SRX水基聚合物材料性能研究

何麗紅，鄧穩(wěn)，朱洪洲，侯藝桐，朱真景

( 1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

SRX(Solution Road Soilfix)是一種水基的、以多種壓力敏感性樹脂以及高強(qiáng)抗老化樹脂聚合而成的特殊路用聚合物，用于替代瀝青和水泥的柔性路面材料[1]，主要針對全厚式瀝青長壽道路，直接與集料拌和使用，一般應(yīng)用于道路基層[2-5]。杜洪新[5]對SRX聚合物的3種穩(wěn)定材料進(jìn)行路用性能驗證，證明SRX聚合物級配碎石應(yīng)用于道路基層建設(shè)中是可行的。余永飛等[6]對SRX聚合物級配碎石進(jìn)行疲勞試驗并建立疲勞方程，結(jié)果表明應(yīng)力水平和SRX含量直接影響SRX聚合物級配碎石的疲勞壽命。目前研究者們對SRX聚合物材料本身的性能研究較少?；诖?，本論文主要針對SRX聚合物材料的性能進(jìn)行研究分析，為后期在SRX聚合物穩(wěn)定材料柔性基層的應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

SRX聚合物，Romix International Ltd.公司生產(chǎn)，各項物理性能見表1。

表1 SRX聚合物物理性能Table 1 Physical properties of SRX polymer

SRX聚合物的有效成分為聚甲基丙烯酸乙酯[—(CH2CCH2-COOCH2CH3)n—]，具有較強(qiáng)的耐高溫性能[7]。從外觀上看，SRX聚合物為溶液狀態(tài)，呈棕灰色，并帶有輕微刺激性氣味。取樣時需將試樣筒搖晃均勻，否則易凝固成黑色塊狀物。

RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器；STA 449C綜合熱分析儀(DSC/TG)；TENSOR Ⅱ傅里葉紅外光譜儀(FTIR)；DHR-2動態(tài)剪切流變儀(DSR)。

1.2 SRX性能測試與結(jié)構(gòu)表征

餾分分析：采用蒸餾試驗獲得低沸點輕質(zhì)組分，試驗溫度100 ℃。

固含量：參照乳化瀝青蒸發(fā)殘留物含量(T 0651—1993)測量SRX聚合物固含量，其計算公式如式1：

(1)

式中Pb——乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物含量，%；

m1——試樣容器、玻璃棒的合計質(zhì)量，g；

m2——試樣容器、玻璃棒及乳液的合計質(zhì)量，g；

m3——試樣容器、玻璃棒及殘留物合計質(zhì)量，g。

熱重分析：運用TG分析SRX聚合物的熱穩(wěn)定性，測試溫度30～600 ℃，保護(hù)氣體和沖掃氣體為高純氮，氣體流量分別為20，40 mL/min，升溫速度為10 ℃/min。

紅外分析：采用KBr壓片對比分析SRX蒸餾殘留物、SRX聚合物、SRX蒸餾餾分紅外光譜，掃描范圍為400～4 000 cm-1。

粘彈性：采用溫度掃描方式分析SRX聚合物粘彈性，在應(yīng)變率為6%的條件下對SRX聚合物下進(jìn)行溫度掃描，試驗溫度為40～82 ℃，溫度間隔為6 ℃。

黏附性：參照T 0654—2011水煮法測試SRX聚合物與粗集料黏附性，評價其抗剝落能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 SRX聚合物組分分析

2.1.1 餾分 100 ℃油浴蒸餾過程中，蒸餾約10 min后圓孔燒瓶上端表面產(chǎn)生少許紫色固體物質(zhì)，燒瓶底座仍有部分SRX原液，之后表面的紫色物質(zhì)逐漸增多，后面慢慢變黑；30 min后，燒瓶底座與其上端表面物質(zhì)均變成了黑色固體，此后并無質(zhì)量的變化。

在蒸餾過程中，蒸餾頭處有無色蒸汽蒸出，經(jīng)冷凝管冷凝后得到無色液體，同時在蒸餾頭與圓孔燒瓶連接處能明顯聞到胺味，可能含有某類胺類化合物。測得該蒸汽溫度為52.4 ℃，該成分可能為溶液中的輕質(zhì)組分，黑色殘留物可能為高沸點樹脂混合聚合物。

2.1.2 蒸發(fā)殘留物 在試驗加熱過程中，隨著輕質(zhì)組分和水分揮發(fā)，SRX聚合物黏度逐漸增加，至不流動態(tài)，慢慢固化變硬呈黑色固體狀態(tài)。SRX聚合物可能為熱固性材料，在失水形成固體后形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，重復(fù)加熱時不具備可塑性變形。試驗殘留的黑色物質(zhì)為SRX聚合物中的高沸點樹脂類聚合物，運用式(1)測得其固含量為29.76%。

2.1.3 熱重分析 SRX聚合物TG測試結(jié)果見圖1。

圖1 SRX聚合物TG圖Fig.1 SRX polymer TG diagram

由圖1可知，在58.3～145.8 ℃之間，SRX聚合物質(zhì)量損失為75.30%，主要是聚合物中輕質(zhì)組分以及水分的揮發(fā)所致，與蒸發(fā)殘留物試驗中其固含量為29.76%(100 ℃油浴)相對應(yīng)；溫度升高至300 ℃，SRX質(zhì)量基本無損失，表明其能承受300 ℃高溫處理而不分解，熱穩(wěn)定性良好；386.4 ℃時，質(zhì)量損失為15.25%，這是由于SRX聚合物中的高沸點樹脂類聚合物發(fā)生熱分解；溫度升至500 ℃之后，質(zhì)量保持不變，殘余質(zhì)量比例為8.14%，推斷為SRX聚合物熱分解后的碳化物。

從以上分析可知，SRX水基聚合物在300 ℃高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，能滿足SRX柔性穩(wěn)定材料基層道路施工的溫度要求。

2.1.4 FTIR分析 SRX蒸餾殘留物、SRX聚合物、SRX蒸餾餾分FTIR分析結(jié)果見圖2，分別對應(yīng)譜線a，b，c。

圖2 SRX蒸餾殘留物(a)，SRX聚合物(b)，SRX蒸餾餾分(c)FTIR圖Fig.2 SRX distillation residue (a),SRX polymer (b),SRX distillation fraction (c) FTIR diagram

從紅外光譜結(jié)果可知，SRX聚合物中含有較多極性基團(tuán)，且在100 ℃高溫下，化學(xué)結(jié)構(gòu)幾乎無變化，仍保持較高的穩(wěn)定狀態(tài)，說明其化學(xué)性質(zhì)不受高溫影響。

2.2 粘彈性

一般要求膠結(jié)料在高溫時有較高彈性，以抵抗荷載作用下發(fā)生變形，在低溫時柔軟而具有彈性，以抵抗低溫疲勞開裂，以其來表征膠結(jié)料的抗永久變形和疲勞開裂能力。SRX聚合物屬于高分子熱固性材料，在失水形成固體后，不能加熱后重新軟化，冷卻后仍保持不均勻立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5]。因此，本文將SRX聚合物在自然環(huán)境下放置13 d得到其固含物，保持恒重后，再用小刀將其劃分為多個小正方形，制成樣品。

2.2.1 復(fù)數(shù)剪切模量G*復(fù)數(shù)剪切模量為最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變的比值，其值越大表明SRX聚合物的溫度穩(wěn)定性越高。復(fù)數(shù)剪切模量G*和溫度曲線見圖3。

圖3 SRX聚合物復(fù)數(shù)剪切模量G*與溫度的變化曲線Fig.3 Curve of complex shear modulus G* and temperature of SRX polymer

由圖3的曲線變化規(guī)律可知，SRX為溫度敏感性材料，且隨著溫度升高，復(fù)數(shù)剪切模量G*呈下降趨勢，表明SRX聚合物的彈性和黏性特征均下降。在低溫40 ℃達(dá)到最大模量值259.5 kPa，高溫82 ℃時模量值仍然能達(dá)到27.70 kPa，高溫時較高的復(fù)數(shù)剪切模量G*表明其高溫穩(wěn)定性較好，具有較好的抵抗變形能力。

2.2.2 相位角δ相位角是描述應(yīng)力與應(yīng)變延遲的物理量，相位角δ反映的是粘彈性材料動態(tài)響應(yīng)中彈性行為和粘性行為所占份額的關(guān)系，材料的δ越小，越接近0°，說明其力學(xué)響應(yīng)越接近彈性行為；材料的δ越大，越接近90°，說明其力學(xué)響應(yīng)越接近粘性行為。

在上述相同試驗條件下進(jìn)行溫度掃描，SRX聚合物相位角隨溫度變化曲線圖見圖4。

圖4 SRX聚合物相位角δ與溫度的變化曲線Fig.4 SRX polymer phase angle and temperature curve

由圖4可知，40 ℃時相位角達(dá)到最高值44.1°，且隨著溫度的升高，SRX聚合物的相位角均減小，表明溫度增加，其彈性成分隨之增加，彈性恢復(fù)能力較強(qiáng)。這是由于SRX聚合物具有完善的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在高溫條件下鏈段發(fā)生相對位移，應(yīng)變能適應(yīng)應(yīng)力的變化。因此，相應(yīng)彈性恢復(fù)能力強(qiáng)，有利于其穩(wěn)定材料在荷載作用下恢復(fù)形變。

2.3 黏附性

SRX聚合物是在常溫條件下和集料直接拌和使用，和傳統(tǒng)冷拌瀝青混合料一樣，其強(qiáng)度的組成為兩部分，分別是集料的嵌擠作用和膠結(jié)料的粘結(jié)作用。本文采用水煮法評價SRX聚合物和粗集料的裹覆性能，間接判斷其穩(wěn)定材料的抗剝離能力。將兩組粒徑為9.5 mm的粗集料分別在SRX聚合物溶液和乳化瀝青溶液中浸泡45 s，晾置15 min，最后在微沸水中浸沸3 min，結(jié)果見圖5～圖6。

圖5 SRX水基聚合物黏附性Fig.5 SRX water-based polymer adhesion

圖6 乳化瀝青黏附性Fig.6 Emulsified asphalt adhesion

由圖5可知，水煮3 min后，SRX聚合物剝落情況不明顯，只有較少處棱角有些許剝落，其裹覆面積>2/3，滿足規(guī)范的黏附性要求。而由圖6可知，乳化瀝青的剝落情況較明顯，集料表明和棱角處都有剝落?？芍?，SRX聚合物的黏附能力好于乳化瀝青的黏附能力。這是因為SRX聚合物溶于水并以水為傳導(dǎo)媒介均勻分散到集料，使得SRX溶液完全包裹在集料表面。同時從紅外光譜分析可知，SRX聚合物分子中大量吸附能力較強(qiáng)的穩(wěn)定極性官能團(tuán)使得SRX與集料之間黏附強(qiáng)度增強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)蒸發(fā)殘留物試驗可知，SRX聚合物為熱固性材料，且固含量為29.76%；TG分析表明，145.8 ℃時的SRX殘余質(zhì)量為24.70%，能承受300 ℃高溫處理而不分解，熱穩(wěn)定性良好，同時，386.4 ℃后SRX聚合物中的膠結(jié)材料開始熱分解。

(2)DSR試驗可知，SRX聚合物為感溫性材料，隨著溫度的升高，其復(fù)數(shù)剪切模量G*與相位角均降低，表明其彈性成分增加，抗恢復(fù)能力較強(qiáng)。

(3)通過FTIR和黏附性試驗表明SRX聚合物中含有較多極性基團(tuán)，能保SRX聚合物與集料較好的粘附，且與集料的界面結(jié)合能力強(qiáng)于乳化瀝青，較強(qiáng)的抗剝落能力可保證其穩(wěn)定材料不會因環(huán)境條件而失效。