水性环氧乳液改性乳化沥青及微表处性能研究

2022-10-29李悦赵晨轶黄舟吴玉生金彩云

新型建筑材料 2022年10期

李悦，赵晨轶，黄舟，吴玉生，金彩云

（1.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2.中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司，福建厦门 361026；3.北京工业大学理学部，北京 100124）

0 引言

近年来，我国的公路建设高速发展，汽车载重量增加，交通量剧增，公路养护需求呈现快速增长的趋势[1]。因此，开发新型的路面养护材料具有重要社会效益。微表处是我国公路预防性养护技术手段之一，可有效修补路面的轻微损坏，提高路面的抗滑耐磨性能及防水抗渗性能，且工艺简单，能耗小，能够快速恢复交通[2-3]。微表处的强度主要来自于沥青与集料之间的粘结力，因此乳化沥青是微表处混合料性能的关键[4]，但普通乳化沥青存在粘结强度低、柔韧性和稳定性差等缺点[5]。所以，对乳化沥青进行改性是提升微表处综合性能的关键。

水性环氧树脂是以环氧树脂微粒为分散相和以水为连续相的液相体系材料，可在室温条件下及潮湿环境中固化，同时保留了环氧树脂强度高和粘结力强的特点[6]。Zhang等[7]研究表明，水性环氧的加入可提高乳化沥青的耐高温性能及蒸发残留物的物理力学性能，但水性环氧掺量高于3%时会损害其低温性能。王佳炜[8]和周启伟等[9]证明，在适当比例下水性环氧与乳化沥青具有良好的相容性，将水性环氧乳化沥青用于微表处中，可有效提高微表处混合料的综合性能。季节等[10]和吕建伟等[11]研究得出，水性环氧树脂的加入显著改善了混合料的耐高温性能，但对低温性能产生了不利影响，当水性环氧树脂掺量为6%时，混合料的耐磨耗、抗车辙及耐水损性能最佳。Liu等[12]研究证明，水性环氧是比丁苯橡胶（SBR）更优良的微表处改性剂，改性后的微表处具有良好的路用性能及耐久性能。Han等[13]确定了不同种类石料的最佳油石比，得出在12%的最佳环氧掺量下，微表处混合料具有优良的综合性能。李秀君等[14]应用多级嵌挤级配理论对微表处级配进行优化，得出水性环氧树脂掺量为5%～7%时可显著提高微表处的耐磨耗、耐水损和抗车辙变形性能。郑木莲等[15]对不同水性环氧树脂掺量下的微表处混合料的耐久性进行评价，认为水性环氧掺量为8%时具有最佳的耐久性。

综上，水性环氧改性乳化沥青及微表处还缺乏系统研究，如微表处混合料大多采用MS-3型级配，对MS-2型级配鲜有研究报道；对微表处混合料的路用性能评价研究较多，但配合比设计方面的研究较少，微观结构研究不足。为此，本文研究了水性环氧乳液对乳化沥青的改性机理和改性后的综合性能，并用其制备MS-2型微表处混合料，将分散破乳剂引入微表处中，确定了各组分的最佳掺量，并对其路用性能进行了评价。

1 试验

1.1 原材料

水性环氧乳液（WER）、水性环氧固化剂：自制，主要技术性能见表1；阳离子型乳化石油沥青：漳州新立基沥青有限公司，主要技术性能见表2；矿料：玄武岩，MS-2型级配（见表3）；填料：P·Ⅰ42.5水泥；添加剂：自制阴离子聚羧酸分散破乳剂，其主要技术性能见表1。

表1 水性环氧乳液、水性环氧固化剂和分散破乳剂的主要技术性能

表2 乳化沥青的主要技术性能

表3 矿料的级配

1.2 制备工艺

（1）WER改性乳化沥青的制备：先将阳离子型乳化石油沥青和WER混合进行机械搅拌，充分搅拌均匀后得到水性环氧乳化沥青混合乳液。把水性环氧固化剂加入上述混合乳液中（水性环氧固化剂用量=WER用量×水性环氧固化剂活泼氢当量×WER环氧值/100），搅拌均匀即得WER改性乳化沥青。WER和水性环氧固化剂均以乳化沥青的质量为基准内掺。

（2）MS-2型微表处混合料的制备：持续搅拌下依次加入矿料、填料、水、分散破乳剂、WER改性乳化沥青，充分混合后制得WER改性乳化沥青微表处混合料。其中填料、水、分散破乳剂和WER改性乳化沥青掺量均按占矿料质量计。

1.3 性能测试方法

1.3.1 WER改性乳化沥青的性能测试

制备WER改性乳化沥青蒸发残留物：WER掺量小于9%时，采取直接加热法制备蒸发残留物；WER掺量大于9%时，采用先60℃烘箱恒温蒸发，待质量变化缓慢时再直接加热的方法制备蒸发残留物。

根据GB/T 38990—2020《道路用水性环氧树脂乳化沥青混合料》和JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对WER乳化沥青混合乳液的5 d贮存稳定性和WER改性乳化沥青蒸发残留物的老化性能进行测试。采用Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪分析WER乳化沥青的改性机理。采用北京普瑞赛司仪器有限公司Axio Vert.A1荧光显微镜对WER与乳化沥青的相容性进行分析。采用Quanta200环境扫描电子显微镜观察WER乳化沥青的微观形貌。采用美国TA公司差示量热扫描分析仪测试WER乳化沥青的玻璃化转变温度。

1.3.2 微表处混合料配合比设计及性能评价

根据GB/T 38990—2020和交通部公路科学研究院主编的《微表处和稀浆封层技术指南》，采用3因素3水平正交试验对微表处各组分进行配合比设计，采用图1所示的6 d湿轮磨耗试样、车辙宽度变形率试样、8字形拉伸强度试样、正拉粘结强度试样，分别对其抗水损性能、抗车辙性能、抗拉性及粘结性进行评价。

2 结果与讨论

2.1 WER对乳化沥青性能的影响

2.1.1 WER和乳化沥青的红外光谱分析

WER、乳化沥青和6%WER改性乳化沥青的红外光谱如图2所示。

从图2可以看出：（1）WER中，3500～3300 cm-1处为WER乳液中的羟基和水性固化剂中的氨基形成的特征峰；1645～1509 cm-1处为苯环骨架伸缩振动峰，913 cm-1处为环氧基团的特征峰；（2）乳化沥青中，2920～2851 cm-1处为烷烃亚甲基中C—H的非对称和对称伸缩振动峰，1645 cm-1处为苯环骨架伸缩振动峰；（3）6%WER改性乳化沥青中包含WER和乳化沥青各自的特征吸收峰，说明WER对乳化沥青的改性为物理改性，无新物质生成。

2.1.2 WER与乳化沥青的相容性分析

由于在荧光显微镜下WER可被蓝色荧光激发呈现蓝绿色，而乳化沥青在荧光作用下不发光。根据这一特性，采用荧光显微镜观察不同WER掺量下乳化沥青中乳液颗粒的分布及分散情况，WER掺量分别为0、3%、6%、9%、12%和15%，结果如图3所示。

从图3可以看出：未掺WER时，整个视野呈现暗色，乳液颗粒粒径虽小但有明显团聚现象；当WER掺量增加至3%、6%、9%时，乳液的团聚现象消失，乳液颗粒排布均匀致密且粒径较小，表明上述掺量下WER与乳化沥青相容性较好，其中以WER掺量6%为最优；当WER掺量增加至12%、15%时，乳液的颗粒粒径明显变大且出现明显的团聚现象，表明该掺量下WER与乳化沥青的相容性较差。综上，掺入6%的WER与乳化沥青具有最佳的相容性。

2.1.3 WER掺量对乳化沥青贮存稳定性的影响（见表4）

由表4可以看出，随着WER掺量的增加，改性乳化沥青的5 d贮存稳定性先提高后降低，WER掺量为6%时贮存稳定性最佳。结合荧光显微镜分析结果，产生该现象的原因是：未掺WER时颗粒粒径虽小，但只是简单团聚，非极性的沥青颗粒间作用力弱，不易结块，所以贮存稳定性良好；当WER掺量为3%～6%时混合乳液的粒径小，相容性和分散性好，贮存稳定性提高；当WER掺量大于6%时，乳液颗粒粒径变大，乳液颗粒间由于加入较多环氧使得作用力增强，容易结块，贮存稳定性降低。

2.1.4 扫描电子显微镜分析

制备WER掺量为3%～15%的WER改性乳化沥青，将其在60℃烘箱中放置7 d，待固化完全将试样浸泡在三氯乙烯中去除大部分的沥青，然后60℃烘干12 h制得SEM试样。对5组试样进行扫描电镜分析，结果如图4所示。

由图4可以看出，当WER掺量为3%时，试样表面凹凸不平，出现较大的裂缝和塌陷，这是由于低掺量的WER未在乳化沥青内部形成稳定均匀的网状结构；当WER掺量增加至6%时，试样表面虽有大量孔隙分布，但结构均匀无塌陷，表明环氧固化物的三维交联网络基本形成；继续增加WER掺量至9%时，表面结构均匀性好，但开始出现脆性的裂缝；WER掺量增加至12%时，表面出现部分褶皱和结块，这是由于环氧掺量过高，WER乳化沥青的分散性和相容性明显下降，出现两相团聚的现象；当WER掺量增加至15%时，表面褶皱和裂缝增多，结块变大，表明此时WER与乳化沥青的团聚程度加剧和脆性的增加。综上所述，6%的WER对乳化沥青改性效果最佳。

2.1.5 低温性能

采用差示扫描量热法（DSC）测试不同掺量WER改性乳化沥青的玻璃化转变温度Tg，Tg越低，表明其在低温条件下的韧性越好，反之则脆性越大。测试结果如图5所示。

从图5可见，随着WER掺量的增加，WER改性乳化沥青的Tg逐渐升高，表明其脆性不断增大，在低温下更容易发生脆性断裂，所以WER的掺入对乳化沥青的低温性能有不利影响。

2.1.6 抗老化性能

采用老化前后软化点的差值和针入度的比值来评价WER乳化沥青的抗老化性能。软化点差值越小，针入度比值越大，其抗老化能力越强。测试结果如表5所示。

表5 不同WER掺量乳化沥青的抗老化性能

由表5可以看出，随着WER掺量的增加，软化点差值由9.7℃减小至3.9℃；针入度比值由57.0%增大至73.1%，表明WER可显著提高乳化沥青的抗老化性能。

2.2 正交试验

2.2.1 试验方案及试验结果

由于分散破乳剂所带羧基能吸附在矿料颗粒表面而产生静电斥力，隔开矿料颗粒，释放出被矿料颗粒包裹的水，大幅降低外加水量并有效提升微表处的粘聚力，所以将其引入微表处混合料中。

在油石比为7%，WER掺量为6%的基础上，主要研究外加水量、水泥掺量和分散破乳剂掺量这3个因素对MS-2型微表处混合料可拌和时间、30 min和300 min粘聚力等3项施工性能的影响。根据试验前的预拌经验确定3个因素的掺量范围，正交试验因素水平见表6，试验设计及测试结果见表7。

表6 正交试验因素水平

表8 正交试验设计及性能测试结果

2.2.2 正交试验极差分析（见表8）

表8 正交试验极差分析结果

由表8可以看出：

（1）外加水量是可拌和时间的主要影响因素；外加水量和分散破乳剂掺量共同作为30 min粘聚力的主要影响因素；外加水量和水泥掺量共同作为300 min粘聚力的主要影响因素。综合可知，外加水量是对微表处混合料性能影响最大的因素，需要优先确定外加水量。

（2）GB/T 38990—2020要求混合料的可拌和时间≥120 min、30 min粘聚力≥1.2 N·m、300 min粘聚力≥2.0 N·m。外加水量为3%时微表处的可拌和时间符合GB/T 38990—2020要求，30 min和300 min粘聚力最大，所以外加水量选择3%；在此基础上，随着水泥掺量和分散破乳剂掺量的增加，粘聚力的提升效果并不明显，考虑经济性，水泥掺量选择1%，分散破乳剂掺量选择0.25%。

2.2.3 最佳油石比

在外加水量3%、水泥掺量1%、分散破乳剂掺量0.25%、WER掺量6%的基础上，根据GB/T 38990—2020，采用1 h湿轮磨耗值（1 h WTAT）和负荷轮粘砂值（LWT）确定微表处混合料的最佳油石比，试验结果见图6。

由图6可见，所有油石比的1 h WTAT和LWT均符合GB/T 38990—2020要求（1 h WTAT＜260 g/m2，LWT＜300 g/m2），所以6%～9%均为油石比的可选范围。随着油石比的增大，1 h WTAT先减小后增大，LWT逐渐增大，微表处的油石比为7.5%左右时，1 h WTAT和LWT均较小。选用油石比7.5%进行1 h WTAT和LWT测试，1 h WTAT、LWT值分别为100.73、104.22 g/m2，由此可确定最佳油石比为7.5%。

综上所述，WER改性乳化沥青微表处混合料最佳配合比为：外加水量3%，油石比7.5%，水泥掺量1%，分散破乳剂掺量0.25%，后续路用性能评价试验采用此配合比。

2.3 微表处混合料路用性能评价

采用6 d湿轮磨耗值（6 d WTAT）表征微表处混合料的抗水损害能力；采用车辙宽度变形率（PLD）表征微表处混合料的抗车辙能力，PLD越小，表明其抗车辙能力越好；采用拉伸强度和粘结强度分别表征微表处混合料的抗拉性和粘结性。测试结果如表9所示。

表9 不同WER掺量微表处混合料的路用性能

由表9可见：（1）随着WER掺量的增加，微表处混合料的6 d WTAT先减小后增大，当WER掺量为6%时，6 d WTAT最小，说明其抗水损害能力最强。这是因为WER中含有亲水性较高的乳化剂，水性环氧固化剂中也含有亲水组分，所以WER掺量增加会导致交联网络增强和耐水性变差，两方面共同作用导致抗水损害能力先提高后降低。（2）随着WER掺量的增加，PLD不断减小，拉伸强度逐渐提高。这是由于PLD和拉伸强度反映的是混合料自身的交联网络强度，此强度随WER掺量的增加而不断提高。此外需要说明的是，当WER掺量为9%～15%时，试样在负荷轮车辙实验中碾压过后产生横向贯通裂缝，表明试样脆性较大，因此最佳WER掺量为6%。（3）随着WER掺量的增加，粘结强度先提高后降低，当WER掺量为6%时达到最高。这是由于粘结强度反映的是混合料与混凝土基块的界面力，即单位面积界面力与界面面积的乘积；分析认为，WER掺量增加，单位面积界面力变大，但混合料黏度增大而使其对混凝土基块的渗透性变差，即与混凝土接触的界面面积变小，因此粘结强度并不随WER掺量的增加而不断提高。