水性環(huán)氧改性乳化瀝青流變性能研究

何麗紅,侯藝桐,鄧穩(wěn),溫仙仙,陳竟?jié)?/p>

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)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)

水性環(huán)氧乳化瀝青是一種新興的改性乳化瀝青，兼具環(huán)氧樹(shù)脂和乳化瀝青的優(yōu)點(diǎn)，可提高路面的高溫穩(wěn)定性、耐磨、粘結(jié)力以及防水等性能，目前，水性環(huán)氧改性乳化瀝青研制及其在道路工程中的應(yīng)用處于探索實(shí)驗(yàn)階段[1-3]。研究人員對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域做了較多實(shí)驗(yàn)研究，但有關(guān)膠結(jié)料流變性能研究較少[4-6]。

本文制備不同環(huán)氧摻量的改性乳化瀝青，運(yùn)用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試溫度掃描、頻率掃描及時(shí)間掃描模式下水性環(huán)氧改性乳化瀝青高溫性能及抗疲勞性能，并對(duì)其針入度、軟化點(diǎn)、延度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

乳化瀝青，陽(yáng)離子型；水性環(huán)氧體系，由A、B兩組分組成，其中A為自乳化型水性環(huán)氧樹(shù)脂，乳白色均勻液體，固含量50%，環(huán)氧當(dāng)量1 200～1 850 g/eq，25 ℃旋轉(zhuǎn)粘度 500～3 000 mPa·s；B為水溶性固化劑，淺黃色透明液體，胺值260～320 mgKOH/g，25 ℃旋轉(zhuǎn)粘度280～400 mPa·s。

TA DHR-2動(dòng)態(tài)剪切流變儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先將水性環(huán)氧體系A(chǔ)組分與B組分按照質(zhì)量比2∶1于室溫條件下混合均勻配制水性環(huán)氧體系，并按照5%,10%,15%,20%摻量加入到乳化瀝青中，以1 200 r/min的速率勻速剪切30 min后，即可得到4組目標(biāo)樣品。同時(shí)，將不摻水性環(huán)氧體系的乳化瀝青作為參照對(duì)比樣品。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 流變性能 采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，將樣品加熱至流體狀態(tài)后澆筑在聚四氟乙烯膜上，待樣品冷卻至固態(tài)，放置于儀器板間，待保溫完成后開(kāi)始測(cè)試。其中溫度掃描實(shí)驗(yàn)參數(shù)根據(jù)superpave結(jié)合料規(guī)范確定溫度區(qū)間為46～76 ℃，溫度梯度為6 ℃；頻率掃描：在60 ℃條件下施加0.1～100 rad/s的荷載；時(shí)間掃描實(shí)驗(yàn)參數(shù)：實(shí)驗(yàn)溫度 25 ℃，實(shí)驗(yàn)頻率10 rad/s，施加10%應(yīng)變的交變正弦荷載，采用復(fù)數(shù)模量降至50%初始模量與加載時(shí)間的關(guān)系對(duì)水性環(huán)氧改性乳化瀝青的抗疲勞性能進(jìn)行表征。

1.3.2 殘留物三大指標(biāo) 利用直接加熱法得到各樣品蒸發(fā)殘留物，進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)及延度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫性能

2.1.1 復(fù)數(shù)剪切模量 圖1為水性環(huán)氧改性乳化瀝青殘留物的復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度及頻率的變化關(guān)系曲線。

圖1 水性環(huán)氧乳化瀝青復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度及頻率的變化曲線Fig.1 Curve of complex shear modulus of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的變化；b.復(fù)數(shù)剪切模量隨頻率的變化(60 ℃)

由圖1a可知，各樣品的復(fù)數(shù)模量與溫度呈反比關(guān)系，這很大程度上是因?yàn)闉r青是一種感溫性材料，溫度的上升會(huì)使其粘度減小[7]。同時(shí)由圖1a還可知，在相同溫度下，隨著水性環(huán)氧含量的增加，各樣品復(fù)數(shù)模量逐步增大，且當(dāng)溫度升高時(shí)，水性環(huán)氧的摻入使各樣品的復(fù)數(shù)剪切模量增大更為明顯，這說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂的固化產(chǎn)物會(huì)阻礙瀝青分子的流動(dòng)，降低膠結(jié)料的粘性成分，從而增加復(fù)數(shù)剪切模量，從而提高乳化瀝青的熱穩(wěn)定性。由圖1b可知，所有樣品復(fù)數(shù)剪切模量均隨頻率的升高整體呈上升趨勢(shì)，在相同加載頻率下，各樣品復(fù)數(shù)模量與環(huán)氧摻量呈正比。由圖1b還可知，當(dāng)水性環(huán)氧摻量<10%時(shí)，頻率對(duì)樣品復(fù)數(shù)模量有較大影響。這是因?yàn)楫?dāng)水性環(huán)氧摻量<10%時(shí)，樣品中環(huán)氧樹(shù)脂骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，大部分瀝青游離于體系內(nèi)[4]。

2.1.2 相位角 相位角δ可表征材料性質(zhì)。在多數(shù)情況下，或者在瀝青路面的使用溫度條件下，瀝青膠結(jié)料主要表現(xiàn)為粘彈性[8]。圖2為不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量下的水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角隨溫度及頻率的變化關(guān)系曲線。

圖2 水性環(huán)氧乳化瀝青相位角隨溫度及頻率的變化曲線Fig.2 Curve of phase angle of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.相位角隨溫度的變化;b.相位角隨頻率的變化(60 ℃)

由圖2a可知，在相同溫度下，各樣品相位角與環(huán)氧摻量呈正比關(guān)系。這是因?yàn)樗原h(huán)氧樹(shù)脂在瀝青材料內(nèi)部形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效阻止瀝青的流動(dòng)，從而降低材料的粘度，提高其彈性。由圖2b可知，隨著體系內(nèi)頻率的增大，樣品相位角都有不同程度的減小趨勢(shì)，這是因?yàn)楹奢d頻率的增大會(huì)加快瀝青分子之間的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致增加其恢復(fù)形變的能力。在相同加載頻率下，材料的相位角會(huì)隨著水性環(huán)氧摻量的增加而減小，這表明水性環(huán)氧摻量的增加會(huì)給予瀝青更多的彈性成分，這對(duì)瀝青材料在荷載作用下恢復(fù)形變有積極作用[9]。

2.1.3 車(chē)轍因子 抗車(chē)轍因子G*/sinδ是早期的SHRP計(jì)劃中提出用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料高溫抵抗車(chē)轍能力的一個(gè)參數(shù)[10]。圖3為各摻量水性環(huán)氧乳化瀝青蒸發(fā)殘留物車(chē)轍因子。

圖3 水性環(huán)氧乳化瀝青抗車(chē)轍因子隨溫度及頻率的變化曲線Fig.3 Curve of rutting resistance factor of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.車(chē)轍因子隨溫度的變化;b.車(chē)轍因子隨頻率的變化(60 ℃)

由圖3a可知，隨著溫度的升高，各摻量環(huán)氧樹(shù)脂下的改性乳化瀝青車(chē)轍因子都降低，但在相同溫度下，水性環(huán)氧摻量越多，改性乳化瀝青抗車(chē)轍因子越大。這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂固化后在瀝青材料內(nèi)部形成穩(wěn)定且具有一定強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)，從而提高水性環(huán)氧乳化瀝青的抗車(chē)轍性能。由圖3b可知，在相同的測(cè)試溫度下，加載頻率越大，改性乳化瀝青抗車(chē)轍因子越大。這是因?yàn)楫?dāng)受荷載作用頻率加快時(shí)，相對(duì)應(yīng)的樣品所受的荷載剪切作用力的時(shí)間也就越短，這就使樣品在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的剪切變形量相對(duì)較小，所以在高頻區(qū)，樣品會(huì)展現(xiàn)出更加優(yōu)良的彈性恢復(fù)變形能力。與之相反，在低頻區(qū)，瀝青材料的彈性恢復(fù)形變能力較差，而低頻代表著較低的行車(chē)速度，這也就解釋了為什么在停車(chē)場(chǎng)、減速帶會(huì)有較多車(chē)轍的原因。

2.2 抗疲勞性

水性環(huán)氧改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)模量隨加載時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 水性環(huán)氧乳化瀝青復(fù)數(shù)模量-加載時(shí)間曲線Fig.4 Complex modulus-loading time curve of waterborne epoxy emulsified asphalt

由圖4可知，不同環(huán)氧摻量的水性環(huán)氧改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量都隨加載時(shí)間的增加而減小，衰減規(guī)律近似相同。在荷載作用初期，隨著加載時(shí)間的增加，復(fù)數(shù)剪切模量迅速下降，隨后進(jìn)入平穩(wěn)期，直至瀝青內(nèi)部發(fā)生破壞，這與瀝青混合料在應(yīng)變控制模式下的勁度模量變化規(guī)律較為相似[11]。且隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，其改性乳化瀝青復(fù)數(shù)模量降至50%初始模量所需加載時(shí)間增大，疲勞破壞點(diǎn)推遲出現(xiàn)，抗疲勞性能逐步提高。這說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青的抗疲勞性能有積極作用。

2.3 殘留物三大指標(biāo)

表1為不同水性環(huán)氧摻量下水性環(huán)氧改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。

表1 水性環(huán)氧乳化瀝青三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of three main indexes of waterborne epoxy emulsified asphalt

由表1可知，參照對(duì)比樣乳化瀝青的針入度為66.7(0.1 mm)，軟化點(diǎn)為54 ℃，5 ℃延度為 17.2 cm；水性環(huán)氧摻量的增加會(huì)使其軟化點(diǎn)增大，針入度和延度減小。當(dāng)環(huán)氧摻量為20%時(shí)，軟化點(diǎn)達(dá)到62.0 ℃，針入度減少了34.8%，為43.5(0.1 mm)，延度降低了79.1%，為3.6 cm。這是由于環(huán)氧樹(shù)脂為熱固性樹(shù)脂，會(huì)賦予瀝青較好的熱穩(wěn)定性；而且環(huán)氧樹(shù)脂固化后會(huì)有較大剛度，會(huì)讓瀝青材料具有更高的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻入會(huì)提高其改性乳化瀝青的彈性成分，在摻量大于10%時(shí)更為明顯。這將有利于其在高溫低頻條件下具有良好的彈性恢復(fù)變形能力，并且有效提升高溫穩(wěn)定性。

(2)水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻入會(huì)推后乳化瀝青疲勞損傷點(diǎn)，抗疲勞性能提高；水性環(huán)氧摻量越高，材料抗疲勞性能越好。

(3)水性環(huán)氧摻量的增加會(huì)使其軟化點(diǎn)逐漸增大，針入度和延度都減小，高溫性能逐步提升。同時(shí)，三大指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果與其流變行為曲線得出的結(jié)論相一致。