水性环氧-乳化沥青材料的制备及性能研究
伍杰 苗超杰 张倩 戴天彤 胡力
【摘要】随着公路养护市场的扩大，对道路养护材料的需求也越来越大，尤其是高性能的乳化沥青材料。本文制备了一种新型的水性环氧改性乳化沥青胶凝材料，通过室内试验对材料的配比、拌和工艺和环氧掺量等参数进行了详细研究，并考察了其黏附性、黏度、粘结强度等性能指标，最后引入微观结构分析手段对材料固化的影响因素和强度形成机理进行了探索研究。
【关键词】水性环氧;乳化沥青;性能研究;微观分析
Study on Preparation and Properties of Waterborne Epoxy Emulsified Asphalt Materials
Wu Jie1，4，Miao Chao-jie2，Zhang Qian3，Dai Tian-tong1，4，Hu Li3
（1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co.， LtdChongqing400067;
2.Chongqing Expressway Group Co.， Ltd. South Operation BranchChongqing401346;
3.Chongqing Jiaotong UniversityChongqing400074;
4.National Local Joint Engineering Laboratory for Road Engineering in Mountainous AreasChongqing400067）
【Abstract】With the expansion of road maintenance market， there is a growing demand for road maintenance materials， especially high-performance emulsified asphalt materials. In this paper， a new type of waterborne epoxy modified emulsified asphalt cementitious material has been prepared. Its parameters such as proportion， mixing process and epoxy dosage of the material have been studied in detail， as well as its performance of adhesion， viscosity and bonding strength. At last， the influence factors and strength formation mechanism of material curing are investigated by means of microstructure analysis.
【Key words】Waterborne epoxy;Emulsified asphalt;Performance research;Microstructure analysis
1. 引言
截止2018年底，我國公路总里程达484.65万公里，其中养护里程达475.78万公里，占公路总里程的98.2%[1]。随着公路里程的逐年增加，公路养护工作量越来越大，对养护材料的需求也越来越大。乳化沥青作为一种道路日常养护材料，能够实现常温拌和、常温施工，具有施工简便、节能环保、受气温和湿度影响小等众多优点，因此在沥青路面病害处治和预防性养护方面得到广泛应用[2～3]。但是近年来，人们发现仅用单纯的乳化沥青作为胶结料，拌制的沥青混合料普遍存在温度适应性差、粘结性能不足、混合料强度低且强度形成较慢等缺点，不能满足高性能维修养护材料的需要，限制了乳化沥青的进一步推广应用[4]。因此，改性乳化沥青的研究逐渐成为了研究的热点[5]。环氧树脂具有粘结强度高、固化速度快、温度敏感性低等优点，与沥青的性能可以很好地优势互补，近年来成为了改性乳化沥青研究的热点对象之一，并取得较好的成果和应用[6]。本文选用一种新型的双组份水性环氧树脂对乳化沥青进行改性，并对水性环氧——乳化沥青材料的配比、制备工艺、性能和固化机理等进行研究，为水性环氧改性乳化沥青混合料的应用研究提供理论参考。
2. 水性环氧——乳化沥青制备
（1）本文的水性环氧——乳化沥青是通过水性环氧、固化剂和乳化沥青3组份混合反应而成，原材料技术指标见表1、表2。
（2）试验对不同水性环氧/固化剂添加比例以及3种组份的不同拌和顺序对环氧乳化沥青的性能影响进行了研究。分别配制4组不同环氧/固化剂比例的水性环氧乳液（环氧：固化剂=1：1、1.5：1、2：1、2.5：1），水性环氧和乳化沥青的质量比为1：2。采用两种拌和顺序，A顺序：环氧乳液+固化剂+乳化沥青;B顺序：乳化沥青+环氧乳液+固化剂。对拌和产物进行拉拔强度测试，试验结果如图1所示。
（3）测试数据显示，无论采用哪种拌和顺序，水性环氧与固化剂比例为1.5：1时得到的水性环氧——乳化沥青粘结强度最高，说明水性环氧与固化剂的最佳搭配比例为1.5：1。同时，在相同的配比情况下，B拌和顺序比A拌和顺序得到的水性环氧——乳化沥青粘结强度高，可能是因为环氧与固化剂反应较快，当采用B拌和顺序时，环氧与乳化沥青先均匀混合，然后再加入固化剂，因此反应形成的环氧树脂也均匀分散在乳化沥青体系中;当采用A拌和顺序时，环氧先与固化剂拌和而形成部分不溶的环氧树脂产物，不会与后加入乳化沥青发生交联作用，故有效的环氧树脂含量降低，因此粘结强度较B拌和顺序差。
3. 水性环氧——乳化沥青性能研究
得到环氧和固化剂的最佳搭配比例以及拌和工艺后，笔者对不同环氧树脂掺量的水性环氧——乳化沥青黏附性、黏度、粘结强度等性能进行了详细研究。分别配制了环氧树脂含量为0%、10%、20%、30%、40%、50%的几种水性环氧——乳化沥青材料进行试验。
3.1黏附性能。
（1）黏附性是评价沥青与集料抗水剥离性能的指标，因此考察水性环氧——乳化沥青材料的黏附性可以间接推测水性环氧——乳化沥青混合料的抗水损坏性能和使用耐久性。将不同环氧掺量的水性环氧——乳化沥青分别与粗集料果附，室温自然固化24h后进行黏附性测试，试验结果见表3。
（2）从表3可以看出，随着环氧树脂掺量的增加，水煮后沥青薄膜的剥落面积逐渐减少，即水性环氧——乳化沥青材料的黏附性逐渐提升，当环氧掺量为20%时材料的黏附等级达到5级，说明环氧树脂的加入明显提升了乳化沥青与集料的黏附性能。
3.2黏度性能。
（1）黏度是表征沥青粘稠程度的重要指标，可以间接反应其施工和易性。若黏度过大则导致和易性较差，若黏度太小又容易出现与集料的离析、成形较慢等缺点。本文研究的水性环氧——乳化沥青是一种常温流动状液体，在工程应用中也通常采取常温拌和、常温施工的工艺，因此试验直接在常温条件下对不同环氧掺量的水性环氧——乳化沥青材料的标准黏度进行了研究，测试结果见图2。
（2）测试结果表明，随着环氧树脂掺量的增加，水性环氧——乳化沥青的黏度逐渐增加，当环氧树脂掺量达到30%时，水性环氧改性乳化沥青黏度达到50s，超过了规范对改性乳化沥青标准黏度的要求（12～60s）。分析原因可能是两方面原因所致，一是随着环氧掺量的增加，环氧树脂自身反应形成的微粒逐渐增多，因此增加了乳化沥青体系的黏稠度;二是环氧树脂浓度增加以后，树脂间的有效碰撞几率增加，更容易反应形成树脂交聯网结构，因此环氧掺量大于20%后，乳化沥青体系的黏度急剧增加。
3.3粘结性能。
（1）沥青的粘结性是影响沥青混合料最重要的性能因素之一，良好的粘结性可以保证沥青与集料的黏附性，可以使沥青路面具有优秀的承载能力和抗形变能力。试验以材料的粘结强度为指标，研究了不同环氧掺量的乳化沥青粘结性能，将试件粘结成型并室温固化48h后进行拉拔试验测试，试验结果见图3。
（2）从图3可以看出，随着环氧树脂掺量的增加，乳化沥青材料的粘结性能逐渐提升，当环氧掺量为40%时，材料的粘结性能达到最大值（0.46MPa），再继续增加环氧掺量，粘结强度几乎不变。可能是因为环氧可以在沥青体系中形成交错的三维网状结构，初期随着环氧掺量的增加，该三维网状结构也逐步增加，故粘结性能逐渐提升;当掺量增加到40%时，环氧树脂的三维网状结构已足够密集，该结构对材料性能提升作用不再明显，因此继续增加环氧树脂掺量时，材料的粘结强度变化不大。
4. 水性环氧——乳化沥青固化影响因素研究
前面从宏观角度分析了水性环氧——乳化沥青体系的各项性能，但是对于作用机理并不清楚，水性环氧——乳化沥青体系的固化过程较为复杂，既有化学反应又有物理过程，因此本文借助荧光显微镜，对材料在不同固化时间和不同固化温度条件下的微观结构进行观察，研究其强度形成机理和性能变化原因。环氧在荧光显微镜下显蓝绿色荧光，而沥青无荧光，因此通过图片中明亮对比和亮点分布可以观察环氧和沥青的结合与分布状态。
4.1固化时间对水性环氧——乳化沥青的影响。
（1）将不同环氧掺量的水性环氧——乳化沥青材料涂于载玻片，在40℃烘箱中分别固化2h、4h、6h后进行微观结构观察，见表4。
（2）试验结果显示，水性环氧——乳化沥青材料的交联体系在2h内基本完全形成;随着环氧掺量的增加，环氧交联的程度越明显，掺量在20%以下时基本均匀分散在沥青体系中（表4，第一、二行），到30%时开始出现局部的聚集（表4，第三行），大于40%时出现严重的团聚现象（表4，第四、五行）。与图2中材料的黏度变化趋势和图3中材料的粘结强度测试结果吻合，即黏度在环氧掺量大于20%时急剧升高，粘结强度在掺量大于40%几乎不再变化。
4.2固化温度对水性环氧——乳化沥青的影响。
（1）将不同环氧掺量的乳化沥青分别在25℃、40℃、60℃条件下固化4h后进行荧光成像分析，微观结构图见表5。
（2）结果显示，随着固化温度的升高，环氧树脂的交联程度明显提升，在25℃时材料几乎都是独立分散在沥青体系中;当温度升高到40℃时，材料发生了明显的团聚和交联现象;进一步升高到60℃时，材料交联作用更加显著，可能是因为温度的升高一方面加速了环氧树脂的化学反应，另一方面也加快了乳化沥青的物理破乳速度，促使交联反应更容易发生，说明升高养护温度有助于水性环氧——乳化沥青混合料的快速成型。对比表4和表5还可以发现，固化温度比固化时间对水性环氧——乳化沥青的固化影响作用大。
5. 结论
本文研究制备了一种新型的水性环氧——乳化沥青的胶凝材料，并对其配比、拌和工艺、性能及微观固化过程进行了详细研究，结论如下：
（1）环氧树脂中环氧和固化剂的最佳配比为1.5：1，水性环氧——乳化沥青制备时推荐的拌和顺序为：乳化沥青+环氧乳液+固化剂。
（2）环氧树脂的加入可大幅提升乳化沥青的性能，但是环氧掺量过大时材料的黏度指标不符合规范要求，综合考虑性能和成本因素，推荐该水性环氧——乳化沥青材料的环氧树脂最佳掺量为20%。
（3）水性环氧——乳化沥青胶结料的固化速率受温度影响较大，通过温度调节可以实现材料的快速固化，有望用于道路快速维修养护领域。
参考文献
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