環(huán)氧樹脂／聚氨酯改性乳化瀝青的強(qiáng)度和柔韌性

楊國林，閆兆柏，王朝輝，林海娟

（1.招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司，北京 100022；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司，浙江 溫州 325000；4.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

路面在運(yùn)營過程中，受大氣環(huán)境、交通軸載及車輛磨損等因素的作用，其服務(wù)能力與使用壽命將逐年遞減。為有效保障路面使用性能，近年來超薄磨耗層等路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)得到廣泛的研究和應(yīng)用。其中層間黏結(jié)材料性能決定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的使用品質(zhì)，在保障路面結(jié)構(gòu)承載能力、完整性和使用壽命方面起著重要的作用［1－6］。

目前應(yīng)用和研究較多的層間黏結(jié)材料主要包括改性瀝青和改性乳化瀝青。高性能改性乳化瀝青黏結(jié)料因具有良好的路用性能以及可快捷冷態(tài)施工、節(jié)約能源、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［7－8］。除常用的 SBS、SBR以及膠粉等改性乳化瀝青外，近年來國內(nèi)外也陸續(xù)開展了水性環(huán)氧樹脂以及水性聚氨酯改性乳化瀝青黏結(jié)料的研究，如周啟偉等［9］研究了水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青共混物的力學(xué)性能、凝膠特性以及流變行為等性能；孫培等［10］采用直剪試驗(yàn)研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青、普通乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青應(yīng)用于抗滑磨耗層黏層中的路用性能；劉夢梅等［11］通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青材料的層間黏結(jié)性能，表明其剪切、拉拔強(qiáng)度明顯優(yōu)于高黏瀝青和SBS改性瀝青，且具有良好的水穩(wěn)定性；常艷婷等［12］使用 MTS810試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行45°斜剪疲勞試驗(yàn)，研究不同應(yīng)力水平下水性環(huán)氧乳化瀝青黏結(jié)層的剪切疲勞壽命。綜上可知，目前國內(nèi)有關(guān)層間黏結(jié)材料的研究主要集中在采用層間剪切、拉拔試驗(yàn)以及剪切疲勞試驗(yàn)測試各類黏結(jié)材料的路用性能，缺乏對黏結(jié)材料自身強(qiáng)度和柔韌性的研究。

基于此，本文自制水性環(huán)氧樹脂、水性聚氨酯及其復(fù)合改性瀝青黏結(jié)材料，并進(jìn)行其強(qiáng)度和柔韌性能研究，在不同溫度下測試不同配比的改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，研究水性環(huán)氧樹脂和水性聚氨酯對乳化瀝青性能的影響，以期為水性環(huán)氧樹脂／聚氨酯改性乳化瀝青黏結(jié)料在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

制備乳化瀝青的原材料和改性劑包括AH－70瀝青、陽離子中裂快凝型乳化劑、無機(jī)穩(wěn)定劑無水氯化鈣、有機(jī)穩(wěn)定劑聚乙烯醇（PVA）以及鹽酸等；改性劑包括雙組分水性環(huán)氧樹脂和水性聚氨酯，其中水性環(huán)氧樹脂A組分稀釋穩(wěn)定性好，B組分固化劑為不含游離表面活性劑的可稀釋性胺類固化劑，具有較好的穩(wěn)定性，可常溫快速固化。水性聚氨酯采用國產(chǎn)AH－1704非離子零VOC水性聚氨酯樹脂。各原材料主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 各原材料主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性乳化瀝青的制備

采用先乳化后改性的方法進(jìn)行改性乳化瀝青的制備；先采用JM－L65型立式乳化瀝青膠體磨制備乳化瀝青，乳化劑用量為1.8%，乳液pH值為2～3，油水比為6∶1 114，無機(jī)和有機(jī)穩(wěn)定劑各摻0.2%；使用時再摻加水性環(huán)氧樹脂以及水性聚氨酯制備改性乳化瀝青，水性環(huán)氧樹脂／水性聚氨酯復(fù)合改性乳化瀝青制備過程如下。

（1）將一定質(zhì)量的水性環(huán)氧樹脂加入乳化瀝青初步攪拌混合均勻，按照一定比例加入水性聚氨酯，超聲波處理5min后，繼續(xù)在超聲波作用下利用高速混合剪切儀以100～300r·min－1的速度低速剪切攪拌3min，使得環(huán)氧樹脂、聚氨酯、瀝青充分接觸反應(yīng)。

（2）接下來按照與水性環(huán)氧樹脂A組分質(zhì)量比為1∶1的比例向混合液中加入固化劑，并以500～800r·min－1的速度高速剪切攪拌3min，最后手動慢速攪拌1min消泡后得到可常溫快速固化的改性浮化瀝青。水性環(huán)氧樹脂或聚氨酯改性乳化瀝青的制備方法同理。

1.3 改性乳化瀝青性能測試

1.3.1 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)《樹脂澆注體性能試驗(yàn)方法》（GB／T 2567—2008）中的拉伸性能試驗(yàn)方法，對改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率進(jìn)行測試，拉伸速度為10mm·min－1。

改性乳化瀝青中各組分摻配比例按照有效成分質(zhì)量（固含量）計算，分別向制備好的乳化瀝青中摻入占瀝青質(zhì)量0%、30%、50%、70%的水性環(huán)氧樹脂（水性環(huán)氧樹脂有效成分A）與B之比為1∶1），以及占瀝青質(zhì)量0%、10%、20%、30%的水性聚氨酯，制備不同水性環(huán)氧樹脂／聚氨酯摻量的改性乳化瀝青，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)試件制作。將試件置于50℃恒溫烘箱中分別養(yǎng)生24h，在5℃、25℃和50℃恒溫箱中保溫4h后測試不同溫度下的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。

1.3.2 老化試驗(yàn)

參考《路橋用水性瀝青基防水涂料》（JT／T 535—2015）、《水乳型瀝青防水涂料》（JC／T 408—2005）等黏結(jié)料規(guī)范，分別對黏結(jié)料拉伸試驗(yàn)啞鈴型試件進(jìn)行熱老化、紫外線老化、高溫強(qiáng)光照老化處理，然后測試試件拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，以拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率保持率作為黏結(jié)料耐老化性能的評價指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 改性乳化瀝青的強(qiáng)度和柔韌性

不同水性環(huán)氧樹脂以及水性聚氨酯摻量下，改性乳化瀝青性能差異主要體現(xiàn)在強(qiáng)度和柔韌性方面。拉伸強(qiáng)度可體現(xiàn)出水性環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)效果，斷裂伸長率可體現(xiàn)出水性聚氨酯的增韌效果，同時2個指標(biāo)也能間接體現(xiàn)出黏結(jié)料低溫柔韌性能和耐沖擊等性能。因此本文研究不同摻配比例下的改性乳化瀝青在不同測試溫度條件下的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 伸長強(qiáng)度測試結(jié)果

圖2 斷裂伸長率測試結(jié)果

2.1.1 測試溫度對拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響

在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度隨著測試溫度的升高而降低，5℃條件下拉伸強(qiáng)度約為50℃拉伸強(qiáng)度的2倍。在相同的水性環(huán)氧樹脂／水性聚氨酯摻量下，隨著測試溫度的升高，黏結(jié)料斷裂伸長率逐漸增大。測試溫度在5℃～25℃時斷裂伸長率增長幅度小于測試溫度在25℃～50℃時的增長幅度，這表明隨著測試溫度的升高，改性乳化瀝青中瀝青自身的感溫特性開始表現(xiàn)，其強(qiáng)度逐漸降低，表現(xiàn)出良好的延展性。50℃下隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青拉伸強(qiáng)度增加明顯；5℃低溫下隨著水性聚氨酯摻量的增加，改性乳化瀝青斷裂伸長率增長顯著。

2.1.2 水性環(huán)氧樹脂摻量對拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響

未摻加水性聚氨酯的條件下，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，同時其斷裂伸長率急劇減小。當(dāng)水性聚氨酯摻量相同時，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，復(fù)合改性乳化瀝青的強(qiáng)度不斷增加，水性環(huán)氧樹脂摻量為70%的改性瀝青拉伸強(qiáng)度約為摻量為30%時的2倍，同時復(fù)合改性乳化瀝青斷裂伸長率逐漸降低。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量達(dá)70%時，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的斷裂伸長率降至10%以下，基本失去彈性，表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性特征。這說明水性環(huán)氧樹脂能顯著改善黏結(jié)料自身強(qiáng)度，但其摻量超過50%后拉伸強(qiáng)度增加幅度降低，且過高摻量下表現(xiàn)出環(huán)氧樹脂自身柔韌性差的特征，建議水性環(huán)氧樹脂摻量不超過50%。

2.1.3 水性聚氨酯摻量對拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響

未摻加水性環(huán)氧樹脂時，隨著水性聚氨酯摻量的增加，改性乳化瀝青拉伸強(qiáng)度略微增加，同時低溫斷裂伸長率增加顯著，高溫條件下斷裂伸長率幾乎無變化。相同水性環(huán)氧樹脂摻量下，隨著水性聚氨酯摻量增加，復(fù)合改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度有所降低，斷裂伸長率逐漸增加。隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，水性聚氨酯對位伸強(qiáng)度影響幅度減??；增加水性聚氨酯摻量時復(fù)合改性乳化瀝青斷裂伸長率增長幅度亦逐漸降低。當(dāng)水性環(huán)樹脂氧摻量達(dá)到70%，增大水性聚氨酯摻量對斷裂伸長率的改善并不明顯，表明增加水性聚氨酯摻量對黏結(jié)料拉伸強(qiáng)度影響較小，但黏結(jié)料斷裂伸長率得到顯著提升。在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，隨著水性聚氨酯摻量增加，改性乳化瀝青斷裂伸長率增長幅度略微降低，建議水性聚氨酯摻量為30%。

綜合以上分析可知，水性環(huán)氧樹脂的摻加能提高乳化瀝青黏結(jié)料的高溫黏結(jié)強(qiáng)度，水性聚氨酯的摻加能改善其低溫柔韌性；當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為50%，水性聚氨酯摻量為30%時，復(fù)合改性乳化瀝青25℃拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.1MPa以上，5℃斷裂伸長率可達(dá)150%以上，表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和柔韌性，推薦以上配比作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)封層黏層材料，并對以上配比黏結(jié)料進(jìn)行老化性能研究。

2.2 老化后強(qiáng)度和柔韌性

分別將水性環(huán)氧樹脂摻量為50%、水性聚氨酯摻量為30%的復(fù)合改性乳化瀝青黏結(jié)料拉伸試件進(jìn)行高溫老化、紫外線老化和高溫強(qiáng)光照老化處理，測試其老化后的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，并與未老化處理的對照試件進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，與對照試件相比，3種老化條件作用下黏結(jié)料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均略有降低，紫外線老化后降低最明顯，其次為高溫老化和高溫強(qiáng)光照老化；高溫老化拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率保持率分別為96.4%和93.5%，紫外線老化分別為85.9%和83.2%，高溫強(qiáng)光照老化分別為89.3%和85.4%。不同條件老化后，改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均在83%以上，高于規(guī)范70%的要求，表明改性乳化瀝青均具有良好的耐老化性能。

圖3 不同老化條件下拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率及其保持率

3 結(jié) 語

（1）隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性乳化瀝青黏結(jié)料的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，同時其斷裂伸長率急劇減小，但隨著摻量繼續(xù)增加，拉伸強(qiáng)度增長幅度減低；當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量達(dá)70%時，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的斷裂伸長率降至10%以下，表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性特征。

（2）隨著水性聚氨酯摻量的增加，改性乳化瀝青的強(qiáng)度降低，低溫斷裂伸長率增加；但增加水性聚氨酯摻量時改性乳化瀝青斷裂伸長率增長幅度亦逐漸降低；當(dāng)水性環(huán)樹脂氧摻量為70%，增大水性聚氨酯摻量對斷裂伸長率的改善不明顯。

（3）水性聚氨酯能有效改善高摻量水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的柔韌性，水性環(huán)氧樹脂摻量為50%、水性聚氨酯摻量為30%時，水性環(huán)氧樹脂／水性聚氨酯復(fù)合改性乳化瀝青25℃拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.1MPa以上，5℃斷裂伸長率可達(dá)150%以上，表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和柔韌性。

（4）改性乳化瀝青高溫老化后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率保持率分別為96.4%和93.5%，紫外線老化后分別為85.9%和83.2%，高溫強(qiáng)光照老化后分別為89.3%和85.4%。不同條件老化后，改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度保持率和斷裂伸長率保持率均在83%以上，高于規(guī)范70%的要求，表現(xiàn)出良好的耐老化性能。