水性環(huán)氧乳液改性乳化瀝青及微表處性能研究

李悅，趙晨軼，黃舟，吳玉生，金彩云

（1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124；2.中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)廈門宏業(yè)有限公司，福建 廈門 361026；3.北京工業(yè)大學(xué) 理學(xué)部，北京 100124）

0 引言

近年來，我國的公路建設(shè)高速發(fā)展，汽車載重量增加，交通量劇增，公路養(yǎng)護(hù)需求呈現(xiàn)快速增長的趨勢[1]。因此，開發(fā)新型的路面養(yǎng)護(hù)材料具有重要社會效益。微表處是我國公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)手段之一，可有效修補(bǔ)路面的輕微損壞，提高路面的抗滑耐磨性能及防水抗?jié)B性能，且工藝簡單，能耗小，能夠快速恢復(fù)交通[2-3]。微表處的強(qiáng)度主要來自于瀝青與集料之間的粘結(jié)力，因此乳化瀝青是微表處混合料性能的關(guān)鍵[4]，但普通乳化瀝青存在粘結(jié)強(qiáng)度低、柔韌性和穩(wěn)定性差等缺點[5]。所以，對乳化瀝青進(jìn)行改性是提升微表處綜合性能的關(guān)鍵。

水性環(huán)氧樹脂是以環(huán)氧樹脂微粒為分散相和以水為連續(xù)相的液相體系材料，可在室溫條件下及潮濕環(huán)境中固化，同時保留了環(huán)氧樹脂強(qiáng)度高和粘結(jié)力強(qiáng)的特點[6]。Zhang等[7]研究表明，水性環(huán)氧的加入可提高乳化瀝青的耐高溫性能及蒸發(fā)殘留物的物理力學(xué)性能，但水性環(huán)氧摻量高于3%時會損害其低溫性能。王佳煒[8]和周啟偉等[9]證明，在適當(dāng)比例下水性環(huán)氧與乳化瀝青具有良好的相容性，將水性環(huán)氧乳化瀝青用于微表處中，可有效提高微表處混合料的綜合性能。季節(jié)等[10]和呂建偉等[11]研究得出，水性環(huán)氧樹脂的加入顯著改善了混合料的耐高溫性能，但對低溫性能產(chǎn)生了不利影響，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為6%時，混合料的耐磨耗、抗車轍及耐水損性能最佳。Liu等[12]研究證明，水性環(huán)氧是比丁苯橡膠（SBR）更優(yōu)良的微表處改性劑，改性后的微表處具有良好的路用性能及耐久性能。Han等[13]確定了不同種類石料的最佳油石比，得出在12%的最佳環(huán)氧摻量下，微表處混合料具有優(yōu)良的綜合性能。李秀君等[14]應(yīng)用多級嵌擠級配理論對微表處級配進(jìn)行優(yōu)化，得出水性環(huán)氧樹脂摻量為5%～7%時可顯著提高微表處的耐磨耗、耐水損和抗車轍變形性能。鄭木蓮等[15]對不同水性環(huán)氧樹脂摻量下的微表處混合料的耐久性進(jìn)行評價，認(rèn)為水性環(huán)氧摻量為8%時具有最佳的耐久性。

綜上，水性環(huán)氧改性乳化瀝青及微表處還缺乏系統(tǒng)研究，如微表處混合料大多采用MS-3型級配，對MS-2型級配鮮有研究報道；對微表處混合料的路用性能評價研究較多，但配合比設(shè)計方面的研究較少，微觀結(jié)構(gòu)研究不足。為此，本文研究了水性環(huán)氧乳液對乳化瀝青的改性機(jī)理和改性后的綜合性能，并用其制備MS-2型微表處混合料，將分散破乳劑引入微表處中，確定了各組分的最佳摻量，并對其路用性能進(jìn)行了評價。

1 試驗

1.1 原材料

水性環(huán)氧乳液（WER）、水性環(huán)氧固化劑：自制，主要技術(shù)性能見表1；陽離子型乳化石油瀝青：漳州新立基瀝青有限公司，主要技術(shù)性能見表2；礦料：玄武巖，MS-2型級配（見表3）；填料：P·Ⅰ42.5水泥；添加劑：自制陰離子聚羧酸分散破乳劑，其主要技術(shù)性能見表1。

表1 水性環(huán)氧乳液、水性環(huán)氧固化劑和分散破乳劑的主要技術(shù)性能

表2 乳化瀝青的主要技術(shù)性能

表3 礦料的級配

1.2 制備工藝

（1）WER改性乳化瀝青的制備：先將陽離子型乳化石油瀝青和WER混合進(jìn)行機(jī)械攪拌，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮玫剿原h(huán)氧乳化瀝青混合乳液。把水性環(huán)氧固化劑加入上述混合乳液中（水性環(huán)氧固化劑用量=WER用量×水性環(huán)氧固化劑活潑氫當(dāng)量×WER環(huán)氧值/100），攪拌均勻即得WER改性乳化瀝青。WER和水性環(huán)氧固化劑均以乳化瀝青的質(zhì)量為基準(zhǔn)內(nèi)摻。

（2）MS-2型微表處混合料的制備：持續(xù)攪拌下依次加入礦料、填料、水、分散破乳劑、WER改性乳化瀝青，充分混合后制得WER改性乳化瀝青微表處混合料。其中填料、水、分散破乳劑和WER改性乳化瀝青摻量均按占礦料質(zhì)量計。

1.3 性能測試方法

1.3.1 WER改性乳化瀝青的性能測試

制備WER改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物：WER摻量小于9%時，采取直接加熱法制備蒸發(fā)殘留物；WER摻量大于9%時，采用先60℃烘箱恒溫蒸發(fā)，待質(zhì)量變化緩慢時再直接加熱的方法制備蒸發(fā)殘留物。

根據(jù)GB/T 38990—2020《道路用水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青混合料》和JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，對WER乳化瀝青混合乳液的5 d貯存穩(wěn)定性和WER改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的老化性能進(jìn)行測試。采用Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀分析WER乳化瀝青的改性機(jī)理。采用北京普瑞賽司儀器有限公司Axio Vert.A1熒光顯微鏡對WER與乳化瀝青的相容性進(jìn)行分析。采用Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察WER乳化瀝青的微觀形貌。采用美國TA公司差示量熱掃描分析儀測試WER乳化瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

1.3.2 微表處混合料配合比設(shè)計及性能評價

根據(jù)GB/T 38990—2020和交通部公路科學(xué)研究院主編的《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》，采用3因素3水平正交試驗對微表處各組分進(jìn)行配合比設(shè)計，采用圖1所示的6 d濕輪磨耗試樣、車轍寬度變形率試樣、8字形拉伸強(qiáng)度試樣、正拉粘結(jié)強(qiáng)度試樣，分別對其抗水損性能、抗車轍性能、抗拉性及粘結(jié)性進(jìn)行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 WER對乳化瀝青性能的影響

2.1.1 WER和乳化瀝青的紅外光譜分析

WER、乳化瀝青和6%WER改性乳化瀝青的紅外光譜如圖2所示。

從圖2可以看出：（1）WER中，3500～3300 cm-1處為WER乳液中的羥基和水性固化劑中的氨基形成的特征峰；1645～1509 cm-1處為苯環(huán)骨架伸縮振動峰，913 cm-1處為環(huán)氧基團(tuán)的特征峰；（2）乳化瀝青中，2920～2851 cm-1處為烷烴亞甲基中C—H的非對稱和對稱伸縮振動峰，1645 cm-1處為苯環(huán)骨架伸縮振動峰；（3）6%WER改性乳化瀝青中包含WER和乳化瀝青各自的特征吸收峰，說明WER對乳化瀝青的改性為物理改性，無新物質(zhì)生成。

2.1.2 WER與乳化瀝青的相容性分析

由于在熒光顯微鏡下WER可被藍(lán)色熒光激發(fā)呈現(xiàn)藍(lán)綠色，而乳化瀝青在熒光作用下不發(fā)光。根據(jù)這一特性，采用熒光顯微鏡觀察不同WER摻量下乳化瀝青中乳液顆粒的分布及分散情況，WER摻量分別為0、3%、6%、9%、12%和15%，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：未摻WER時，整個視野呈現(xiàn)暗色，乳液顆粒粒徑雖小但有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象；當(dāng)WER摻量增加至3%、6%、9%時，乳液的團(tuán)聚現(xiàn)象消失，乳液顆粒排布均勻致密且粒徑較小，表明上述摻量下WER與乳化瀝青相容性較好，其中以WER摻量6%為最優(yōu)；當(dāng)WER摻量增加至12%、15%時，乳液的顆粒粒徑明顯變大且出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，表明該摻量下WER與乳化瀝青的相容性較差。綜上，摻入6%的WER與乳化瀝青具有最佳的相容性。

2.1.3 WER摻量對乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響（見表4）

由表4可以看出，隨著WER摻量的增加，改性乳化瀝青的5 d貯存穩(wěn)定性先提高后降低，WER摻量為6%時貯存穩(wěn)定性最佳。結(jié)合熒光顯微鏡分析結(jié)果，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是：未摻WER時顆粒粒徑雖小，但只是簡單團(tuán)聚，非極性的瀝青顆粒間作用力弱，不易結(jié)塊，所以貯存穩(wěn)定性良好；當(dāng)WER摻量為3%～6%時混合乳液的粒徑小，相容性和分散性好，貯存穩(wěn)定性提高；當(dāng)WER摻量大于6%時，乳液顆粒粒徑變大，乳液顆粒間由于加入較多環(huán)氧使得作用力增強(qiáng)，容易結(jié)塊，貯存穩(wěn)定性降低。

2.1.4 掃描電子顯微鏡分析

制備WER摻量為3%～15%的WER改性乳化瀝青，將其在60℃烘箱中放置7 d，待固化完全將試樣浸泡在三氯乙烯中去除大部分的瀝青，然后60℃烘干12 h制得SEM試樣。對5組試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)WER摻量為3%時，試樣表面凹凸不平，出現(xiàn)較大的裂縫和塌陷，這是由于低摻量的WER未在乳化瀝青內(nèi)部形成穩(wěn)定均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)WER摻量增加至6%時，試樣表面雖有大量孔隙分布，但結(jié)構(gòu)均勻無塌陷，表明環(huán)氧固化物的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基本形成；繼續(xù)增加WER摻量至9%時，表面結(jié)構(gòu)均勻性好，但開始出現(xiàn)脆性的裂縫；WER摻量增加至12%時，表面出現(xiàn)部分褶皺和結(jié)塊，這是由于環(huán)氧摻量過高，WER乳化瀝青的分散性和相容性明顯下降，出現(xiàn)兩相團(tuán)聚的現(xiàn)象；當(dāng)WER摻量增加至15%時，表面褶皺和裂縫增多，結(jié)塊變大，表明此時WER與乳化瀝青的團(tuán)聚程度加劇和脆性的增加。綜上所述，6%的WER對乳化瀝青改性效果最佳。

2.1.5 低溫性能

采用差示掃描量熱法（DSC）測試不同摻量WER改性乳化瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，Tg越低，表明其在低溫條件下的韌性越好，反之則脆性越大。測試結(jié)果如圖5所示。

從圖5可見，隨著WER摻量的增加，WER改性乳化瀝青的Tg逐漸升高，表明其脆性不斷增大，在低溫下更容易發(fā)生脆性斷裂，所以WER的摻入對乳化瀝青的低溫性能有不利影響。

2.1.6 抗老化性能

采用老化前后軟化點的差值和針入度的比值來評價WER乳化瀝青的抗老化性能。軟化點差值越小，針入度比值越大，其抗老化能力越強(qiáng)。測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同WER摻量乳化瀝青的抗老化性能

由表5可以看出，隨著WER摻量的增加，軟化點差值由9.7℃減小至3.9℃；針入度比值由57.0%增大至73.1%，表明WER可顯著提高乳化瀝青的抗老化性能。

2.2 正交試驗

2.2.1 試驗方案及試驗結(jié)果

由于分散破乳劑所帶羧基能吸附在礦料顆粒表面而產(chǎn)生靜電斥力，隔開礦料顆粒，釋放出被礦料顆粒包裹的水，大幅降低外加水量并有效提升微表處的粘聚力，所以將其引入微表處混合料中。

在油石比為7%，WER摻量為6%的基礎(chǔ)上，主要研究外加水量、水泥摻量和分散破乳劑摻量這3個因素對MS-2型微表處混合料可拌和時間、30 min和300 min粘聚力等3項施工性能的影響。根據(jù)試驗前的預(yù)拌經(jīng)驗確定3個因素的摻量范圍，正交試驗因素水平見表6，試驗設(shè)計及測試結(jié)果見表7。

表6 正交試驗因素水平

表8 正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果

2.2.2 正交試驗極差分析（見表8）

表8 正交試驗極差分析結(jié)果

由表8可以看出：

（1）外加水量是可拌和時間的主要影響因素；外加水量和分散破乳劑摻量共同作為30 min粘聚力的主要影響因素；外加水量和水泥摻量共同作為300 min粘聚力的主要影響因素。綜合可知，外加水量是對微表處混合料性能影響最大的因素，需要優(yōu)先確定外加水量。

（2）GB/T 38990—2020要求混合料的可拌和時間≥120 min、30 min粘聚力≥1.2 N·m、300 min粘聚力≥2.0 N·m。外加水量為3%時微表處的可拌和時間符合GB/T 38990—2020要求，30 min和300 min粘聚力最大，所以外加水量選擇3%；在此基礎(chǔ)上，隨著水泥摻量和分散破乳劑摻量的增加，粘聚力的提升效果并不明顯，考慮經(jīng)濟(jì)性，水泥摻量選擇1%，分散破乳劑摻量選擇0.25%。

2.2.3 最佳油石比

在外加水量3%、水泥摻量1%、分散破乳劑摻量0.25%、WER摻量6%的基礎(chǔ)上，根據(jù)GB/T 38990—2020，采用1 h濕輪磨耗值（1 h WTAT）和負(fù)荷輪粘砂值（LWT）確定微表處混合料的最佳油石比，試驗結(jié)果見圖6。

由圖6可見，所有油石比的1 h WTAT和LWT均符合GB/T 38990—2020要求（1 h WTAT＜260 g/m2，LWT＜300 g/m2），所以6%～9%均為油石比的可選范圍。隨著油石比的增大，1 h WTAT先減小后增大，LWT逐漸增大，微表處的油石比為7.5%左右時，1 h WTAT和LWT均較小。選用油石比7.5%進(jìn)行1 h WTAT和LWT測試，1 h WTAT、LWT值分別為100.73、104.22 g/m2，由此可確定最佳油石比為7.5%。

綜上所述，WER改性乳化瀝青微表處混合料最佳配合比為：外加水量3%，油石比7.5%，水泥摻量1%，分散破乳劑摻量0.25%，后續(xù)路用性能評價試驗采用此配合比。

2.3 微表處混合料路用性能評價

采用6 d濕輪磨耗值（6 d WTAT）表征微表處混合料的抗水損害能力；采用車轍寬度變形率（PLD）表征微表處混合料的抗車轍能力，PLD越小，表明其抗車轍能力越好；采用拉伸強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度分別表征微表處混合料的抗拉性和粘結(jié)性。測試結(jié)果如表9所示。

表9 不同WER摻量微表處混合料的路用性能

由表9可見：（1）隨著WER摻量的增加，微表處混合料的6 d WTAT先減小后增大，當(dāng)WER摻量為6%時，6 d WTAT最小，說明其抗水損害能力最強(qiáng)。這是因為WER中含有親水性較高的乳化劑，水性環(huán)氧固化劑中也含有親水組分，所以WER摻量增加會導(dǎo)致交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)和耐水性變差，兩方面共同作用導(dǎo)致抗水損害能力先提高后降低。（2）隨著WER摻量的增加，PLD不斷減小，拉伸強(qiáng)度逐漸提高。這是由于PLD和拉伸強(qiáng)度反映的是混合料自身的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，此強(qiáng)度隨WER摻量的增加而不斷提高。此外需要說明的是，當(dāng)WER摻量為9%～15%時，試樣在負(fù)荷輪車轍實驗中碾壓過后產(chǎn)生橫向貫通裂縫，表明試樣脆性較大，因此最佳WER摻量為6%。（3）隨著WER摻量的增加，粘結(jié)強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)WER摻量為6%時達(dá)到最高。這是由于粘結(jié)強(qiáng)度反映的是混合料與混凝土基塊的界面力，即單位面積界面力與界面面積的乘積；分析認(rèn)為，WER摻量增加，單位面積界面力變大，但混合料黏度增大而使其對混凝土基塊的滲透性變差，即與混凝土接觸的界面面積變小，因此粘結(jié)強(qiáng)度并不隨WER摻量的增加而不斷提高。

3 結(jié)論

（1）WER對乳化瀝青的改性屬于物理改性。WER摻量為6%時與乳化瀝青具有最佳的相容性和貯存穩(wěn)定性。隨著WER摻量的增加，WER乳化瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，低溫性能逐漸變差；但WER乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的抗老化性能不斷提高。

（2）將分散破乳劑引入微表處混合料中，通過正交試驗進(jìn)行配合比設(shè)計，得出MS-2型微表處混合料的最佳比例為：外加水量3%，油石比7.5%，水泥摻量1%，分散破乳劑摻量0.25%。

（3）按最佳配合比制備的MS-2型微表處混合料的路用性能優(yōu)異，WER的最佳摻量仍為6%，混合料的6 d濕輪磨耗值為248.58 g/m2，車轍寬度變形率為0.91%，拉伸強(qiáng)度為0.144 MPa，粘結(jié)強(qiáng)度為0.26 MPa。