周啟偉， 凌天清， 郝增恒， 吳雪柳， 李 璐， 徐光紅

(1.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074; 2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司， 重慶 400067)

隨著中國高速公路逐漸步入養(yǎng)護期，高性能改性乳化瀝青已成為當下高等級瀝青路面預防性養(yǎng)護材料領域的研究熱點.水性環(huán)氧樹脂具有水性涂料和環(huán)氧的共性，對眾多底材具有極高的附著力，在水性涂料行業(yè)已被廣泛應用[1-2].目前，國內外陸續(xù)開展了水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青及其混合料的性能研究，如沈凡等[3]對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青-水泥膠漿的組成、性能及機理進行了分析，研究表明瀝青膠結物、水性環(huán)氧樹脂固化物與水泥水化產物交織共生了一種空間網(wǎng)絡結構；張慶等[4]對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青的黏附性及其混合料性能進行了分析，結果表明水性環(huán)氧樹脂能有效提高乳化瀝青的黏附性，水性環(huán)氧樹脂的摻量對乳化瀝青的黏附性具有一定影響；王佳煒等[5-6]對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青稀漿混合料進行了研究，結果表明經水性環(huán)氧樹脂改性后的乳化瀝青，其各項性能均優(yōu)于普通乳化瀝青，可用于公路預防性養(yǎng)護中；楊帆等[7]對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青冷補料進行了研究，結果得出水性環(huán)氧樹脂摻量為10%～20%(質量分數(shù))時能有效提高冷補料的力學性能；李泉等[8-9]對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青冷再生瀝青混合料性能進行了研究，結果表明水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青能提高再生瀝青混合料的利用率，同時提升冷再生瀝青混合料的路用性能；季節(jié)等[10-12]對水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青微表處的性能進行了研究，結果表明水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青能改善其微表處的路用性能，尤其是高溫穩(wěn)定性.綜上所述，水性環(huán)氧樹脂的加入顯著提升了瀝青膠漿及混合料的路用性能，但目前研究尚缺乏對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青共混物的性能評價，且大部分評價方法均基于瀝青基材料體系，對共混物的力學性能、凝膠特性及流變行為等鮮有文獻報道.

本文擬對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青共混物的力學性能、凝膠特性、流變行為等進行分析，并在此基礎上對共混物的微觀結構、共混機理進行分析.研究結果對水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青的應用具有積極意義.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料與共混物配比

(1)水性環(huán)氧樹脂：本文采用的水性環(huán)氧樹脂乳液不含有機溶劑、粒徑小、耐水性好、儲存穩(wěn)定性好，其外觀為乳白色均勻液體，環(huán)氧當量為470g/mol，平均粒徑<2μm，固含量(質量分數(shù)，本文所涉及的固含量、配比等均為質量分數(shù)或質量比)為50%.

(2)固化劑：本文采用的固化劑為非離子型水溶性改性環(huán)氧多胺加成物固化劑，25℃旋轉黏度為8500～10000mPa·s，活潑氫當量為340，pH值為9.5～10.5，固含量為50%，配比為m(水性環(huán)氧樹脂乳液)∶m(固化劑)=1∶1.

(3)乳化瀝青：本文采用的乳化瀝青為重慶市某公司生產的成品乳化瀝青，具體參數(shù)見表1.

表1 乳化瀝青參數(shù)指標Table 1 Parameters of emulsified asphalt

(4)共混物組成：將乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂分別參照表2所示配比進行共混，得到5組共混物；共混方式為先將水性環(huán)氧樹脂乳液與固化劑混合均勻，再加入乳化瀝青進行攪拌，三組分混合均勻后即可進行試驗分析.另外，又單獨配制了乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂配比分別為5∶0,0∶5的2組試樣(用0#，6#表示)，以進行紅外光譜的對比分析.

表2 共混物配比Table 2 Mass ratio of waterborne epoxy resin-emulsified asphalt blends

1.2 試驗方法

(1)黏結力試驗：參考CJJ 139—2010《城市橋梁橋面防水工程技術規(guī)程》中的黏結強度測試方法，在100mm×100mm×30mm的水泥試塊上刷涂5g(撒布量為0.5kg/m2)不同配比的共混物，在25，45℃ 條件下待其完全破乳固化后進行拉拔試驗.

(2)拉伸試驗：參考GBT/16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》中的測試方法，測試25℃下不同配比共混物的拉伸率及拉伸強度.

(3)凝膠試驗：參考ASTM D3056—1985“Standard test method for gel time of solventless varnishes”方法，采用22A-240/50凝膠時間自動測定儀測試不同溫度下不同配比共混物的凝膠特性.

(4)微觀相結構：采用均膠試驗機將不同配比的共混物均勻涂抹于載玻片，并在25℃下采用熒光顯微鏡對其微觀結構進行觀測.

(5)流變試驗：采用美國TA公司的動態(tài)熱機械分析儀(DMA Q800)測試共混物的動態(tài)熱機械性能，試驗采用三點彎曲模式，試件尺寸為36mm×13mm×3mm，振幅為20μm，頻率為10Hz，升溫速率為2℃/min，測試溫度區(qū)間為35～85℃.

(6)傅里葉紅外光譜：傅里葉紅外變換光譜儀為德國Bruker公司的BERTEX 70型FTIR，將共混物涂抹在鋁箔上，自動掃描后得到其紅外光譜.

2 結果與討論

2.1 力學性能

2.1.1黏結性能

按表2配比，在100mm×100mm×30mm的水泥試塊上刷涂1#～5#共混物，測試25，45℃下水泥試塊的拉拔強度，每組試驗平行試塊為5個，試驗結果取平均值，如表3所示.

表3 拉拔強度測試結果Table 3 Test results of bond strength MPa

由表3可知：

(1)在同一溫度下，隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的黏結性能也隨之增加，當乳化瀝青與環(huán)氧樹脂配比為5∶5時，刷涂5#共混物的水泥試塊在25，45℃下的拉拔強度分別為3.37，1.98MPa，原因是隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物內部形成的交聯(lián)結構體系增強，環(huán)氧樹脂對共混物拉拔強度的貢獻率增大.

(2)在同一配比下，隨著溫度的升高，共混物的黏結性能隨之降低，原因是共混物中的乳化瀝青材料為無定形的非結晶高分子化合物，而環(huán)氧樹脂固化物為熱固性材料，當溫度升高時，共混物中的瀝青基部分對溫度的敏感性增高，其力學性能會顯著降低.從表3可以得出，當溫度從25℃升至45℃時，乳化瀝青與環(huán)氧樹脂配比為5∶1的1#共混物黏結性能降低了74.5%，乳化瀝青與環(huán)氧樹脂配比為5∶5的5#共混物黏結性能降低了41.2%.因此，溫度升高時，共混物中的瀝青部分是影響其黏結性能的主要因素.

2.1.2拉伸性能

分別測定不同配比共混物的斷裂伸長率和拉伸強度，試驗結果見圖1.

圖1 拉伸試驗結果Fig.1 Results of tensile test

由圖1可見：

(1)隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的拉伸強度隨之增強；乳化瀝青與環(huán)氧樹脂配比為5∶3的3#共混物拉伸強度比配比為5∶1的1#共混物拉伸強度提高了1.87倍，增幅明顯，說明共混物內部的環(huán)氧樹脂與固化劑通過開環(huán)反應與乳化瀝青之間形成了交聯(lián)網(wǎng)狀結構，其交聯(lián)密度隨著環(huán)氧樹脂比例的增加而增強，因此3#共混物的拉伸強度出現(xiàn)驟增現(xiàn)象.

(2)隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的斷裂拉伸率隨之降低，配比為5∶3的3#共混物斷裂拉伸率比配比為5∶1的1#共混物降低了44%，降幅明顯，原因是環(huán)氧樹脂開環(huán)反應后固化物占比增加，導致共混物由熱塑性向熱固性轉變，因而使其斷裂拉伸率降低.

2.2 凝膠特性

分別測定不同配比共混物在30，40，50℃下的凝膠時間，進而評價不同配比共混物的可操作時間，試驗結果見表4.

表4 凝膠試驗結果Table 4 Test results of gelation time s

由表4得出：在同一溫度下，隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的凝膠時間縮短，原因為共混物中單位體積內的環(huán)氧樹脂A、B組分濃度增加，進而加快了反應速度；在同一環(huán)氧樹脂比例下，共混物凝膠時間隨溫度的升高而縮短，這是由于溫度升高會使乳化瀝青與環(huán)氧樹脂的熱運動更容易，環(huán)氧樹脂在共混物基體中遇到活潑氫的幾率增大，也更容易發(fā)生開環(huán)反應所造成.配比為5∶3的3#共混物在50℃下的凝膠時間要比30℃下驟降85%，不足20min，因此難以保證足夠的操作時間.

2.3 微觀相結構

采用400倍的熒光顯微鏡分別觀測5組共混物的微觀結構，具體圖像見圖2.

由圖2可見，配比為5∶1的1#共混物為單相連續(xù)結構，乳化瀝青為連續(xù)相，環(huán)氧樹脂固化物為分散相且呈顆粒狀分布；隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，配比為5∶3的3#共混物變成兩相交叉連續(xù)結構，發(fā)生了相逆轉，即乳化瀝青為分散相，環(huán)氧樹脂的固化產物為連續(xù)相；配比為5∶5的5#共混物中，環(huán)氧樹脂固化產物團聚后成為海島結構.

圖2 不同配比共混物的微觀結構Fig.2 Microstructure of blend in different mass ratio(400×)

結合上述試驗結果，共混物中乳化瀝青與環(huán)氧樹指的合理配比以不高于5∶3為宜.

2.4 流變行為

選取乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂配比為5∶1，5∶2，5∶3的1#，2#，3#共混物進行DMA分析，具體分析結果見圖3.

由圖3分析得出:

(1)隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的儲能模量隨之提高，說明環(huán)氧樹脂的摻入導致共混物的剛度變大，抗變形能力提高，但脆性也隨之增加.

圖3 共混物的流變性能Fig.3 Rheological properties of blends

(2)隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的損耗模量隨之提高，原因是環(huán)氧樹脂的摻入提高了分子間的界面接觸，致使共混物的阻尼性能提高，同時環(huán)氧樹脂對共混物具有一定的增韌效果.

(3)在35～85℃區(qū)間，共混物僅有一個玻璃化轉變峰，說明在此溫度區(qū)間內共混物具有較好的相容性，同時隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，其玻璃化轉變溫度也隨之提升，當共混物配比為5∶3時，其玻璃化轉變溫度為70℃，說明環(huán)氧樹脂的摻入致使共混物分子間的作用力增大，分子間纏結趨于緊密.

2.5 共混機理分析

選取乳化瀝青與水性環(huán)氧樹脂的配比分別為5∶0，5∶1，5∶2，0∶5，制樣后進行紅外光譜分析，具體分析結果見圖4.

圖4 不同配比共混物的紅外光譜分析Fig.4 Infrared spectra of blend in different mass ratios

3 結論

(1)共混物的黏結性能隨共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加而增加；當乳化瀝青與環(huán)氧樹脂配比為5∶5 時，刷涂該共混物的水泥試塊在25，45℃下的拉拔強度分別為3.37，1.98MPa.

(2)隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的拉伸強度隨之增強；與配比為5∶1時相比，當共混物配比為5∶3時，其拉伸強度提高了1.87倍，出現(xiàn)明顯拐點，說明共混物內部的交聯(lián)密度隨著環(huán)氧樹脂比例的增加而增大，且共混物的斷裂拉伸率也在此處出現(xiàn)明顯拐點，降低了44%，說明環(huán)氧樹脂比例的增加使共混物由熱塑性向熱固性轉變，變脆、變硬.

(3)溫度和環(huán)氧樹脂比例是共混物凝膠時間的主要影響因素，與30℃時相比，配比為5∶3的共混物在50℃下的凝膠時間驟降了85%，不足20min，難以保證足夠的操作時間.因此，建議共混物配比以不超過5∶3為宜.

(4)共混物配比為5∶1時為單相連續(xù)結構，配比為5∶3時為兩相交叉連續(xù)結構，發(fā)生相逆轉，即乳化瀝青為分散相，環(huán)氧樹脂的固化產物為連續(xù)相；當共混物配比為5∶5時，環(huán)氧樹脂的固化產物團聚后成為海島結構.

(5)隨著共混物中環(huán)氧樹脂比例的增加，共混物的儲能模量、損耗模量和玻璃化轉變溫度都隨之提高，說明環(huán)氧樹脂的摻入導致共混物的剛度變大，抗變形能力提高，但脆性也隨之增加，同時也對共混物具有一定的增韌作用；共混物配比不超過5∶3時，在35～85℃區(qū)間具有較好的相容性.

(6)通過紅外光譜分析得出，共混物間僅存在物理共混，并無新物質生成.

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