SBR水性环氧树脂复合改性乳化沥青性能研究.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g S B R水性环氧树脂复合改性乳化沥青性能研究孟建党)边朝阳)陈彦军)许涛)吴凡)刘勤龙)盛燕萍)(河南交通投资集团有限公司濮阳分公司)濮阳 )(长安大学材料科学与工程学院)西安 )摘要:文中将S B R与WE R进行共混,通过先乳化后改性的工艺制备S B R WE R复合改性乳化沥青采用针入度、延度、软化点、黏度、低温韧性、荧光显微镜等方法综合评价S B R的掺量和WE R掺量对S B R WE R改性乳化沥青性能的影响结果表明:在一定的掺配比例下,S B R的加入对S B R WE R复合改性乳化沥青的延度、黏度有所提升;观察低温弯曲裂缝发现,其低温韧性提高,并且对其高温性能和抗疲劳性能也起到一定的改善作用荧光显微镜试验分析显示,当WE R掺量为,S B R掺量为时,复合改性乳化沥青内部分散形成交联网络结构,从而达到最佳的使用性能关键词:乳化沥青;水性环氧树脂;S B R胶乳;黏度;拉伸性能;低温韧性中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:孟建党(),男,硕士,教授级高工,主要研究领域为道路与桥梁工程通信作者:盛燕萍(),女,博士,教授,主要研究领域为道路工程材料基金项目:河南省交通运输厅科技计划(J )引言乳化沥青具有在常温下流动性好、节约能源和使用方便等优点 ,常被用在路面结合料和层间胶结料,尤其是在冷再生、雾封层、超薄磨耗层,以及微表处等道路养护工程中应用广泛但是普通乳化沥青由于黏度低、强度不足,以及高低温性能较差,导致其在道路工程中的使用效果不佳 随着新材料在我国交通行业的迅速发展,通过水性环氧树脂改性乳化沥青可以有效提高其各项性能 L i u等 通过对水性环氧树脂乳化沥青在桥面铺装工程中的应用发现,水性环氧树脂改性乳化沥青能够有效防止桥面铺装层的渗水周卫峰等通过对水性环氧树脂乳化沥青的高温性能研究,认为水性环氧树脂的最佳掺量为 周启伟等 通过不同沥青和水性环氧树脂的比例复掺,并对其特性进行研究,认为复掺的最佳比例为 常艳婷等 对水性环氧树脂乳化沥青在层间的剪切性能进行了研究,得出其在黏层应用中的最佳撒布量为 k g/m Z h a n g等 通过差示扫描量热法(D S C)及斜 剪实验对环 氧S B R改性乳化沥青进行分析,得出水性环氧树脂和S B R复配改性乳化沥青中S B R及水性环氧树脂的含量应该控制在孟勇军等 研究水性环氧树脂丁苯橡胶复合改性乳化沥青的各项性能指标,结果表明:水性环氧树脂与S B R最佳掺配比例为 S B R水性环氧树脂但现有研究对S B R 水性环氧树脂乳化沥青固化后的韧性研究较少,并且在S B R与水性环氧树脂复配时,掺配比例较低,对乳化沥青的性能提升有限由于水性环氧树脂固化后脆性大、延展性差,将其作为黏层材料时在低温环境使用过程中容易发生黏层断裂 ,因此需要对WE R改性乳化沥青进行增韧处理现有研究表明S B R的加入能够有效改善沥青的低温韧性,使乳化沥青在低温环境下具有良好的韧性同时已有研究对乳化沥青韧性的评价方法不一致,需要对其韧性进行更全面的综合评价因此,本文提出采用丁苯橡胶(S B R)与水性环氧树脂(WE R)制备基于增韧的S B R WE R复合改性乳化沥青,采用针入度、延度、软化点、黏度、低温韧性以及荧光显微镜等方法综合评价其增韧效果原材料和试验方法 原材料 基质沥青采用S K 基质沥青,其性质指标见表 乳化剂及稳定剂采用济南某公司生产的L 型两性离子慢裂慢凝型沥青乳化剂,其主要指标见表稳定剂选用有机稳定剂聚乙烯醇和无机稳定剂无水氯化钙 水性环氧树脂及固化剂WE R及固化剂来自山东某公司,固化剂为胺类固化剂,技术指标见表表S K 基质沥青指标试验项目针入度(,g,g)/mm针入度指数软化点/延度(,c m/m i n)/c m延度(,c m/m i n)/c m黏度()/(P as)实测值 规范要求 试验方法T T T T T T 表乳化剂性质指标技术指标物理状态()p H值固含量/相对密度黏度/(P as)物理化学性质褐色液体 表WE R技术性质技术指标物理状态()黏度()/(m P as)环氧值/(e q g)固含量/物理化学性质 乳白色液体 表固化剂技术性质技术指标物理状态()黏度()/(m P as)活性氢当量固含量/胺值/(m g K OHg)物理化学性质黄色浑浊乳液 S B R胶乳选用阳离子S B R胶乳,其技术指标见表表S B R丁苯胶乳性质指标技术指标物理状态()相对密度p H值固含量/物理化学状态乳白色液体 试验设备为:胶体磨,针入度仪,延度仪,软化点仪,B r o o k f i e l d黏度计,BM AY落射式荧光显微镜等 试验方案 S B R WE R乳化沥青制备步骤将S K 号基质沥青在 烘箱中加热,保温h将水加热至 ,对胶体磨进行预热m i n左右,取无水氯化钙()和聚乙烯醇()加水溶解,再加入乳化剂(),搅拌后加入盐酸调节p H值为 左右;油水比为 ,启动胶体磨将皂液剪切分散m i n后,加入基质沥青,继续剪切m i n,取出降温待用步骤确定WE R乳液的掺配比例为 ,先称适量乳化沥青再分别加入目标质量的WE R和固化剂,剪切机在 r/m i n下剪切 m i n,得到WE R改性乳化沥青步骤称量目标质量的S B R胶乳,加入WE R改性乳化沥青中,剪切机在转速为 r/m i n下剪切m i n,即完成S B R WE R乳化沥青的制备 S B R WE R乳化沥青性能综合评价方法WE R乳 液 的 三 个 掺 量 分 别 为、,S B R胶乳的掺量为、根据掺配比例不同制备共 组复合改性乳化沥青,对其进行相关性能试验分析)沥青三大指标根据J T GE 公路工程沥青及沥青混合料试验规程,采用直接加热法,制备所有S B R WE R改性乳化沥青的蒸发残留物,进行针入度、延度和软化点测试)布氏黏度采用B r o o k f i e l d黏度计测量 、及 温度下,测量S B R WE R乳化沥青的黏度)拉伸试验根据G B/T 树脂浇注体性能测试方法,采用一次成型方式,制备试样,试 件 尺 寸 见 图通 常 拉 伸 试 验 温 度 为,但是常温下并不能有效表现出S B R WE R乳化沥青的韧性,因此本文采用 温度进行拉伸试验,拉伸速率为 mm/m i n,每一种试样进行三组平行实验,取试验结果中值图拉伸试件尺寸(单位:mm)拉伸强度为Pbh()第期孟建党,等:S B R水性环氧树脂复合改性乳化沥青性能研究式中:为拉伸强度,MP a;P为破坏荷载,N;b为试样宽度,mm;h为试样实际厚度,mm断裂伸长率为LLL ()式中:为断裂伸长率,;L为断裂后标距,mm;L为初始测量标距,mm)低温韧性试验低温韧性试验是将S B R WE R乳化沥青材料倒入mm深模具中,温度降低后切出尺寸为 mm mm的试件将试件和 mm金属棒同时放在已达到规定试验温度(或 )的环境箱内一定时间后,将试件绕金属棒在s内均衡弯曲 ,用放大镜观察试件有无裂纹)荧光显微镜采用BM AY落射式荧光显微镜试验结果与讨论 沥青三大指标通过试验确定固化时间为h,S B R WE R乳化沥青的蒸发残留物进行针入度、软化点和延度测试,结果见图图WE R及S B R胶乳掺量对S B R WE R乳化沥青蒸发残留物三大指标的影响由图 a)可知:当S B R胶乳增多,针入度先升高,后减小,当S B R掺量为时,表现为较高的针入度由图 b)可知:当WE R掺量为,S B R掺量为时,S B R WE R乳化沥青延度最佳;当WE R掺量为,S B R掺量为时,WE R S B R乳化沥青延度最佳;当WE R掺量为 时 S B R掺量为时,S B R WE R乳化沥青延度最佳由图 c)可知:当S B R掺量在时,S B R WE R乳化沥青软化点最高随着S B R胶乳的增加,在掺量为不超过时,S B R胶 乳 的 空 间 结 构 能 够 有 效 分 散 包 裹WE R乳液的固化体系,在固化过程中可以减少WE R固化物对沥青轻质组分的吸收,减少固化影响,增加黏弹性,使得沥青的软化点和延度上升随着S B R胶乳的加入,乳化沥青中的交联网络结构越来越多,导致软化点不断升高,同时,当S B R胶乳掺量过多时,会增加沥青中的黏弹结构,导致软化点降低针对单独掺加WE R导致乳化沥青低温性能降低的情况,S B R可以在沥青中形成空间网络,具有良好的黏弹性,对沥青的低温性能具有极好的改善作用,在WE R乳化沥青中掺加少 量的S B R胶乳来改善低温性能但当S B R胶乳掺量超过时,WE R在S B R胶乳中固化形成三维网状结构,由于S B R胶乳形成的空间网络结构会导致部分的沥青轻质组分被空间结构包裹,因此随着S B R胶乳掺量增加,会导致针入度及软化点降低,同时WE R掺量越大,S B R胶乳的改善效果越不明显 WE R在乳化沥青中固化形成网状结构,贯穿在沥青当中,随着WE R掺量增大,交联密度也逐渐上升,所形成的网状结构也更加密集,导致其刚度大、延展性差因固化交联结构增多,在受到外力作用下,固化结构形变很低,导致延度下降,抵抗变形能力增强,导致针入度变小同时因为固化交联结构增多,导致沥青被裹覆,并且会吸收沥青中部分轻质组分,使得乳化沥青的软化点上升因此认为S B R掺量为最佳 布氏黏度对S B R WE R乳化 沥青进行 黏 度测试,结果见图图 W E R和S B R掺量对乳化沥青蒸发残留物黏度的影响由图可知:当WE R掺量为时,黏度随S B R掺量先增大后减小;当WE R掺量为 时,黏度最大,同时随着S B R掺量增加,黏度先增大后减小;当WE R掺量为 时,黏度最低,随武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷着S B R掺量增加,黏度先增大后减小当S B R掺量的增加,当S B R掺量为 时,黏度最大当WE R乳液掺量较低时,WE R乳液固化后,分散在乳化沥青中,表现为分散的网络结构,在乳化沥青中水分完全蒸发后,也无法形成较好的交联体系,因此黏度增加不大,随着S B R胶乳的加入,黏度进一步上升,但是当掺量超过时,S B R胶乳的加入会导致WE R固化不完全,导致黏度降低随着WE R掺量的增加,WE R用量达到 时,WE R乳液在乳化沥青中的占比增多,固化后形成多维的网络结构,因此黏度也得到迅速增加,但是当S B R胶乳掺量过大,S B R胶乳会导致WE R乳液较大程度固化,固化反应不完全,造成黏度降低因此S B R在WE R乳化沥青中的掺配比例不宜太大或太小,最佳掺配比例为 拉伸试验分别对、WE R掺量以及不同S B R掺量的S B R WE R乳化沥青样品进行 拉伸试验,结果见图图拉伸试验结果由图可知:随着WE R乳液掺量的增加,S B R WE R乳化沥青拉伸强度有较大提升三种WE R掺量下,均当S B R掺量为时,均表现出最大的拉伸强度当S B R掺量为时,由图 a)可知:WE R掺量的拉伸强度为 MP a;由图 b)可知:WE R掺量的拉伸强度为 MP a;由图 c)可知:WE R掺量的拉伸强度为 MP a,随着WE R掺量提高,WE R比WE R的乳化沥青拉伸强度提高近倍因此,当S B R掺量为时,拉伸强度最高分析其原因,主要是随着WE R乳液的加入,WE R乳液逐渐在乳化沥青中形成空间网络结构,WE R固化体系越多,所形成的空间网络结构越致密,拉伸强度也逐渐增加在相同WE R乳液掺量的情况下,随着S B R胶乳的增加,S B R胶乳形成空间结构并且与WE R形成稳定的三维空间网络结构,以此来增加拉伸强度,当掺量的质量分数达到时,表现出最大的拉伸强度随着S B R胶乳掺量的不断增加,S B R胶乳所形成的空间结构会与吸收部分固化剂,使得部分WE R乳液与S B R胶乳团聚、固化,形成的网状结构减少,薄弱点增多,导致拉伸强度降低因此,可以得出在S B R为掺量下S B R WE R乳化沥青拉伸性能最佳同时,对S B R掺量为时,不同WE R掺量进行断裂伸长率计算,结果见图由图可知:当S B R胶 乳 达 到 最 佳 掺 配 比 例时,随 着WE R乳液的加入,断裂伸长率逐渐降低,即S B R WE R乳化沥青逐渐变脆,柔韧性降低这是因为WE R为热固性,S B R WE R乳化沥青中不仅具有热塑性,同时也具有一定的热固性,最终导致断裂伸长率逐渐降低因此在考虑拉伸强度以及韧性的情况下,建议WE R乳液的最佳掺配比 例为 图断裂伸长率变化 低温韧性试验在、和 分别对S B R胶乳掺量的乳化沥青进行低温韧性试验,试验结果见表由表可知:WE R掺量的S B R WE R乳化沥青在 时,依然表现出较好的韧性;WE R掺量的S B R WE R乳化沥青在 时,弯曲后由裂纹,在 时,弯曲断裂;WE R掺量的S B R WE R乳化沥青在 时,弯曲断裂,低温性能较差当S B R胶乳在最佳掺量的情况下,水性环氧树脂体系不超过 时,S B R WE R乳化沥青具有较好的韧性,当WE R乳液掺量逐渐增大以后,形成固化体系增多,S B R胶乳增韧效果反而降低,会造成其一定程度的脆性增大因此,推荐WE R乳液掺量不超过 第期孟建党,等:S B R水性环氧树脂复合改性乳化沥青性能研究表S B R胶乳掺量下低温性能试验结果单位:S B R WE R乳化沥青 WE R乳液无裂纹无裂纹无裂纹 WE R乳液无裂纹弯曲后有裂纹弯曲过程中断裂 WE R乳液 有一定韧性 弯曲过程中断裂断裂S B R W E R乳化沥青荧光显微分析对 WE R和不同掺量的S B R乳液制备的S B R WE R乳化沥青蒸发残留物进行荧光显微镜分析,放大倍数为 倍,结果见图图 WE R乳化沥青荧光显微镜图片由图 a)可知:WE R乳液的加入,基质乳化沥青在荧光显微镜下呈现出极少量的荧光点,荧光点为乳化剂;由图 b)可知:随着的S B R胶乳的加入,S B R以微粒形式加入,此时沥青为连续相,S B R分散在沥青中,被沥青包裹由图 c)可知:当S B R胶乳加入时,作为分散相分散在WE R骨架中,形成一定的骨架结构由图 d)可知:当S B R胶乳加入时,WE R和S B R在乳化沥青中可以得到良好的分散,形成交联的网络结构,同时WE R乳液掺量较低的情况下,可以形成较好的骨架结构,与S B R能够较好的交联在一起,使沥青在低温情况下表现出较好的韧性由图 e)f)可知:随着S B R胶乳掺量的不断增大,所形成的网状结构在不断增强,沥青由连续相变为分散相,导致脆性增大;当S B R掺量达到时,会与WE R乳 液 固 化 后 团 聚,分 散 不 均 匀,使S B R WE R乳化沥青的黏附性下降综上所述,随着WE R乳液增大,固化产物增多,黏度不断增大;同时,随着S B R胶乳的加入,在掺量前均表现为固化结构逐渐形成网络结构,黏度增大,但当S B R超过时,分散不均匀,形成团聚,导致黏度降低,因此S B R的最佳掺量为同时,发现当WE R乳液掺量较低时,WE R和S B R可以形成柔性较好的骨架结构,在低温情况下表现出良好的韧性,但是当WE R掺量过多时,会形成团聚,具体表现为强度升高,同时韧性降低,因此综合考虑WE R乳液在乳化沥青中的最佳掺量为 结论)随着WE R乳液的不断增加,S B R WE R乳化沥青蒸发残留物的针入度,延度减小,软化点增大;当S B R胶乳掺量不断增大时,三大指标均呈现先增大后减小的趋势)随着WE R乳液不断增加,固化产物逐渐增多,S B R WE R乳化沥青的黏度不断增大;随着S B R胶乳的加入,在当S B R胶乳掺量在时,S B R WE R乳化沥青表现为黏度增大,但当S B R掺量超过时,S B R WE R乳化沥青的黏度降低)拉伸试验、低温韧性试验及荧光显微镜分析显示,S B R的加入可以有效提高水性环氧树脂乳化沥青的韧性,当WE R乳液掺量为,S B R胶乳掺量为时,S B R WE R复合改性乳化沥青综合评价性能达到最佳参 考 文 献余定洋水性 环 氧 乳 化 沥 青 及 其 混 合 料 性 能 研 究D重庆:重庆交通大学,刘攀路用水性环氧树脂基热反射涂料的研发D重庆:重庆交通大学,Z HOU H R,F ANGXJ P r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so ft h ep h a s ei n v e r s i o ne m u l s i f i c a t i o no fe p o x yr e s i nJM a t e r i a l sa n dS t r u c t u r e s,():HANS,YA OTF,Z HAN GX H,e ta l P e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fw a t e r b o r n ee p o x yr e s i n m o d i f i e dh y d r o p h o b i ce m u l s i f i e da s p h a l tm i c r o s u r f a c i n gm i x t u r eJC o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,():周文英,张帆,汪旭,等 EHT P B液体橡胶改性环氧树脂研究J现代塑料加工应用,():陈筑苏微表处技术和预防性养护在公路养护工程中的应用J公路,():于华洋,马涛,王大为,等中国路面工程学术研究综述 J中国公路学报,():贾文品,周金利,余木火,等聚醚砜增韧环氧树脂的力学性能及固化体系相分离J玻璃钢/复合材料,():田东低冰点凝胶状高黏乳化沥青的研制与应用研武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷究D哈尔滨:哈尔滨工业大学,X I AOYC h a r a c t e r i s t i c so ft w o c o m p o n e n te p o x ym o d i f i e db i t u m e nJ M a t e r i a l sa n d S t r u c t u r e s,():郑木莲,范贤鹏,李洪印,等道路用水性环氧乳化沥青的研究进展J中国科技论文,():L I U M M,HANS,WANGZY,e ta l P e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fn e ww a t e r b o r n e e p o x yr e s i nm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t m i c r o s u r f a c i n gJC o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,():周卫峰,董利伟,宋晓燕,等水性环氧树脂改性乳化沥青高温性能试验研究J重庆交通大学学报(自然科学版),():周启伟,凌天清,郝增恒,等水性环氧树脂乳化沥青共混物特性分析J建筑材料学报,():常艳婷,陈忠达,牛小虎,等水性环氧树脂改性乳化沥青粘层抗剪性能的检验J江苏大学学报(自然科学版),():Z HAN GQ,X U Y H,WE NZG I n f l u e n c eo fw a t e r b o r n ee p o x yr e s i nc o n t e n to n p e r f o r m a n c eo fw a t e r b o r n e e p o x yr e s i nc o m p o u n dS B R m o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t f o r t a c kc o a tJ C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,():孟勇军,赵启雄,卢祖标,等水性环氧树脂/丁苯橡胶复合改性乳化沥青的制备及性能J科学技术与工程,():CHE NZF,CHE NZD S t u d yo nm i xp r o p o r t i o nd e s i g no f e p o x ye m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r eJ I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo fT r a n s p o r t a t i o nI n f r a s t r u c t u r ea n dM a t e r i a l s,():方源仁高强高渗透桥面防水材料的制备与性能研究D重庆:重庆交通大学,王春然环氧乳化沥青在黏层中的应用研究D西安:长安大学,C A IX,HUANG W K,L I ANGJ,e ta l S t u d yo fp a v e m e n tp e r f o r m a n c eo ft h i n c o a tw a t e r b o r n ee p o x ye m u l s i f i e da s p h a l tm i x t u r eJ F r o n t i e r s i nM a t e r i a l s,():赵富强,王素青,路国栋,等水性环氧新型冷补沥青混合料的性能对比分析J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():S t u d yo nP r o p e r t i e so fE m u l s i f i e dA s p h a l tM o d i f i e db yS B R W a t e r b o r n eE p o x yR e s i nME N GJ i a n d a n g)B I A NZ h a o y a n g)C H E NY a n j u n)X UT a o)WUF a n)L I UQ i n l o n g)S H E N GY a n p i n g)(H e n a nT r a n s p o r t a t i o nI n v e s t m e n tG r o u pC oL t d,P u y a n gB r a n c h,P u y a n g ,C h i n a)(S c h o o l o fM a t e r i a l sa n dS c i e n c eE n g i n e e r i n g,C h a n ga nU n i v e r s i t y,X ia n ,C h i n a)A b s t r a c t:S B Ra n dWE Rw e r eb l e n d e d,a n dS B R WE Rc o m p o s i t em o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l tw a sp r e p a r e db ye m u l s i f i c a t i o nf i r s ta n dt h e nm o d i f i c a t i o n T h ep e n e t r a t i o n,d u c t i l i t y,s o f t e n i n gp o i n t,v i s c o s i t y,l o w t e m p e r a t u r e t o u g h n e s s,f l u o r e s c e n c em i c r o s c o p ea n do t h e rm e t h o d sw e r eu s e dt oc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t e t h ee f f e c t so fS B Rc o n t e n t a n dWE Rc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so fS B R WE Rm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ed u c t i l i t ya n dv i s c o s i t yo f S B R WE Rc o m p o s i t em o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t a r e i m p r o v e dw i t h t h e a d d i t i o no f S B Ri na c e r t a i nb l e n d i n g r a t i o B yo b s e r v i n gl o w t e m p e r a t u r eb e n d i n gc r a c k s,i t i sf o u n dt h a t i t s l o w t e m p e r a t u r et o u g h n e s s i s i m p r o v e d,a n di t sh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea n df a t i g u e r e s i s t a n c ea r ea l s o i m p r o v e dt os o m ee x t e n t T h e r e s u l t so ff l u o r e s c e n c em i c r o s c o p e t e s t s h o wt h a tw h e nt h ec o n t e n to fWE Ri s a n dS B Ri s,t h ec r o s s l i n k e dn e t w o r ks t r u c t u r e i s f o r m e d i nt h ec o m p o s i t em o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l t,t h u sa c h i e v i n gt h eb e s tp e r f o r m a n c e K e yw o r d s:e m u l s i f i e da s p h a l t;w a t e r b o r n ee p o x yr e s i n;S B Rl a t e x;v i s c o s i t y;t e n s i l ep r o p e r t i e s;l o wt e m p e r a t u r e t o u g h n e s s第期孟建党,等:S B R水性环氧树脂复合改性乳化沥青性能研究