水性环氧树脂乳化沥青制备与粘结性能研究_鲁彬.pdf

收稿日期：2022-11-08作者简介：鲁彬，男，工程师，学士，主要从事道路养护材料研发、应用和推广工作。通讯作者：董雨明，男，教授级工程师，博士，主要从事沥青路面养护技术和工程、沥青路面结构与材料研究工作。引文格式：鲁彬，邢鹏，陈相，等.水性环氧树脂乳化沥青制备与粘结性能研究 J.市政技术，2023，41（3）：23-28.（LUB，XINGP，CHENX，et al.Study on preparation and bonding properties of waterborne epoxy resin emulsified asphalt J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：23-28.）文章编号：1009-7767（2023）03-0023-06第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.023Journal of Municipal Technology水性环氧树脂乳化沥青制备与粘结性能研究鲁彬1，2，邢鹏1，2，陈相1，2，董雨明1，2*（1.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100011；2.中交路桥检测养护有限公司，北京 101301）摘要：根据不同水性环氧树脂与固化剂掺配比例制备水性环氧树脂乳化沥青，在高温与水波扰动复合作用下测试其黏附性，以探究在水环境下水性环氧树脂对乳化沥青粘结性能的影响，同时探究了水性环氧树脂乳化沥青延度（5 ）、软化点和动态剪切流变性能对其抗变形性能的影响。研究结果表明：随着水性环氧树脂掺量的增加，水性环氧树脂乳化沥青脱落率降低。根据动态剪切流变试验可知，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物的复数剪切模量与车辙因子均随着水性环氧树脂掺量的增加而增大，表明当固化剂活泼氢当量相对于环氧体系过量时，会降低乳化沥青的粘结性能。水性环氧树脂的环氧值与固化剂活泼氢当量按比例增加，增强了水性环氧树脂乳化沥青在高温与水波扰动复合作用下的粘结性能。关键词：水性环氧树脂；乳化沥青；黏附性；抗变形性能中图分类号：U 414文献标志码：AStudy on Preparation and Bonding Properties of Waterborne EpoxyResin Emulsified AsphaltLu Bin1，2，Xing Peng1，2，Chen Xiang1，2，Dong Yuming1，2*（1.CCCC Infrastructure Maintenance Group Co.，Ltd.，Beijing 100011，China；2.CCCC Road&Bridge Inspection&Maintenance Co.，Ltd.，Beijing 101301，China）Abstract：The waterborne epoxy resin emulsified asphalt was prepared by different mixing ratios of waterborne epoxyresin and curing agent.Ana its adhesion was tested under the combined action of high temperature and the distur-bance of water wave to explore influence of waterborne epoxy resin on the adhesion of emulsified asphalt in waterenvironment.At the same time，the influence of ductility（5），softening point and dynamic shear rheological prop-erties of waterborne epoxy resin emulsified asphalt on its deformation resistance was investigated.The results showthat asphalt abscission rate of the waterborne epoxy resin asphalt decreases with the increase of waterborne epoxyresin content.The dynamic shear rheological test shows the complex shear modulus and rutting factor of evaporationresidue of waterborne epoxy resin emulsified asphalt increase with the increase of the content of waterborne epoxyresin，indicating that when the content of active hydrogen in the curing agent is excessive compared with the epoxysystem，the adhesion performance of the emulsified asphalt will be reduced.When epoxy value of waterborne epoxyresin and active hydrogen equivalent of curing agent is increased in proportion，the adhesion performance of water-borne epoxy resin emulsified asphalt under the combined action will be enhanced.Key words：waterborne epoxy resin；emulsified asphalt；adhesion；deformation resistance第3期1.2水性环氧树脂乳化沥青制备采用先乳化后改性的工艺制备水性环氧树脂乳化沥青。根据理论计算的环氧基团与活泼氢当量比（11）初步预估固化剂用量，再根据环氧基团与活泼氢当量的有效含量计算得出水性环氧树脂与固化剂的质量比（11.8），按上述比例配制质量比为10085的水性环氧树脂乳液与固化剂乳液。分别配制水性环氧树脂过量、适量和固化剂过量等5组试样。水性环氧树脂（A组分）和固化剂（B组分）质量掺配比例分别为10055、10070、10085、100100和100115，将A、B组分依次掺入到乳化沥青中，在室温下使用搅拌机搅拌（转速600 r/min），10 min后制得均匀的水性环氧树脂乳化沥青。水性环氧树脂乳化沥青制备流程如图1所示。1.3水波扰动条件下的黏附性试验参考JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中乳化沥青与粗集料的黏附性试验方法进行水性环氧树脂乳化沥青与集料的黏附性试验。由于掺入水性环氧树脂乳液提高了黏附性，而传统试验方法难以区分在不同环氧组分含量下黏附性的差异，故利用搅拌机制造动态水环境对试验方法进行改进。采用高功率搅拌机搅拌恒温水箱中具有一定温度的水，以模拟实际沥青路面胶结料同时受到高温和水的浸泡冲刷作用，使集料表面的沥青受到高温与水损害的复合影响。分别计算按5种掺配比例制备的水性环氧树脂乳液（掺量为5%）试样的脱落率，以此作为评价沥青黏附性的指标。在试验过程中由于粘结料质量变化较小，所有质量秤量均采用精密电子天平，数据精确至0.01 g。1.4拉伸性能试验采用5种掺配比例，水性环氧树脂乳液掺量为5%，根据GB/T 5282009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定要求制备拉伸性能试验的试样，并测试水性环氧树脂乳化沥青的拉伸性能，从而分析其粘结性能。1.5软化点与延度试验选取适宜的掺配比例制备水性环氧树脂乳化沥青试样，参照JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程对试样的软化点与延度分别进行测试。1.6动态剪切流变试验采用外掺法制备水性环氧树脂掺量分别为3、5和7的水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物，通过动态剪切流变试验探究水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物的抗变形性能和高温稳定性能。试验条件：应变为8%，交频率为10 rad/s，环境温度分别为46、52、58、64、70、76。2结果与讨论2.1水性环氧树脂与固化剂相对关系对黏附性与粘结性能的影响沥青混合料抗水损害的能力反映在沥青材料性能上的关键指标是黏附性与粘结性能，因此黏附性与粘结性能的增强有利于提高沥青混合料抗动水冲刷的能力。通过水性环氧树脂乳化沥青在水波扰动条件下的黏附性试验，计算出不同掺配比例下水性环氧树脂乳化沥青脱落率（如图2所示），并对比分析水性环氧树脂与固化剂相对关系对水性环氧树脂乳化沥青黏附性的影响后，采用拉伸试验测试其粘结性能。由图2可知，随着固化剂掺配比例的增加，集料棱角处沥青油膜剥落越来越不明显，脱落率呈先下降后上升的趋势。即：当固化剂掺配比例增加至85时，集料棱角处沥青油膜增厚，脱落率达到最小值图1水性环氧树脂乳化沥青制备流程Fig.1 Preparation process of waterborne epoxy modifiedemulsified asphalt图2不同掺配比例下水性环氧树脂乳化沥青脱落率Fig.2 Expulsion rate of waterborne epoxy resin emulsified asphalt（WEREA）with different mixture ratios鲁彬等：水性环氧树脂乳化沥青制备与粘结性能研究25Journal of Municipal Technology第41卷（5）；当固化剂掺配比例继续增加时，集料棱角处沥青油膜开始脱落。试验结果表明：当固化剂达到最佳掺量前，随着固化剂掺配比例的增加，沥青的粘结性能和抗动水冲刷能力逐渐增强；当固化剂达到最佳掺量时，随着固化剂掺配比例的增加，沥青的抗动水冲刷能力逐渐增强；当固化剂达到最佳掺量后，随着固化剂掺配比例的减少，沥青的抗动水冲刷能力逐渐减弱。拉伸试验前将试件和拉伸夹具置于室温条件下（2426）控温不少于3 h，采用（50050）mm/min的速率进行拉伸试验。不同掺配比例下水性环氧树脂乳化沥青拉伸强度与断裂伸长率如图3所示。由图3可知，当水性环氧树脂掺量较多时，乳化沥青拉伸强度与断裂伸长率均较低。随着固化剂掺配比例的增加，拉伸强度与断裂伸长率逐渐上升，当固化剂掺配比例增加至10085，即环氧基团与活泼氢当量比为11时，断裂伸长率达到峰值；当固化剂掺配比例继续增加时，拉伸强度与断裂伸长率均下降。因此，为保障水性环氧树脂乳化沥青的黏韧性，环氧基团与活泼氢当量存在最佳掺配比例，固化剂掺配比例在一定范围内增加有利于增强粘结性能，但其掺量不宜过多。2.2水性环氧树脂掺量对低温稳定性能的影响水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物的延度（5）（如图4所示）可反映乳化沥青的低温稳定性能。由图4可知，当水性环氧树脂掺量分别为0%、3%、5%和7%时，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物延度（5）分别为150、62、11、4 cm。随着水性环氧树脂掺量的增加，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物延度显著降低。水性环氧树脂掺量的增加，使其在固化过程中的交联度得到了提高，在延度试验拉伸过程中，水性环氧树脂固化物形成的交联体系导致水性环氧树脂乳化沥青柔度降低，呈脆性变化趋势，伸长率下降。结合微表处等技术措施对水性环氧树脂乳化沥青的技术要求，宜将水性环氧树脂掺量控制在5%以下。2.3水性环氧树脂对高温稳定性能与抗变形性能的影响软化点附近温度是沥青材料黏性特征转变的显著阶段，也反映了水性环氧树脂乳化沥青的高温稳定性能。不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青的软化点如图5所示。由图5可知，当水性环氧树脂掺量分别为0%、3%、5%和7%时，水性环氧树脂乳化沥青软化点分别为54.5、55.5、57.0、64.0。随着水性环氧树脂掺量的增加，水性环氧树脂乳化沥青软化点逐渐增大。当水性环氧树脂掺量达到7%时，软化点显著增大；当图3不同掺配比例下水性环氧树脂乳化沥青拉伸强度与断裂伸长率Fig.3 Tensile strength and elongation at break of WEREA withdifferent mixture ratios图4不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青的延度Fig.4 Ductility of modified emulsified asphalt with differentwaterborne epoxy resin dosage图5不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青的软化点Fig.5 Softening point of modified emulsified asphalt withdifferent waterborne epoxy resin dosage26第3期水性环氧树脂掺量达到软化点附近温度时，呈黏性流动特征，但由于水性环氧树脂固化物交联作用，空间上增强了水性环氧树脂乳化沥青的整体性。在制备水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物的过程中，搅拌过程影响了水性环氧树脂交联体结构的连续性，但均匀分布的水性环氧树脂基团通过“加筋作用”使水性环氧树脂乳化沥青在高温条件下，依然保留了一定的弹性特征。剪切模量是最大剪应力和最大剪应变的比值，反映了沥青受反复剪切变形时复合阻力的大小，也表征了沥青的高温稳定性能。不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物复数剪切模量-温度关系如图6所示。由图6可知，随着温度的升高，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物复数剪切模量呈下降趋势；随着水性环氧树脂掺量的增加，复数剪切模量增大。当温度为76 时，掺量为3%、5%和7%的水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物复数剪切模量比未掺入水性环氧树脂的乳化沥青分别提高了8%、18%和73%。试验结果表明：随着水性环氧树脂掺量的增加，乳化沥青抗变形性能降低，且当掺量达到7%时，其抗变形性能显著提高。相位角表征施加的应力和测得的应变之间的时间差。沥青黏弹性在0 90 之间变化，表征了沥青的黏弹性变形恢复能力。不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物相位角-温度关系如图7所示。由图7可知，随着温度的升高，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物相位角增大，即随着温度的升高，流动性增大，黏性特征更为显著；随着水性环氧树脂掺量的增加，相位角减小，且温度越高水性环氧树脂造成的差异就越明显。当温度为76 时，掺量为3%、5%和7%的水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物相位角比未掺入水性环氧树脂的乳化沥青分别降低了1.4、2.9、4.1。试验结果表明：水性环氧树脂掺量低于7%时，水性环氧树脂乳化沥青仍表现为黏弹性特征，但掺入水性环氧树脂增强了水性环氧树脂乳化沥青的黏弹性恢复能力。利用复数剪切模量与相位角可计算出车辙因子，该值表征了沥青材料的高温稳定性能。不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物车辙因子-温度关系如图8所示。由图8可知，随着温度的升高，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物车辙因子与复数剪切模量变化趋势相同，均呈下降趋势；随着水性环氧树脂掺量的增加，车辙因子增大。当温度为76 时，掺量为3%、5%和7%的水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物车辙因子比未掺入水性环氧树脂的乳化沥青分别提高了9%、18%和73%。3结论笔者对水性环氧树脂各组分不同掺配比例和不同掺量对乳化沥青的粘结性能和高、低温稳定性图6不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物复数剪切模量-温度关系Fig.6 Curve of G*-T of modified emulsified asphalt with differentwaterborne epoxy resin dosage图7不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物相位角-温度关系Fig.7 Curve of-T of modified emulsified asphalt with differentwaterborne epoxy resin dosage图8不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物车辙因子-温度关系Fig.8 Curve of|G|*/sin-T of modified emulsified asphalt withdifferent waterborne epoxy resin dosage鲁彬等：水性环氧树脂乳化沥青制备与粘结性能研究27Journal of Municipal Technology第41卷能进行了探究与分析，通过水性环氧树脂乳化沥青在水波扰动条件下的黏附性试验，以及不同水性环氧树脂掺量下乳化沥青蒸发残留物的延度、软化点和动态剪切流变试验，得到以下结论：1）水性环氧树脂与固化剂相对关系对乳化沥青黏附性具有显著影响，当水性环氧树脂掺量一定时，随着固化剂掺量的增多，乳化沥青的拉伸强度与断裂伸长率呈先上升后下降的趋势，但固化剂过量会导致水环境条件下乳化沥青的黏附性降低。用于乳化沥青改性的水性环氧体系宜将水性环氧树脂基团与活泼氢当量的比例控制在11。2）水性环氧树脂掺量过多，降低了低温稳定性能。随着水性环氧树脂掺量的增加，水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物的延度显著降低，表明水性环氧树脂固化物交联体的增多造成水性环氧树脂乳化沥青低温脆性增大。3）水性环氧树脂的掺入显著地提高了乳化沥青的高温稳定性能。随着水性环氧树脂掺量的增加，软化点、复数剪切模量和车辙因子均增大，相位角减小。水性环氧树脂掺量达到7%时，高温下的水性环氧树脂乳化沥青蒸发残留物具有一定的黏弹性特征。4）为提高微表处水性环氧树脂乳化沥青的粘结性能，同时兼顾低温稳定性能，故将水性环氧树脂与固化剂组合体系的最佳掺量控制在5%以下。参考文献1中国公路学报编辑部.中国路面工程学术研究综述2020J.中国公路学报，2020，33（10）：1-66.（Editorial Departmentof China Journal of Highway and Transport.Review on Chinaspavement engineering research2020J.China journal of high-way and transport，2020，33（10）：1-66.）2沈金安，李福普.改性乳化沥青在高速公路沥青路面维修养护中的应用前景J.石油沥青，2000，14（1）：33-43.（SHEN J A，LI F P.Application prospect of modified emulsified asphalt inexpressway asphaltic surface maintenanceJ.Petroleum 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