环氧树脂／聚氨酯改性乳化沥青的强度和柔韧性

2019-09-17杨国林闫兆柏王朝辉林海娟

筑路机械与施工机械化 2019年8期

杨国林，闫兆柏，王朝辉，林海娟

（1.招商局公路网络科技控股股份有限公司，北京 100022；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064；3.浙江温州甬台温高速公路有限公司，浙江温州 325000；4.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

路面在运营过程中，受大气环境、交通轴载及车辆磨损等因素的作用，其服务能力与使用寿命将逐年递减。为有效保障路面使用性能，近年来超薄磨耗层等路面预防性养护技术得到广泛的研究和应用。其中层间黏结材料性能决定预防性养护工程的使用品质，在保障路面结构承载能力、完整性和使用寿命方面起着重要的作用［1－6］。

目前应用和研究较多的层间黏结材料主要包括改性沥青和改性乳化沥青。高性能改性乳化沥青黏结料因具有良好的路用性能以及可快捷冷态施工、节约能源、安全和环保等优点，成为沥青路面预防性养护材料领域的研究热点［7－8］。除常用的 SBS、SBR以及胶粉等改性乳化沥青外，近年来国内外也陆续开展了水性环氧树脂以及水性聚氨酯改性乳化沥青黏结料的研究，如周启伟等［9］研究了水性环氧树脂乳化沥青共混物的力学性能、凝胶特性以及流变行为等性能；孙培等［10］采用直剪试验研究了水性环氧树脂改性乳化沥青、普通乳化沥青和SBS改性乳化沥青应用于抗滑磨耗层黏层中的路用性能；刘梦梅等［11］通过室内剪切试验和拉拔试验研究了水性环氧树脂改性乳化沥青材料的层间黏结性能，表明其剪切、拉拔强度明显优于高黏沥青和SBS改性沥青，且具有良好的水稳定性；常艳婷等［12］使用 MTS810试验机进行45°斜剪疲劳试验，研究不同应力水平下水性环氧乳化沥青黏结层的剪切疲劳寿命。综上可知，目前国内有关层间黏结材料的研究主要集中在采用层间剪切、拉拔试验以及剪切疲劳试验测试各类黏结材料的路用性能，缺乏对黏结材料自身强度和柔韧性的研究。

基于此，本文自制水性环氧树脂、水性聚氨酯及其复合改性沥青黏结材料，并进行其强度和柔韧性能研究，在不同温度下测试不同配比的改性乳化沥青的拉伸强度和断裂伸长率，研究水性环氧树脂和水性聚氨酯对乳化沥青性能的影响，以期为水性环氧树脂／聚氨酯改性乳化沥青黏结料在预防性养护技术领域的进一步研究和应用奠定基础。

1 试验

1.1 原材料

制备乳化沥青的原材料和改性剂包括AH－70沥青、阳离子中裂快凝型乳化剂、无机稳定剂无水氯化钙、有机稳定剂聚乙烯醇（PVA）以及盐酸等；改性剂包括双组分水性环氧树脂和水性聚氨酯，其中水性环氧树脂A组分稀释稳定性好，B组分固化剂为不含游离表面活性剂的可稀释性胺类固化剂，具有较好的稳定性，可常温快速固化。水性聚氨酯采用国产AH－1704非离子零VOC水性聚氨酯树脂。各原材料主要技术指标如表1所示。

表1 各原材料主要技术指标

1.2 改性乳化沥青的制备

采用先乳化后改性的方法进行改性乳化沥青的制备；先采用JM－L65型立式乳化沥青胶体磨制备乳化沥青，乳化剂用量为1.8%，乳液pH值为2～3，油水比为6∶1 114，无机和有机稳定剂各掺0.2%；使用时再掺加水性环氧树脂以及水性聚氨酯制备改性乳化沥青，水性环氧树脂／水性聚氨酯复合改性乳化沥青制备过程如下。

（1）将一定质量的水性环氧树脂加入乳化沥青初步搅拌混合均匀，按照一定比例加入水性聚氨酯，超声波处理5min后，继续在超声波作用下利用高速混合剪切仪以100～300r·min－1的速度低速剪切搅拌3min，使得环氧树脂、聚氨酯、沥青充分接触反应。

（2）接下来按照与水性环氧树脂A组分质量比为1∶1的比例向混合液中加入固化剂，并以500～800r·min－1的速度高速剪切搅拌3min，最后手动慢速搅拌1min消泡后得到可常温快速固化的改性浮化沥青。水性环氧树脂或聚氨酯改性乳化沥青的制备方法同理。

1.3 改性乳化沥青性能测试

1.3.1 拉伸试验

根据《树脂浇注体性能试验方法》（GB／T 2567—2008）中的拉伸性能试验方法，对改性乳化沥青的拉伸强度及断裂伸长率进行测试，拉伸速度为10mm·min－1。

改性乳化沥青中各组分掺配比例按照有效成分质量（固含量）计算，分别向制备好的乳化沥青中掺入占沥青质量0%、30%、50%、70%的水性环氧树脂（水性环氧树脂有效成分A）与B之比为1∶1），以及占沥青质量0%、10%、20%、30%的水性聚氨酯，制备不同水性环氧树脂／聚氨酯掺量的改性乳化沥青，并进行拉伸试验试件制作。将试件置于50℃恒温烘箱中分别养生24h，在5℃、25℃和50℃恒温箱中保温4h后测试不同温度下的拉伸强度和断裂伸长率。

1.3.2 老化试验

参考《路桥用水性沥青基防水涂料》（JT／T 535—2015）、《水乳型沥青防水涂料》（JC／T 408—2005）等黏结料规范，分别对黏结料拉伸试验哑铃型试件进行热老化、紫外线老化、高温强光照老化处理，然后测试试件拉伸强度和断裂伸长率，以拉伸强度和断裂伸长率保持率作为黏结料耐老化性能的评价指标。

2 试验结果

2.1 改性乳化沥青的强度和柔韧性

不同水性环氧树脂以及水性聚氨酯掺量下，改性乳化沥青性能差异主要体现在强度和柔韧性方面。拉伸强度可体现出水性环氧树脂的增强效果，断裂伸长率可体现出水性聚氨酯的增韧效果，同时2个指标也能间接体现出黏结料低温柔韧性能和耐冲击等性能。因此本文研究不同掺配比例下的改性乳化沥青在不同测试温度条件下的拉伸强度和断裂伸长率，结果如图1、2所示。

图1 伸长强度测试结果

图2 断裂伸长率测试结果

2.1.1 测试温度对拉伸强度和断裂伸长率的影响

在试验温度范围内，改性乳化沥青的拉伸强度随着测试温度的升高而降低，5℃条件下拉伸强度约为50℃拉伸强度的2倍。在相同的水性环氧树脂／水性聚氨酯掺量下，随着测试温度的升高，黏结料断裂伸长率逐渐增大。测试温度在5℃～25℃时断裂伸长率增长幅度小于测试温度在25℃～50℃时的增长幅度，这表明随着测试温度的升高，改性乳化沥青中沥青自身的感温特性开始表现，其强度逐渐降低，表现出良好的延展性。50℃下随着水性环氧树脂掺量的增加，改性乳化沥青拉伸强度增加明显；5℃低温下随着水性聚氨酯掺量的增加，改性乳化沥青断裂伸长率增长显著。

2.1.2 水性环氧树脂掺量对拉伸强度和断裂伸长率的影响

未掺加水性聚氨酯的条件下，随着水性环氧树脂掺量的增加，改性乳化沥青的拉伸强度逐渐增加，同时其断裂伸长率急剧减小。当水性聚氨酯掺量相同时，随着水性环氧树脂掺量的增加，复合改性乳化沥青的强度不断增加，水性环氧树脂掺量为70%的改性沥青拉伸强度约为掺量为30%时的2倍，同时复合改性乳化沥青断裂伸长率逐渐降低。当水性环氧树脂掺量达70%时，水性环氧树脂改性乳化沥青的断裂伸长率降至10%以下，基本失去弹性，表现出很强的脆性特征。这说明水性环氧树脂能显著改善黏结料自身强度，但其掺量超过50%后拉伸强度增加幅度降低，且过高掺量下表现出环氧树脂自身柔韧性差的特征，建议水性环氧树脂掺量不超过50%。

2.1.3 水性聚氨酯掺量对拉伸强度和断裂伸长率的影响

未掺加水性环氧树脂时，随着水性聚氨酯掺量的增加，改性乳化沥青拉伸强度略微增加，同时低温断裂伸长率增加显著，高温条件下断裂伸长率几乎无变化。相同水性环氧树脂掺量下，随着水性聚氨酯掺量增加，复合改性乳化沥青的拉伸强度有所降低，断裂伸长率逐渐增加。随着水性环氧树脂掺量的增加，水性聚氨酯对位伸强度影响幅度减小；增加水性聚氨酯掺量时复合改性乳化沥青断裂伸长率增长幅度亦逐渐降低。当水性环树脂氧掺量达到70%，增大水性聚氨酯掺量对断裂伸长率的改善并不明显，表明增加水性聚氨酯掺量对黏结料拉伸强度影响较小，但黏结料断裂伸长率得到显著提升。在试验研究范围内，随着水性聚氨酯掺量增加，改性乳化沥青断裂伸长率增长幅度略微降低，建议水性聚氨酯掺量为30%。

综合以上分析可知，水性环氧树脂的掺加能提高乳化沥青黏结料的高温黏结强度，水性聚氨酯的掺加能改善其低温柔韧性；当水性环氧树脂掺量为50%，水性聚氨酯掺量为30%时，复合改性乳化沥青25℃拉伸强度可达1.1MPa以上，5℃断裂伸长率可达150%以上，表现出较好的强度和柔韧性，推荐以上配比作为预防性养护封层黏层材料，并对以上配比黏结料进行老化性能研究。

2.2 老化后强度和柔韧性

分别将水性环氧树脂掺量为50%、水性聚氨酯掺量为30%的复合改性乳化沥青黏结料拉伸试件进行高温老化、紫外线老化和高温强光照老化处理，测试其老化后的拉伸强度和断裂伸长率，并与未老化处理的对照试件进行对比，结果如图3所示。

由图3可知，与对照试件相比，3种老化条件作用下黏结料拉伸强度和断裂伸长率均略有降低，紫外线老化后降低最明显，其次为高温老化和高温强光照老化；高温老化拉伸强度和断裂伸长率保持率分别为96.4%和93.5%，紫外线老化分别为85.9%和83.2%，高温强光照老化分别为89.3%和85.4%。不同条件老化后，改性乳化沥青的拉伸强度保持率和断裂伸长率保持率均在83%以上，高于规范70%的要求，表明改性乳化沥青均具有良好的耐老化性能。