水性环氧树脂-乳化沥青共混物特性分析

周启伟， 凌天清， 郝增恒， 吴雪柳， 李 璐， 徐光红

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074; 2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 400067)

随着中国高速公路逐渐步入养护期，高性能改性乳化沥青已成为当下高等级沥青路面预防性养护材料领域的研究热点.水性环氧树脂具有水性涂料和环氧的共性，对众多底材具有极高的附着力，在水性涂料行业已被广泛应用[1-2].目前，国内外陆续开展了水性环氧树脂-乳化沥青及其混合料的性能研究，如沈凡等[3]对水性环氧树脂-乳化沥青-水泥胶浆的组成、性能及机理进行了分析，研究表明沥青胶结物、水性环氧树脂固化物与水泥水化产物交织共生了一种空间网络结构；张庆等[4]对水性环氧树脂-乳化沥青的黏附性及其混合料性能进行了分析，结果表明水性环氧树脂能有效提高乳化沥青的黏附性，水性环氧树脂的掺量对乳化沥青的黏附性具有一定影响；王佳炜等[5-6]对水性环氧树脂-乳化沥青稀浆混合料进行了研究，结果表明经水性环氧树脂改性后的乳化沥青，其各项性能均优于普通乳化沥青，可用于公路预防性养护中；杨帆等[7]对水性环氧树脂-乳化沥青冷补料进行了研究，结果得出水性环氧树脂掺量为10%～20%(质量分数)时能有效提高冷补料的力学性能；李泉等[8-9]对水性环氧树脂-乳化沥青冷再生沥青混合料性能进行了研究，结果表明水性环氧树脂改性乳化沥青能提高再生沥青混合料的利用率，同时提升冷再生沥青混合料的路用性能；季节等[10-12]对水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的性能进行了研究，结果表明水性环氧树脂改性乳化沥青能改善其微表处的路用性能，尤其是高温稳定性.综上所述，水性环氧树脂的加入显著提升了沥青胶浆及混合料的路用性能，但目前研究尚缺乏对水性环氧树脂-乳化沥青共混物的性能评价，且大部分评价方法均基于沥青基材料体系，对共混物的力学性能、凝胶特性及流变行为等鲜有文献报道.

本文拟对水性环氧树脂-乳化沥青共混物的力学性能、凝胶特性、流变行为等进行分析，并在此基础上对共混物的微观结构、共混机理进行分析.研究结果对水性环氧树脂-乳化沥青的应用具有积极意义.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料与共混物配比

(1)水性环氧树脂：本文采用的水性环氧树脂乳液不含有机溶剂、粒径小、耐水性好、储存稳定性好，其外观为乳白色均匀液体，环氧当量为470g/mol，平均粒径<2μm，固含量(质量分数，本文所涉及的固含量、配比等均为质量分数或质量比)为50%.

(2)固化剂：本文采用的固化剂为非离子型水溶性改性环氧多胺加成物固化剂，25℃旋转黏度为8500～10000mPa·s，活泼氢当量为340，pH值为9.5～10.5，固含量为50%，配比为m(水性环氧树脂乳液)∶m(固化剂)=1∶1.

(3)乳化沥青：本文采用的乳化沥青为重庆市某公司生产的成品乳化沥青，具体参数见表1.

表1 乳化沥青参数指标Table 1 Parameters of emulsified asphalt

(4)共混物组成：将乳化沥青与水性环氧树脂分别参照表2所示配比进行共混，得到5组共混物；共混方式为先将水性环氧树脂乳液与固化剂混合均匀，再加入乳化沥青进行搅拌，三组分混合均匀后即可进行试验分析.另外，又单独配制了乳化沥青与水性环氧树脂配比分别为5∶0,0∶5的2组试样(用0#，6#表示)，以进行红外光谱的对比分析.

表2 共混物配比Table 2 Mass ratio of waterborne epoxy resin-emulsified asphalt blends

1.2 试验方法

(1)黏结力试验：参考CJJ 139—2010《城市桥梁桥面防水工程技术规程》中的黏结强度测试方法，在100mm×100mm×30mm的水泥试块上刷涂5g(撒布量为0.5kg/m2)不同配比的共混物，在25，45℃ 条件下待其完全破乳固化后进行拉拔试验.

(2)拉伸试验：参考GBT/16777—2008《建筑防水涂料试验方法》中的测试方法，测试25℃下不同配比共混物的拉伸率及拉伸强度.

(3)凝胶试验：参考ASTM D3056—1985“Standard test method for gel time of solventless varnishes”方法，采用22A-240/50凝胶时间自动测定仪测试不同温度下不同配比共混物的凝胶特性.

(4)微观相结构：采用均胶试验机将不同配比的共混物均匀涂抹于载玻片，并在25℃下采用荧光显微镜对其微观结构进行观测.

(5)流变试验：采用美国TA公司的动态热机械分析仪(DMA Q800)测试共混物的动态热机械性能，试验采用三点弯曲模式，试件尺寸为36mm×13mm×3mm，振幅为20μm，频率为10Hz，升温速率为2℃/min，测试温度区间为35～85℃.

(6)傅里叶红外光谱：傅里叶红外变换光谱仪为德国Bruker公司的BERTEX 70型FTIR，将共混物涂抹在铝箔上，自动扫描后得到其红外光谱.

2 结果与讨论

2.1 力学性能

2.1.1黏结性能

按表2配比，在100mm×100mm×30mm的水泥试块上刷涂1#～5#共混物，测试25，45℃下水泥试块的拉拔强度，每组试验平行试块为5个，试验结果取平均值，如表3所示.

表3 拉拔强度测试结果Table 3 Test results of bond strength MPa

由表3可知：

(1)在同一温度下，随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的黏结性能也随之增加，当乳化沥青与环氧树脂配比为5∶5时，刷涂5#共混物的水泥试块在25，45℃下的拉拔强度分别为3.37，1.98MPa，原因是随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物内部形成的交联结构体系增强，环氧树脂对共混物拉拔强度的贡献率增大.

(2)在同一配比下，随着温度的升高，共混物的黏结性能随之降低，原因是共混物中的乳化沥青材料为无定形的非结晶高分子化合物，而环氧树脂固化物为热固性材料，当温度升高时，共混物中的沥青基部分对温度的敏感性增高，其力学性能会显著降低.从表3可以得出，当温度从25℃升至45℃时，乳化沥青与环氧树脂配比为5∶1的1#共混物黏结性能降低了74.5%，乳化沥青与环氧树脂配比为5∶5的5#共混物黏结性能降低了41.2%.因此，温度升高时，共混物中的沥青部分是影响其黏结性能的主要因素.

2.1.2拉伸性能

分别测定不同配比共混物的断裂伸长率和拉伸强度，试验结果见图1.

图1 拉伸试验结果Fig.1 Results of tensile test

由图1可见：

(1)随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的拉伸强度随之增强；乳化沥青与环氧树脂配比为5∶3的3#共混物拉伸强度比配比为5∶1的1#共混物拉伸强度提高了1.87倍，增幅明显，说明共混物内部的环氧树脂与固化剂通过开环反应与乳化沥青之间形成了交联网状结构，其交联密度随着环氧树脂比例的增加而增强，因此3#共混物的拉伸强度出现骤增现象.

(2)随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的断裂拉伸率随之降低，配比为5∶3的3#共混物断裂拉伸率比配比为5∶1的1#共混物降低了44%，降幅明显，原因是环氧树脂开环反应后固化物占比增加，导致共混物由热塑性向热固性转变，因而使其断裂拉伸率降低.

2.2 凝胶特性

分别测定不同配比共混物在30，40，50℃下的凝胶时间，进而评价不同配比共混物的可操作时间，试验结果见表4.

表4 凝胶试验结果Table 4 Test results of gelation time s

由表4得出：在同一温度下，随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的凝胶时间缩短，原因为共混物中单位体积内的环氧树脂A、B组分浓度增加，进而加快了反应速度；在同一环氧树脂比例下，共混物凝胶时间随温度的升高而缩短，这是由于温度升高会使乳化沥青与环氧树脂的热运动更容易，环氧树脂在共混物基体中遇到活泼氢的几率增大，也更容易发生开环反应所造成.配比为5∶3的3#共混物在50℃下的凝胶时间要比30℃下骤降85%，不足20min，因此难以保证足够的操作时间.

2.3 微观相结构

采用400倍的荧光显微镜分别观测5组共混物的微观结构，具体图像见图2.

由图2可见，配比为5∶1的1#共混物为单相连续结构，乳化沥青为连续相，环氧树脂固化物为分散相且呈颗粒状分布；随着共混物中环氧树脂比例的增加，配比为5∶3的3#共混物变成两相交叉连续结构，发生了相逆转，即乳化沥青为分散相，环氧树脂的固化产物为连续相；配比为5∶5的5#共混物中，环氧树脂固化产物团聚后成为海岛结构.

图2 不同配比共混物的微观结构Fig.2 Microstructure of blend in different mass ratio(400×)

结合上述试验结果，共混物中乳化沥青与环氧树指的合理配比以不高于5∶3为宜.

2.4 流变行为

选取乳化沥青与水性环氧树脂配比为5∶1，5∶2，5∶3的1#，2#，3#共混物进行DMA分析，具体分析结果见图3.

由图3分析得出:

(1)随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的储能模量随之提高，说明环氧树脂的掺入导致共混物的刚度变大，抗变形能力提高，但脆性也随之增加.

图3 共混物的流变性能Fig.3 Rheological properties of blends

(2)随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的损耗模量随之提高，原因是环氧树脂的掺入提高了分子间的界面接触，致使共混物的阻尼性能提高，同时环氧树脂对共混物具有一定的增韧效果.

(3)在35～85℃区间，共混物仅有一个玻璃化转变峰，说明在此温度区间内共混物具有较好的相容性，同时随着共混物中环氧树脂比例的增加，其玻璃化转变温度也随之提升，当共混物配比为5∶3时，其玻璃化转变温度为70℃，说明环氧树脂的掺入致使共混物分子间的作用力增大，分子间缠结趋于紧密.

2.5 共混机理分析

选取乳化沥青与水性环氧树脂的配比分别为5∶0，5∶1，5∶2，0∶5，制样后进行红外光谱分析，具体分析结果见图4.

图4 不同配比共混物的红外光谱分析Fig.4 Infrared spectra of blend in different mass ratios

3 结论

(1)共混物的黏结性能随共混物中环氧树脂比例的增加而增加；当乳化沥青与环氧树脂配比为5∶5 时，刷涂该共混物的水泥试块在25，45℃下的拉拔强度分别为3.37，1.98MPa.

(2)随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的拉伸强度随之增强；与配比为5∶1时相比，当共混物配比为5∶3时，其拉伸强度提高了1.87倍，出现明显拐点，说明共混物内部的交联密度随着环氧树脂比例的增加而增大，且共混物的断裂拉伸率也在此处出现明显拐点，降低了44%，说明环氧树脂比例的增加使共混物由热塑性向热固性转变，变脆、变硬.

(3)温度和环氧树脂比例是共混物凝胶时间的主要影响因素，与30℃时相比，配比为5∶3的共混物在50℃下的凝胶时间骤降了85%，不足20min，难以保证足够的操作时间.因此，建议共混物配比以不超过5∶3为宜.

(4)共混物配比为5∶1时为单相连续结构，配比为5∶3时为两相交叉连续结构，发生相逆转，即乳化沥青为分散相，环氧树脂的固化产物为连续相；当共混物配比为5∶5时，环氧树脂的固化产物团聚后成为海岛结构.

(5)随着共混物中环氧树脂比例的增加，共混物的储能模量、损耗模量和玻璃化转变温度都随之提高，说明环氧树脂的掺入导致共混物的刚度变大，抗变形能力提高，但脆性也随之增加，同时也对共混物具有一定的增韧作用；共混物配比不超过5∶3时，在35～85℃区间具有较好的相容性.

(6)通过红外光谱分析得出，共混物间仅存在物理共混，并无新物质生成.

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