周衛(wèi)峰，董利偉，宋曉燕，楊志偉

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2. 天津市交通科學(xué)研究院，天津 300074；3. 天津市亨益晟泰筑路材料科技有限公司，天津 300400)

0 引 言

環(huán)氧樹(shù)脂是一種熱固性材料，將其化學(xué)改性后與水混合，組成的水性環(huán)氧樹(shù)脂在常溫下能夠與乳化瀝青較好地相容，形成水性環(huán)氧乳化瀝青乳液，兼顧了環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度高、黏度大等一般熱固性材料的特點(diǎn)，因此具有較強(qiáng)的黏結(jié)力、優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和較高的抗壓抗變形能力等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，水性環(huán)氧樹(shù)脂由于其優(yōu)越的膠結(jié)性能而逐漸被應(yīng)用于瀝青路面修補(bǔ)與面層層間結(jié)合中，并取得了一定的成果[2-4]。然而，水性環(huán)氧乳化瀝青中的成分至少含有乳化瀝青、環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑等3種物質(zhì)，隨著乳化瀝青的破乳，水性環(huán)氧乳化瀝青中的水分將逐漸被分離并在使用過(guò)程中蒸發(fā)，留下的組分是固化成型并破乳后的環(huán)氧瀝青[5]。為了研究水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)乳化瀝青的高溫改性作用，需測(cè)定環(huán)氧瀝青的高溫性能。

目前，評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)主要有以下幾種：60 ℃黏度η、軟化點(diǎn)TR&B、車(chē)轍因子G*/sinδ及不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr等[6]。其中，G*/sinδ及Jnr與瀝青混合料的高溫性能相關(guān)性較好[7-8]，故筆者選用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行剪切試驗(yàn)與多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(multiple stress creep recover，MSCR)試驗(yàn)，用G*/sinδ與Jnr指標(biāo)來(lái)研究不同摻量的水性環(huán)氧乳化瀝青的高溫抗永久變形性能與高溫蠕變性能。

1 材料及試件制備

1.1 材 料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

選用濱州70 # 瀝青作為基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 濱州70 # 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo) Table 1 Performance indexes of 70 # matrix asphalt from Binzhou

1.1.2 乳化瀝青

選用黏附性好且與水性環(huán)氧樹(shù)脂相容性良好的EM-580乳化劑，運(yùn)用剪切機(jī)制取乳化瀝青，其中乳化劑用量為3.5%，并根據(jù)JTG F 41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》檢測(cè)其性能指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 乳化瀝青性能指標(biāo) Table 2 Performance indexes of emulsified asphalt

1.1.3 水性環(huán)氧樹(shù)脂體系

水性環(huán)氧樹(shù)脂體系由水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑兩個(gè)組分構(gòu)成。水性環(huán)氧樹(shù)脂是天津市亨益晟泰筑路材料科技有限公司生產(chǎn)的專(zhuān)利產(chǎn)品，該水性環(huán)氧樹(shù)脂是通過(guò)化學(xué)改性法制備，其乳液粒徑小，乳液存儲(chǔ)穩(wěn)定，成膜均勻，有良好的物化性能，并與陰離子乳化瀝青相容性良好，其主要性能見(jiàn)表3。固化劑選用三乙烯四胺。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的最佳比例為10∶1，最佳固化溫度為40 ℃。

表3 水性環(huán)氧樹(shù)脂性能指標(biāo) Table 3 Performance indexes of waterborne epoxy resin

1.1.4 水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青

將水性環(huán)氧樹(shù)脂按乳化瀝青質(zhì)量的5%、10%、15%摻入乳化瀝青中，攪拌均勻，再摻入1/10水性環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量的固化劑，攪拌均勻后得到水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青，簡(jiǎn)稱(chēng)改性乳化瀝青。

1.2 試件制備

基質(zhì)瀝青按照AASHTO T 315-09標(biāo)準(zhǔn)制作試件并進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)乳化瀝青，目前國(guó)內(nèi)外加速老化處理的主要方法有直接加熱蒸發(fā)法、蒸餾法、烘箱加熱蒸發(fā)法和低溫蒸發(fā)法等[9]。筆者根據(jù)水性環(huán)氧樹(shù)脂的最佳固化溫度(40 ℃)與DSR試驗(yàn)設(shè)備對(duì)成型瀝青尺寸(厚1 mm、直徑25 mm)的要求，采用修正低溫蒸發(fā)法來(lái)對(duì)改性乳化瀝青進(jìn)行老化處理。具體步驟如下：

1)將水性環(huán)氧樹(shù)脂按乳化瀝青質(zhì)量的0%、5%、10%、15%摻入乳化瀝青中，攪拌均勻后，加入定量的固化劑(水性環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑 = 10∶1)，攪拌均勻，得到水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“改性乳化瀝青”)。

2)將18 g制備的改性乳化瀝青緩緩倒入硅膠模具(內(nèi)徑90 mm、深2 mm)中，常溫放置(24±1)h，然后放入40 ℃烘箱中養(yǎng)生。每隔24 h將試膜翻面一次，分別在養(yǎng)生3、5、7、11、14、21 d后，取出一個(gè)試件，常溫冷卻1 h。

3)裁剪直徑25 mm的試件6個(gè)(圖1)，備用。

圖1 硅膠模具與改性乳化瀝青試件Fig. 1 Silica gel mould and modified emulsified asphalt specimens

2 改性乳化瀝青高溫性能

2.1 高溫性能試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，角速度ω= 10 rad/s，試驗(yàn)溫度從58 ℃開(kāi)始，每增加6 ℃(58、64、70、76 ℃)測(cè)試一次，以最后車(chē)轍因子小于1 kPa為止，根據(jù)測(cè)試的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，計(jì)算出改性乳化瀝青試樣的車(chē)轍因子G*/sinδ。

2.2 改性乳化瀝青高溫性能影響因素分析

2.2.1 養(yǎng)生時(shí)間的影響

58 ℃時(shí)，不同養(yǎng)生時(shí)間t改性乳化瀝青的G*/sinδ曲線(xiàn)如圖2。

圖2 改性乳化瀝青車(chē)轍因子隨養(yǎng)生時(shí)間的變化Fig. 2 Rutting factors of modified emulsified asphalt changing withcuring time

由圖2可見(jiàn)，在58 ℃時(shí)，乳化瀝青的G*/sinδ在養(yǎng)生5 d后增長(zhǎng)趨勢(shì)變平緩，說(shuō)明此時(shí)乳化瀝青中水分已經(jīng)基本蒸發(fā)完全。而各種摻量水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青在試件養(yǎng)生5～11 d期間，G*/sinδ繼續(xù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)斜率變陡，說(shuō)明此階段水性環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)始迅速固化并且較大程度地提高改性乳化瀝青的抗變形能力；試件在養(yǎng)生11 d后G*/sinδ基本保持不變，說(shuō)明此時(shí)改性乳化瀝青中的水性環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)完全固化。

2.2.2 水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的影響

由圖2可知，在養(yǎng)生11 d后，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加各組改性乳化瀝青的G*/sinδ均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)摻量大于10%時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。分析原因是，改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹(shù)脂的濃度隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加而增大，其可以交聯(lián)聚合形成三維網(wǎng)絡(luò)彌散于瀝青當(dāng)中。該三維網(wǎng)絡(luò)通過(guò)固化反應(yīng)形成，分子間形成的化學(xué)鍵是不可逆的，所以這種網(wǎng)絡(luò)在高溫環(huán)境下比較穩(wěn)定，從而使得改性乳化瀝青高溫抗永久變形性能得到有效地提高[10]；當(dāng)摻量為15%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂固化形成的結(jié)構(gòu)受到外力作用，即會(huì)破壞且無(wú)法恢復(fù)，所以15%摻量水性環(huán)氧樹(shù)脂改性乳化瀝青在重復(fù)應(yīng)力下的高溫抗變形能力相對(duì)于10%摻量提高不明顯。

2.2.3 試驗(yàn)溫度的影響

改性乳化瀝青在40 ℃養(yǎng)生11 d后，在不同試驗(yàn)溫度T下的G*/sinδ曲線(xiàn)如圖3。

圖3 改性乳化瀝青與基質(zhì)瀝青車(chē)轍因子隨試驗(yàn)溫度的變化Fig. 3 Rutting factors of modified emulsified asphalt and matrixasphalt changing with test temperatures

從圖3可看出：

1)隨著試驗(yàn)溫度T的升高，各種改性乳化瀝青的G*/sinδ均呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明各改性乳化瀝青的抗變形能力隨著溫度的升高而逐漸下降。

2)當(dāng)試驗(yàn)溫度為58 ℃時(shí)，不同改性乳化瀝青的G*/sinδ相差較大，差值隨著試驗(yàn)溫度的升高而逐漸縮??；當(dāng)溫度大于64 ℃時(shí)，各種摻量水性環(huán)氧改性乳化瀝青的抗變形能力相差不大。因此，當(dāng)溫度大于64 ℃時(shí)不能用G*/sinδ評(píng)價(jià)改性乳化瀝青的抗變形能力。

3)筆者制備的乳化瀝青會(huì)降低基質(zhì)瀝青的抗永久變形能力。當(dāng)溫度為58 ℃時(shí)，10%水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下改性乳化瀝青的抗變形能力分別是乳化瀝青和基質(zhì)瀝青的2.9倍和2.3倍。

3 改性乳化瀝青高溫重復(fù)蠕變性能

3.1 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

由于瀝青屬于黏彈性材料，故其在加載時(shí)變形會(huì)迅速增大，當(dāng)卸載后一部分彈性變形恢復(fù)而黏性變形會(huì)隨著下一次的加載而疊加。路面受到類(lèi)似的重復(fù)加載與卸載的車(chē)輛荷載作用就會(huì)形成累積變形?？紤]到多應(yīng)力加載、卸載控制模式與實(shí)際路面荷載加載模式相接近，所以采用多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)。多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)選用0.1、3.2 kPa兩種蠕變應(yīng)力水平進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，每個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行10個(gè)周期，每個(gè)周期10 s(1 s的蠕變階段 + 9 s的卸載恢復(fù)階段)，試驗(yàn)總時(shí)間為200 s。10%水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下改性乳化瀝青10個(gè)周期的蠕變恢復(fù)如圖4。

圖4 10%水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量下改性乳化瀝青的蠕變恢復(fù)Fig. 4 Creep recovery of modified emulsified asphalt with 10%waterborne epoxy resin

評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

1)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr(單位：1/kPa)，即未恢復(fù)的殘余變形與應(yīng)力的比值，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：γ為每個(gè)應(yīng)力水平下各個(gè)蠕變恢復(fù)周期的殘余應(yīng)變；τ為蠕變應(yīng)力，kPa。

10個(gè)周期的Jnr取平均，其值越小，說(shuō)明瀝青黏性流動(dòng)變形(殘余變形)越小，瀝青在高溫環(huán)境下抵抗變形能力越好；反之，則高溫抗變形能力差。

2)蠕變?nèi)崃坎钪底兓蔎nr，diff(%)，即不同應(yīng)力下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，0.1和Jnr，3.2，其差值變化率可由式(2)計(jì)算：

(2)

Jnr，diff越小，說(shuō)明瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繉?duì)應(yīng)力的敏感性越小，瀝青在高溫環(huán)境中受到不同交通荷載情況下，黏性流動(dòng)變形越小，累積變形就越小。

對(duì)在40℃烘箱中養(yǎng)生11d后的改性乳化瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，分別測(cè)定其在58 ℃、64 ℃下的應(yīng)變變化，計(jì)算Jnr,0.1、Jnr,3.2、Jnr，diff，結(jié)果如圖5。

圖5 不同試驗(yàn)溫度下的Jnr，0.1、Jnr，3.2、Jnr，diffFig. 5 Jnr，0.1,Jnr，3.2 & Jnr，diff values at different test temperatures

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從圖5(a)可知：①應(yīng)力為0.1 kPa時(shí)，基質(zhì)瀝青與改性乳化瀝青的Jnr，0.1隨著試驗(yàn)溫度的升高而增加，說(shuō)明試驗(yàn)溫度的升高會(huì)使瀝青的黏性變形增大，從而降低瀝青的抗變形能力。②在相同試驗(yàn)溫度下，改性乳化瀝青的Jnr，0.1隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加先逐漸降低而后呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)摻量為10%時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，這可能是水性環(huán)氧樹(shù)脂固化后在瀝青中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了瀝青的抗變形能力；但是當(dāng)摻量大于10%后，環(huán)氧樹(shù)脂固化后形成的結(jié)構(gòu)在瀝青中聚合在一起，此結(jié)構(gòu)的形成是不可逆過(guò)程，一旦受外力破壞后便無(wú)法恢復(fù)，從而增加了改性乳化瀝青的不可恢復(fù)變形。

2)從圖5(a)、(b)可看出，不同瀝青的Jnr，0.1和Jnr，3.2的變形趨勢(shì)基本一致，只是乳化瀝青的Jnr，3.2大于基質(zhì)瀝青的；而Jnr，0.1正好相反。說(shuō)明乳化瀝青與基質(zhì)瀝青在不同的應(yīng)力條件下表現(xiàn)出不同的黏彈性。每種瀝青的Jnr，3.2均大于其Jnr，0.1，說(shuō)明增大應(yīng)力會(huì)增加瀝青的黏性變形，從而增加瀝青的累積變形。

3)從圖5(c)可看出，70 #基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)力的敏感性很低，乳化瀝青對(duì)應(yīng)力的敏感性較高。改性乳化瀝青對(duì)應(yīng)力的敏感性基本相同。綜合考慮用水性環(huán)氧樹(shù)脂作為改性劑時(shí)，摻量10%時(shí)，可較大程度上提高乳化瀝青的彈性，降低其黏性，并且改性乳化瀝青的高溫蠕變性能要優(yōu)于70 #基質(zhì)瀝青。

4 結(jié) 論

1)隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長(zhǎng)、水分的蒸發(fā)以及環(huán)氧樹(shù)脂的固化，改性乳化瀝青的車(chē)轍因子在逐漸增加，直到環(huán)氧樹(shù)脂固化完全，改性乳化瀝青的高溫抗變形能力穩(wěn)定不變。

2)改性乳化瀝青的車(chē)轍因子隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低；隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)摻量大于10%時(shí)，增長(zhǎng)緩慢，抗變形能力達(dá)到最大，其抗變形能力分別是乳化瀝青和基質(zhì)瀝青的2.9倍和2.3倍。

3)在相同試驗(yàn)溫度、相同應(yīng)力條件下，改性乳化瀝青Jnr隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加而減小，蠕變過(guò)程中黏性變形在減少；當(dāng)摻量大于10%時(shí)Jnr開(kāi)始增加，黏性變形增大，從而累積變形也增大。

4)綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，評(píng)價(jià)改性乳化瀝青高溫性能時(shí)，建議溫度應(yīng)選在58～64℃之間，且改性乳化瀝青中水性環(huán)氧樹(shù)脂的最佳摻量為10%。