水性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)配SBR改性乳化瀝青橋面鋪裝黏結(jié)層性能研究

賴(lài)嘉洲

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550)

0 引言

為了兼顧改性乳化瀝青路用材料的綜合路用性能，且兼?zhèn)渲苽涔に嚭?jiǎn)單、易分散、貯存穩(wěn)定性好等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，許多學(xué)者開(kāi)始嘗試將水性環(huán)氧樹(shù)脂用于制備改性乳化瀝青。水性環(huán)氧樹(shù)脂具有強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能優(yōu)良的特點(diǎn)，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青系列混合料也具備優(yōu)異的黏結(jié)強(qiáng)度、高溫性能與抗水損害等性能，且水性環(huán)氧樹(shù)脂與普通乳化瀝青的配伍性良好、在乳化瀝青中分散性良好，制備工藝也日漸成熟。

目前水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青及其混合料產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝防水黏結(jié)層等工程，并取得良好的防水、抗滑和抗車(chē)轍性能使用效果。更進(jìn)一步，有學(xué)者提出將SBR與水性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)配，由此制備的復(fù)合改性乳化瀝青既具備水性環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能優(yōu)良的特點(diǎn)，又能有效提高SBR改性乳化瀝青高溫性能和黏附性能，因此有必要將水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR改性瀝青進(jìn)行復(fù)配，以實(shí)現(xiàn)2種改性劑對(duì)乳化瀝青性能的疊加改善作用。

現(xiàn)有研究對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青的針入度體系及拉伸性能等分析仍不全面，有關(guān)水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR膠乳摻量仍缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，這限制了復(fù)合改性乳化瀝青的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。基于此，筆者通過(guò)水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的針入度指標(biāo)性能、拉伸性能進(jìn)行研究，并采用熒光顯微鏡對(duì)其微觀特征進(jìn)行表征和分析，以期拓寬水性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合SBR改性乳化瀝青的適用范圍。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液 水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑均由山西某廠家提供，廠家推薦的環(huán)氧樹(shù)脂(N4E2)與固化劑(HGB)比例為1∶1，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑主要技術(shù)指標(biāo)

2)SBR改性乳化瀝青 制備SBR改性乳化瀝青的主要原材料包括殼牌A-90基質(zhì)瀝青、LYE-B101陽(yáng)離子慢裂慢凝乳化劑、陽(yáng)離子丁苯膠乳L(zhǎng)YE-R03、水。在實(shí)驗(yàn)室自制SBR改性乳化瀝青。

1.2 水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青制備

采用先乳化后改性的方法，主要制備工藝參數(shù)為：①將水性環(huán)氧樹(shù)脂與乳化劑以1∶1質(zhì)量比混合，攪拌5min使水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑混合均勻，其余原材料均按預(yù)定質(zhì)量稱(chēng)量，將殼牌A-90基質(zhì)瀝青加熱至140℃?zhèn)溆?；②將乳化劑加?0℃水中，開(kāi)啟剪切機(jī)，調(diào)節(jié)剪切速率為2 000r/min；③以10g/min速度將殼牌A-90基質(zhì)瀝青(140℃)加入乳化劑(摻量為2%)與水混合溶液中；④待基質(zhì)瀝青添加至預(yù)定質(zhì)量(按固含量62%控制基質(zhì)瀝青摻量)后，調(diào)節(jié)剪切機(jī)速率至4 000r/min，保持此剪切速率，剪切25min，制備完成乳化瀝青；⑤將預(yù)定質(zhì)量的水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR膠乳一同加入乳化瀝青(溫度為60℃)中，保持剪切速率為2 000r/min，剪切10min，完成水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青制備。

1.3 復(fù)合改性瀝青評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂和SBR改性劑，復(fù)合改性瀝青兼顧水性環(huán)氧樹(shù)脂的熱固屬性和丁苯橡膠的延展性。試驗(yàn)研究參照GB/T 38990—2020《道路用水性環(huán)氧樹(shù)脂乳化瀝青混合料》、JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》、JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》技術(shù)指標(biāo)要求(見(jiàn)表2)，本文以水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性瀝青殘留物的針入度、軟化點(diǎn)、延度、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)考察推薦復(fù)配方案下水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性瀝青的貯存穩(wěn)定性與施工和易性，最終推薦適宜的水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR膠乳摻配比例。

表2 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)匯總

2 水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青性能

2.1 針入度指標(biāo)體系性能

改性乳化瀝青性能主要取決于其蒸發(fā)殘留物性能。采用微波加熱獲取復(fù)合改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物，研究水性環(huán)氧樹(shù)脂和SBR膠乳摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度、延度(5℃)、軟化點(diǎn)和拉伸性能的影響趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知：

表3 水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性瀝青針入度指標(biāo)性能

1)相同SBR膠乳摻量下，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增大，復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的針入度減小、軟化點(diǎn)增大、延度減小，表明增大水性環(huán)氧樹(shù)脂主要改善復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的高溫性能，同時(shí)降低其低溫性能。水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量增大，水性環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)交聯(lián)聚合形成高剛度三維網(wǎng)分散于SBR改性瀝青中，蒸發(fā)殘留物由熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦?，水性環(huán)氧樹(shù)脂具有熱固屬性，固化后力學(xué)性能提升，剛度增大導(dǎo)致低溫延展性降低。

2)增大SBR膠乳后，5℃延度明顯增大，其余高溫性能指標(biāo)略有增大，表明增大SBR膠乳對(duì)復(fù)合改性瀝青殘留物高溫性能改善效果不明顯，SBR膠乳對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化殘留物的低溫性能有顯著增強(qiáng)作用。

3)隨著SBR膠乳與水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增大，復(fù)合改性乳化瀝青的1，5d貯存穩(wěn)定性降低，同時(shí)恩格拉黏度E25增大。這主要是因?yàn)椋S著2種改性劑摻量的增大，復(fù)合改性乳化瀝青體系的穩(wěn)定性降低，水性環(huán)氧樹(shù)脂在貯存過(guò)程中其摻量越大，SBR膠乳與水性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合改性乳液的黏度越大，沒(méi)有分散均勻的改性劑產(chǎn)生結(jié)團(tuán)、離析現(xiàn)象。此外，水性環(huán)氧樹(shù)脂的熱固性屬性，局部產(chǎn)生固化反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合改性乳化瀝青乳液穩(wěn)定性降低。

4)將水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR膠乳進(jìn)行復(fù)配，能兼顧2種改性劑各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在4%～10%水性環(huán)氧樹(shù)脂與4%～8%的SBR膠乳復(fù)配方案下，復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的針入度介于60～76.4(0.1mm)、軟化點(diǎn)55.9～70.6℃，復(fù)合改性乳化瀝青具有優(yōu)異的高溫性能。這取決于SBR改性劑優(yōu)異的低溫延展性，摻加6%～8%的SBR膠乳后，復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的5℃延度可達(dá)到18.8～33.9cm，低溫性能良好。

5)以滿(mǎn)足復(fù)合改性乳化瀝青1d貯存穩(wěn)定性≤1%、5d貯存穩(wěn)定性≤5%，恩格拉黏度E25介于2～30，5℃延度≥20cm，軟化點(diǎn)≥55℃，25℃針入度50～130(0.1mm)，兼顧經(jīng)濟(jì)性，推薦適宜的水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為8%、SBR膠乳摻量為6%。

2.2 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

拉伸試驗(yàn)的試件制備方法參照J(rèn)TG E20—2011中T0629—2011試驗(yàn)方法進(jìn)行。拉伸儀器采用WDL-50型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，拉伸試驗(yàn)溫度為25℃，拉伸速率為10mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知：

表4 水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性瀝青拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

1)不摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂的SBR改性瀝青整體黏結(jié)強(qiáng)度<0.5MPa，摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂后乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度明顯增大，且隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青及水性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合SBR改性瀝青的拉伸強(qiáng)度逐漸增大。4%～10%水性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合4%～8% SBR改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度1.13～2.28MPa，比4%～8% SBR單一改性乳化瀝青的拉伸強(qiáng)度提高3.5倍以上，增大水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量后復(fù)合改性瀝青交聯(lián)結(jié)構(gòu)體系增強(qiáng)，環(huán)氧樹(shù)脂固化物的熱固特性。

2)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量>8%和SBR膠乳摻量>6%后，繼續(xù)增大水性環(huán)氧樹(shù)脂或SBR膠乳摻量后復(fù)合改性瀝青的拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

3)水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青的斷裂伸長(zhǎng)率隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加逐漸減小，隨SBR膠乳摻量的增大而增大，表明增大SBR膠乳能改善復(fù)合改性瀝青的柔韌性，而水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)復(fù)合改性乳化瀝青柔韌性能具有明顯的負(fù)面影響，復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的斷裂伸長(zhǎng)率主要取決于SBR膠乳。這主要是因?yàn)?，SBR改性瀝青具有優(yōu)異的低溫延展性，但水性環(huán)氧樹(shù)脂體系為熱固性材料，環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青的性能隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，逐漸由黏彈塑性熱塑性向熱固性轉(zhuǎn)變，使得復(fù)合材料變硬變脆、柔韌性變差，最終導(dǎo)致復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低。

3 水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青微觀結(jié)構(gòu)

固定SBR膠乳摻量為6%，變化水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為4%，6%，8%，10%。將水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青澆筑試模，在40℃鼓風(fēng)條件下固化24h備用。采用基恩士 (中國(guó)) 有限公司生產(chǎn)的cossim熒光顯微在400倍物鏡下觀察水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青試樣的微觀形貌(見(jiàn)圖1)。

圖1 水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR復(fù)合改性乳化瀝青試樣熒光顯微形貌

由圖1可知，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量增大，復(fù)合改性乳化瀝青的微觀形貌逐漸發(fā)展為致密的“蜂形”連續(xù)結(jié)構(gòu)。在水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量達(dá)到10%時(shí)，水性環(huán)氧樹(shù)脂固化產(chǎn)物出現(xiàn)連續(xù)相，并在固化產(chǎn)物團(tuán)聚后在復(fù)合改性乳化瀝青中形成明顯的“蜂形”結(jié)構(gòu)。隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂和SBR改性劑摻量增大，復(fù)合改性瀝青中的“蜂形”結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量增大，“蜂形”結(jié)構(gòu)所占體積、面積與數(shù)量逐漸增大，10%水性環(huán)氧樹(shù)脂固化后，“蜂形”結(jié)構(gòu)分布逐漸連續(xù)、均勻，宏觀表現(xiàn)為復(fù)合改性瀝青試樣逐漸由熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦浴?/p>

4 工程案例

根據(jù)室內(nèi)研究成果，于2018年將6% SBR復(fù)配10%水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青應(yīng)用于瀝青混凝土橋面鋪裝防水黏結(jié)層，水泥混凝土面板銑刨7mm后，灑布水性環(huán)氧樹(shù)脂與撒布SBR復(fù)合改性乳化瀝青碎石作為防水黏結(jié)層，復(fù)合改性乳化瀝青灑布量為2～2.5kg/m2，9.5～13.2mm單粒徑碎石撒布量為9～10kg/m2，采用“兩油一料”工藝，撒布完成后養(yǎng)護(hù)48h，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后測(cè)試?yán)螐?qiáng)度1.2MPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求0.4MPa。目前橋面鋪裝已服役近2年，橋面瀝青混凝土鋪裝未見(jiàn)推移、擁包等病害，試驗(yàn)段取得滿(mǎn)意效果。

5 結(jié)語(yǔ)

1)將水性環(huán)氧樹(shù)脂與SBR膠乳進(jìn)行復(fù)配，能兼顧2種改性劑各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在4%～10%水性環(huán)氧樹(shù)脂與4%～8% SBR膠乳復(fù)配方案下，復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的針入度介于60～76.4(0.1mm)、軟化點(diǎn)55.9～70.6℃，復(fù)合改性乳化瀝青具有優(yōu)異的高溫性能。這取決于SBR改性劑優(yōu)異的低溫延展性，摻加6%～8% SBR膠乳后，復(fù)合改性乳化瀝青殘留物的5℃延度可達(dá)到18.8～33.9cm，低溫性能良好。

2)摻加水性環(huán)氧樹(shù)脂能增大復(fù)合改性瀝青的拉伸強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青變硬變脆、柔韌性降低問(wèn)題。從水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)復(fù)合改性瀝青拉伸強(qiáng)度的貢獻(xiàn)和對(duì)斷裂強(qiáng)度的負(fù)面影響考慮，綜合考慮拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，推薦適宜的水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量為6%～8%，SBR膠乳摻量為4%～8%，即可確保復(fù)合改性乳化瀝青具有足夠的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率。

3)在水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量達(dá)到10%時(shí)，水性環(huán)氧樹(shù)脂固化產(chǎn)物出現(xiàn)連續(xù)相，并在固化產(chǎn)物團(tuán)聚后在復(fù)合改性乳化瀝青中形成明顯的“蜂形”結(jié)構(gòu)。在4%水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下，“蜂形”結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量增大，“蜂形”結(jié)構(gòu)所占體積、面積與數(shù)量逐漸增大，10%水性環(huán)氧樹(shù)脂固化后，“蜂形”結(jié)構(gòu)分布逐漸連續(xù)、均勻，宏觀表現(xiàn)為復(fù)合改性瀝青試樣逐漸由熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦浴?/p>