水性环氧改性乳化沥青流变性能研究

何丽红,侯艺桐,邓稳,温仙仙,陈竟涛

(1.重庆交通大学 交通土建材料国家地方联合工程实验室,重庆 400074；2.重庆交通大学 材料科学与工程学院,重庆 400074)

水性环氧乳化沥青是一种新兴的改性乳化沥青，兼具环氧树脂和乳化沥青的优点，可提高路面的高温稳定性、耐磨、粘结力以及防水等性能，目前，水性环氧改性乳化沥青研制及其在道路工程中的应用处于探索实验阶段[1-3]。研究人员对其应用领域做了较多实验研究，但有关胶结料流变性能研究较少[4-6]。

本文制备不同环氧掺量的改性乳化沥青，运用动态剪切流变仪测试温度扫描、频率扫描及时间扫描模式下水性环氧改性乳化沥青高温性能及抗疲劳性能，并对其针入度、软化点、延度进行评价。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

乳化沥青，阳离子型；水性环氧体系，由A、B两组分组成，其中A为自乳化型水性环氧树脂，乳白色均匀液体，固含量50%，环氧当量1 200～1 850 g/eq，25 ℃旋转粘度 500～3 000 mPa·s；B为水溶性固化剂，浅黄色透明液体，胺值260～320 mgKOH/g，25 ℃旋转粘度280～400 mPa·s。

TA DHR-2动态剪切流变仪。

1.2 实验方法

首先将水性环氧体系A组分与B组分按照质量比2∶1于室温条件下混合均匀配制水性环氧体系，并按照5%,10%,15%,20%掺量加入到乳化沥青中，以1 200 r/min的速率匀速剪切30 min后，即可得到4组目标样品。同时，将不掺水性环氧体系的乳化沥青作为参照对比样品。

1.3 性能测试

1.3.1 流变性能 采用动态剪切流变仪，将样品加热至流体状态后浇筑在聚四氟乙烯膜上，待样品冷却至固态，放置于仪器板间，待保温完成后开始测试。其中温度扫描实验参数根据superpave结合料规范确定温度区间为46～76 ℃，温度梯度为6 ℃；频率扫描：在60 ℃条件下施加0.1～100 rad/s的荷载；时间扫描实验参数：实验温度 25 ℃，实验频率10 rad/s，施加10%应变的交变正弦荷载，采用复数模量降至50%初始模量与加载时间的关系对水性环氧改性乳化沥青的抗疲劳性能进行表征。

1.3.2 残留物三大指标 利用直接加热法得到各样品蒸发残留物，进行针入度、软化点及延度测试。

2 结果与讨论

2.1 高温性能

2.1.1 复数剪切模量 图1为水性环氧改性乳化沥青残留物的复数剪切模量随温度及频率的变化关系曲线。

图1 水性环氧乳化沥青复数剪切模量随温度及频率的变化曲线Fig.1 Curve of complex shear modulus of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.复数剪切模量随温度的变化；b.复数剪切模量随频率的变化(60 ℃)

由图1a可知，各样品的复数模量与温度呈反比关系，这很大程度上是因为沥青是一种感温性材料，温度的上升会使其粘度减小[7]。同时由图1a还可知，在相同温度下，随着水性环氧含量的增加，各样品复数模量逐步增大，且当温度升高时，水性环氧的掺入使各样品的复数剪切模量增大更为明显，这说明水性环氧树脂的固化产物会阻碍沥青分子的流动，降低胶结料的粘性成分，从而增加复数剪切模量，从而提高乳化沥青的热稳定性。由图1b可知，所有样品复数剪切模量均随频率的升高整体呈上升趋势，在相同加载频率下，各样品复数模量与环氧掺量呈正比。由图1b还可知，当水性环氧掺量<10%时，频率对样品复数模量有较大影响。这是因为当水性环氧掺量<10%时，样品中环氧树脂骨架结构强度不足，大部分沥青游离于体系内[4]。

2.1.2 相位角 相位角δ可表征材料性质。在多数情况下，或者在沥青路面的使用温度条件下，沥青胶结料主要表现为粘弹性[8]。图2为不同环氧树脂掺量下的水性环氧乳化沥青蒸发残留物的相位角随温度及频率的变化关系曲线。

图2 水性环氧乳化沥青相位角随温度及频率的变化曲线Fig.2 Curve of phase angle of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.相位角随温度的变化;b.相位角随频率的变化(60 ℃)

由图2a可知，在相同温度下，各样品相位角与环氧掺量呈正比关系。这是因为水性环氧树脂在沥青材料内部形成的空间网状结构可以有效阻止沥青的流动，从而降低材料的粘度，提高其弹性。由图2b可知，随着体系内频率的增大，样品相位角都有不同程度的减小趋势，这是因为荷载频率的增大会加快沥青分子之间的运动，导致增加其恢复形变的能力。在相同加载频率下，材料的相位角会随着水性环氧掺量的增加而减小，这表明水性环氧掺量的增加会给予沥青更多的弹性成分，这对沥青材料在荷载作用下恢复形变有积极作用[9]。

2.1.3 车辙因子 抗车辙因子G*/sinδ是早期的SHRP计划中提出用来评价沥青胶结料高温抵抗车辙能力的一个参数[10]。图3为各掺量水性环氧乳化沥青蒸发残留物车辙因子。

图3 水性环氧乳化沥青抗车辙因子随温度及频率的变化曲线Fig.3 Curve of rutting resistance factor of waterborne epoxy emulsified asphalt with temperature and frequencya.车辙因子随温度的变化;b.车辙因子随频率的变化(60 ℃)

由图3a可知，随着温度的升高，各掺量环氧树脂下的改性乳化沥青车辙因子都降低，但在相同温度下，水性环氧掺量越多，改性乳化沥青抗车辙因子越大。这是由于当温度升高时，环氧树脂固化后在沥青材料内部形成稳定且具有一定强度的骨架结构，从而提高水性环氧乳化沥青的抗车辙性能。由图3b可知，在相同的测试温度下，加载频率越大，改性乳化沥青抗车辙因子越大。这是因为当受荷载作用频率加快时，相对应的样品所受的荷载剪切作用力的时间也就越短，这就使样品在短时间内发生的剪切变形量相对较小，所以在高频区，样品会展现出更加优良的弹性恢复变形能力。与之相反，在低频区，沥青材料的弹性恢复形变能力较差，而低频代表着较低的行车速度，这也就解释了为什么在停车场、减速带会有较多车辙的原因。

2.2 抗疲劳性

水性环氧改性乳化沥青蒸发残留物的复数模量随加载时间的变化曲线见图4。

图4 水性环氧乳化沥青复数模量-加载时间曲线Fig.4 Complex modulus-loading time curve of waterborne epoxy emulsified asphalt

由图4可知，不同环氧掺量的水性环氧改性乳化沥青的复数剪切模量都随加载时间的增加而减小，衰减规律近似相同。在荷载作用初期，随着加载时间的增加，复数剪切模量迅速下降，随后进入平稳期，直至沥青内部发生破坏，这与沥青混合料在应变控制模式下的劲度模量变化规律较为相似[11]。且随着水性环氧树脂掺量的增加，其改性乳化沥青复数模量降至50%初始模量所需加载时间增大，疲劳破坏点推迟出现，抗疲劳性能逐步提高。这说明水性环氧树脂对乳化沥青的抗疲劳性能有积极作用。

2.3 残留物三大指标

表1为不同水性环氧掺量下水性环氧改性乳化沥青蒸发残留物的三大指标测试结果。

表1 水性环氧乳化沥青三大指标测试结果Table 1 Test results of three main indexes of waterborne epoxy emulsified asphalt

由表1可知，参照对比样乳化沥青的针入度为66.7(0.1 mm)，软化点为54 ℃，5 ℃延度为 17.2 cm；水性环氧掺量的增加会使其软化点增大，针入度和延度减小。当环氧掺量为20%时，软化点达到62.0 ℃，针入度减少了34.8%，为43.5(0.1 mm)，延度降低了79.1%，为3.6 cm。这是由于环氧树脂为热固性树脂，会赋予沥青较好的热稳定性；而且环氧树脂固化后会有较大刚度，会让沥青材料具有更高的强度。

3 结论

(1)水性环氧树脂的掺入会提高其改性乳化沥青的弹性成分，在掺量大于10%时更为明显。这将有利于其在高温低频条件下具有良好的弹性恢复变形能力，并且有效提升高温稳定性。

(2)水性环氧树脂的掺入会推后乳化沥青疲劳损伤点，抗疲劳性能提高；水性环氧掺量越高，材料抗疲劳性能越好。

(3)水性环氧掺量的增加会使其软化点逐渐增大，针入度和延度都减小，高温性能逐步提升。同时，三大指标的测试结果与其流变行为曲线得出的结论相一致。