分布仪的湿法测试，其试验过程：1) 设定测定内容为沥青，介质为水；2) 对水进行清除气泡处理后，分别在制备好的5种乳化沥青中用滴管取1滴加入分散及循环系统中，全自动测定，结果如图1所示。

由图1可知，当水性环氧树脂掺量为0时，测定得到基质乳化沥青平均粒径为3.32 μm，采用改性乳化沥青方法制备的水性环氧乳化沥青，均比边乳化边改性方法所制的沥青颗粒粒径小，说明掺水性环氧树脂可提高乳化沥青的分散性。当水性环氧树脂掺量从5%增加至20%时，2种制备方法得到的乳化沥青颗粒粒径均比基质乳化沥青颗粒粒径小，且均表现为随水性环氧掺量增加，乳化沥青粒度呈先逐增后逐减的趋势；但边乳化边改性方法是同时乳化改性，制备得到的水性环氧乳化沥青基本在3.0 μm，颗粒粒径更加稳定，说明该方法所制乳化沥青的分散性受水性环氧树脂掺量影响较小。

图1 在不同制备方法下粒度随水性环氧树脂掺量的变化

3.2 存储稳定性

水性环氧乳化沥青存储稳定性良好的表征是其能够长期保存且不破乳。在JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中，乳化沥青储存稳定性试验方法为T 0655-1993，但该法用于测定乳化沥青长期稳定性效率较低。为此，本文采用离心机试验模拟测定其长期存储性能[19]，试验过程如下：1) 将30 g水性环氧树脂乳液、基质乳化沥青注入离心管；2) 以3 000 r/min～5 000 r/min(步长500 r/min)转速离心10 min；3) 测定离心管底部固体质量；4) 选择沉底质量中间值的转速作为测定水性环氧乳化沥青存储稳定性的试验转速。离心管内基质乳化沥青与水性环氧树脂乳液残余量随离心速度变化的关系如图2所示。

图2 不同转速下离心残余量随离心速度的变化

分析图2可知，随着离心机转速从3 000 r/min提升至5 000 r/min，基质乳化沥青离心管中残余固体含量呈线性增加，而水性环氧树脂乳液未曾出现离心沉淀物，表明该水性环氧树脂乳液稳定性良好，优于所制备的基质乳化沥青。当转速为4 000 r/min 时，测试得到残余量为3 000 r/min～5 000 r/min 试验转速下残余量的中间值。为此，以转速 4 000 r/min作为测定水性环氧乳化沥青存储稳定性的试验转速，测定得到不同制备方法下离心管中残余量与水性环氧树脂掺量的变化关系，如图3所示。

图3 相同转速不同水性环氧树脂掺量下离心残余量

由图3可知，整体上，随水性环氧树脂掺量的增加，2种制备方法下的水性环氧乳化沥青的残余量逐渐降低，表明其离心稳定性逐渐增加，且改性乳化沥青方法所制备的乳化沥青离心稳定性较边乳化边改性方法好。据此，选用改性乳化沥青方法制备水性环氧乳化沥青更适宜于长期储存，乳化沥青中掺入一定量的水性环氧树脂有利于提高其稳定性。

3.3 胶结性能

抗拉与抗剪强度是评价沥青胶结性能的关键指标[14]，本文采取砂浆试件拉伸粘结强度试验与马歇尔直剪试验分别评价乳化沥青抗拉伸能力与抗剪能力。

1) 抗剪强度

抗剪强度试验过程如下：(1) 采用标准方法养护成型的AC-13马歇尔试件；(2) 在试件上涂抹足够的乳化沥青，并置于直剪仪两端；(3) 启动万能试验机施加轴向压力，记录试件破坏时的最大荷载Fmax；(4) 计算得出切应力，即为抗剪强度τ=F/1.621 5 MPa，F为竖向荷载，N。根据抗剪强度随改性乳化沥青制备方法与水性环氧树脂掺量变化的抗剪强度试验数据，得到乳化沥青抗剪强度在2种制备方法下随水性环氧树脂掺量的变化关系，如图4所示。

由图4可知，乳化沥青抗剪强度随水性环氧树脂掺量的逐渐增加，采用改性乳化沥青方法和边乳化边改性方法制备的乳化沥青的抗剪强度由0.59 MPa分别增至1.38 MPa、1.54 MPa，抗剪强度增长率分别为134%、163%，平均每增加1%的水性环氧树脂掺量，抗剪强度分别提升6.7%、8.1%。由试验结果可知，边乳化边改性方法制备的水性环氧树脂乳化沥青抗剪强度较改性乳化沥青方法更优。

图4 抗剪强度随制备方法与水性环氧掺量的变化

2) 拉伸粘结强度

现有规范、规程暂无乳化沥青拉伸粘结强度测定方法，本文参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中砂浆拉伸强度试验测定沥青拉伸粘结强度。试验过程如下：(1) 制备水泥砂浆试块，涂敷乳化沥青；(2) 将2个试件对齐粘结，置于涂有环氧树脂强力胶粘剂的金属夹具间，50 ℃养护48 h；(3) 使用万能试验机做拉伸试验，加载速度为5 mm/min，记录界面破坏时的最大荷载Fmax；(4) 计算拉伸粘结强度fat=Fmax/A，A为粘结面面积，mm2。依据乳化沥青拉伸粘结强度随改性乳化沥青制备方法与水性环氧树脂掺量变化的试验数据，得到2种制备方法下乳化沥青拉伸粘结强度随水性环氧树脂掺量的变化关系，如图5所示。

图5 拉伸粘结强度随制备方法与水性环氧树脂掺量的变化

由图5可知，随水性环氧掺量的增加，改性乳化沥青方法和边乳化边改性方法制备的乳化沥青的拉伸粘结强度从0.34 MPa分别增至0.79 MPa、0.85 MPa，拉伸粘结强度增长率分别为130%、149%,平均每增加1%的水性环氧树脂掺量，拉伸粘结强度分别提升6.5%、7.4%。由试验结果可知，边乳化边改性方法制备的水性环氧树脂乳化沥青拉伸粘结强度优于改性乳化沥青方法。改性乳化沥青方法前期强度增长稍慢，当水性环氧树脂掺量超过10%时，其拉伸粘结强度增大并保持稳定；边乳化边改性方法的拉伸粘结强度呈线性增长。

综上分析得到，随水性环氧树脂掺量增加，乳化沥青抗剪强度与粘结拉伸强度逐渐增加，边乳化边改性方法所制备的水性环氧乳化沥青性能优于改性乳化沥青方法。

4 结论

1) 通过激光粒度试验数据分析，2种制备方法得到的乳化沥青颗粒粒径均比基质乳化沥青颗粒粒径小，掺入水性环氧树脂可提高乳化沥青分散性；改性乳化沥青方法得到的水性环氧树脂乳化沥青颗粒粒径更小，乳化沥青分散性更好；边乳化边改性方法受水性环氧树脂掺量影响,较改性乳化沥青方法小。

2) 离心稳定性试验表明，随水性环氧乳化沥青掺量增加，乳化沥青离心稳定性逐渐增加，改性乳化沥青方法所制备的水性环氧乳化沥青略微优于边乳化边改性方法制备得到的水性环氧乳化沥青。

3) 抗剪强度与拉伸粘结强度试验表明，随水性环氧掺量增加，乳化沥青抗剪强度与拉伸粘结强度逐渐增加，边乳化边改性方法所制备的水性环氧乳化沥青性能优于改性乳化沥青方法。

4) 综合分析，采用边乳化边改性方法所制备得到的水性环氧乳化沥青具有更好的胶结性能；采用先乳化后改性方法制备得到的水性环氧乳化沥青其分散性、存储稳定性更好；水性环氧树脂推荐掺量为外掺20%，制备得到的水性环氧乳化沥青会具有较好的技术性能和经济性。