秦龍飛，劉萬(wàn)才

（中交建筑集團(tuán)有限公司，北京 100024）

0 引 言

目前，公路建設(shè)已進(jìn)入“全面養(yǎng)護(hù)”的新階段，養(yǎng)護(hù)材料的研制及管養(yǎng)技術(shù)的創(chuàng)新已成為新的熱點(diǎn)。路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)普遍存在技術(shù)復(fù)雜、污染嚴(yán)重以及效率低等問(wèn)題，相比之下，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)[1-2]。改性乳化瀝青是在制備乳化瀝青過(guò)程中加入聚合物膠乳，或?qū)⒕酆衔锬z乳與乳化瀝青成品混合，或?qū)酆衔锔男詾r青進(jìn)行乳化加工得到的乳化瀝青成品。因其綠色環(huán)保、節(jié)能、技術(shù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)已成為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的主要材料之一[3]。

應(yīng)用于改性的聚合物種類很多，水性環(huán)氧樹(shù)脂（WER）就是性能優(yōu)良的改性材料之一。劉洪輝和李曉娟[4]對(duì)不同摻量的WER 改性乳化瀝青進(jìn)行研究，結(jié)果表明，WER 的摻入能明顯改善改性乳化瀝青的高溫抗變形性能及流變性能。張倩等[5]研究表明，WER-SBR 改性乳化瀝青具有更好的抗老化性能，WER 的摻入使得瀝青在老化作用下具有更穩(wěn)定的低溫變形性能。劉夢(mèng)梅等[6]研究了不同WER 摻量下改性乳化瀝青的高低溫和浸水粘結(jié)性能，在高低溫下，改性乳化瀝青的抗剪和抗拉強(qiáng)度明顯提高，且粘結(jié)性能優(yōu)良。李偉等[7]通過(guò)對(duì)WER乳化瀝青進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，瀝青膠結(jié)料的拉伸強(qiáng)度隨著WER 摻量的增加而提高，斷裂伸長(zhǎng)率減小，WER 的最佳摻量為10%。

本文首先研制了WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青，然后對(duì)比分析了老化前后和不同WER 摻量對(duì)改性乳化瀝青性能的影響，以期找到一種性能優(yōu)良的改性乳化瀝青膠結(jié)料。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)選取70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行乳化瀝青的制備，陽(yáng)離子表面活性劑為阿克蘇諾貝爾EM44 型乳化劑，無(wú)機(jī)穩(wěn)定劑為氯化鈣，pH 值調(diào)節(jié)劑為鹽酸，制備改性乳化瀝青的主要原材料和改性劑基本性能如表1 所示。

表1 制備改性乳化瀝青的主要原材料和改性劑基本性能

1.2 改性乳化瀝青的制備

改性乳化瀝青的制備方法一般可分為先改性后乳化、先乳化后改性和邊改性邊乳化3 種。由于WER 固化會(huì)導(dǎo)致瀝青不易乳化，而所使用的改性劑又是乳液，所以采用先乳化后改性的制備工藝[8-9]，流程如圖1 所示。

圖1 WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青制備流程

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 改性乳化瀝青的老化試驗(yàn)

制備WER 摻量分別為0、3%、6%、9%、15%的WER-SBR復(fù)合改性乳化瀝青，然后進(jìn)行短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)[10]。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT）可模擬瀝青短期老化，長(zhǎng)期老化需要進(jìn)行瀝青加速老化試驗(yàn)（PAV）對(duì)短期老化后的瀝青進(jìn)行長(zhǎng)期老化。

1.3.2 常規(guī)性能測(cè)試

制備的乳化瀝青需要經(jīng)過(guò)破乳后才能將瀝青的效果發(fā)揮到最佳，因此，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)后的殘留物性能決定了乳化瀝青的使用效果。選用直接蒸發(fā)加熱獲得殘留物的方式，根據(jù)JTG E20—2011 對(duì)制備的WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度和延度測(cè)試。

1.3.3 溫度掃描試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）來(lái)評(píng)價(jià)WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青的流變性能，通過(guò)溫度掃描（46~82 ℃，溫度梯度為6℃）在加載頻率為10 rad/s（1.59 Hz）下獲得WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ。G*表示瀝青在重復(fù)剪切變形狀態(tài)下抵抗所受變形總阻力的能力；δ 為瀝青的黏彈性狀態(tài)，當(dāng)δ 為0°時(shí)，表示材料為純彈性，而當(dāng)δ 為90°時(shí)，表示材料為純黏性[11-12]。

1.3.4 傅里葉紅外光譜試驗(yàn)

采用紅外光譜儀（FTIR）進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，分別取原樣SBR 改性乳化瀝青、短期和長(zhǎng)期老化后的原樣SBR 改性乳化瀝青以及WER 摻量為9%的未老化WER-SER 復(fù)合改性乳化瀝青共4 種樣品進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍為400~4000 cm-1，最小分辨率為0.019 cm-1，共掃描32 次[13-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)性能分析

不同WER 摻量改性乳化瀝青的常規(guī)性能如圖2 所示。

圖2 不同WER 摻量改性乳化瀝青的常規(guī)性能

由圖2（a）可知，未老化改性乳化瀝青的針入度隨著WER摻量的增加而減??；當(dāng)短期老化和長(zhǎng)期老化后，與未老化的改性瀝青相比，針入度均出現(xiàn)了不同程度的減小，這可能是因?yàn)槔匣饔檬篂r青分子鏈發(fā)生破壞和重組，瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)，使得分子移動(dòng)和振動(dòng)減少，最終導(dǎo)致瀝青變硬。對(duì)比不同WER 摻量的長(zhǎng)期老化改性瀝青，WER 的加入顯著改善了體系的高溫穩(wěn)定性，但過(guò)量的WER 也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

由圖2（b）可知，未老化的改性乳化瀝青延度隨WER 摻量的增加而減小，說(shuō)明摻加過(guò)量的WER 會(huì)使乳化瀝青的低溫延度變差。老化后改性乳化瀝青的延度迅速減小，低溫延展性較差。

由圖2（c）可知，未老化改性乳化瀝青的軟化點(diǎn)隨WER摻量的增加而升高。當(dāng)WER 摻量為6%~15%時(shí)，瀝青軟化點(diǎn)隨著老化程度加深而降低。這是因?yàn)閃ER 形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)與瀝青結(jié)合，使得一部分瀝青免于老化，當(dāng)老化程度加深，以WER 固化物為主體的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，被包裹起來(lái)的瀝青得到釋放，導(dǎo)致軟化點(diǎn)有所降低。

WER 在乳化瀝青中形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)貫穿在瀝青中，WER 摻量低于6%時(shí)，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不足以使瀝青免于老化，隨著WER 摻量增加，交聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸增多，所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也更加密集，導(dǎo)致其剛度大、延展性差。固化結(jié)構(gòu)形變很低，導(dǎo)致低溫延度減小，針入度變小。同時(shí)因?yàn)楣袒宦?lián)結(jié)構(gòu)增多，會(huì)吸收瀝青中部分輕質(zhì)組分，使得部分乳化瀝青在老化程度加深時(shí)免于老化，導(dǎo)致軟化點(diǎn)會(huì)有所降低。而當(dāng)WER 摻量達(dá)到15%時(shí)，改性乳化瀝青延度消失，為了保留其良好的低溫延展性，WER 摻量應(yīng)控制在15%以下，根據(jù)針入度和延度的綜合評(píng)價(jià)，建議WER 的摻量為9%~15%。

2.2 溫度掃描試驗(yàn)分析

不同WER 摻量下改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ 如圖3、圖4 所示。

圖3 不同WER 摻量下改性乳化瀝青的復(fù)數(shù)模量G*

圖4 不同WER 摻量下改性乳化瀝青的相位角δ

由圖3 和圖4 可知，老化前后WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青的G*和δ 具有相似的變化規(guī)律，當(dāng)試驗(yàn)溫度不斷升高，G*呈現(xiàn)出逐漸減小而δ 逐漸增大的趨勢(shì)。改性乳化瀝青經(jīng)過(guò)老化后，其瀝青內(nèi)部的黏性成分不斷減少而彈性成分逐漸增加，這種成分的變化使改性乳化瀝青表現(xiàn)得更硬。由圖4（d）可知，當(dāng)WER 摻量為9%且溫度較低時(shí)（小于65 ℃）時(shí)，短期老化后改性乳化瀝青的δ 小于未老化瀝青的；而當(dāng)溫度處于較高時(shí)短期老化后改性乳化瀝青的δ 大于未老化瀝青的。由圖4（e）可知，不同老化程度瀝青的δ 在較低溫度時(shí)隨著老化程度加深而減小，隨著溫度逐漸升高，表現(xiàn)出相反的現(xiàn)象。當(dāng)WER 摻量少的時(shí)候，對(duì)瀝青的抗老化能力并沒(méi)有很大的幫助，此時(shí)，瀝青的老化起主要的作用；當(dāng)WER 的摻量達(dá)到一定量時(shí)，才會(huì)對(duì)老化后的瀝青性能起到改善作用。這是因?yàn)閃ER 形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)保護(hù)了瀝青中的輕質(zhì)組分，但隨著長(zhǎng)期老化和溫度的升高，使得交聯(lián)結(jié)構(gòu)遭到破壞，瀝青輕質(zhì)組分被釋放，所以長(zhǎng)期老化后δ 有所上升。比較9%和15%的WER摻量的改性乳化瀝青可以發(fā)現(xiàn)，同一溫度下，15%WER 摻量的改性瀝青相較于9%WER 摻量的改性瀝青有較小的相位角。說(shuō)明老化作用越不明顯，即WER-SBR 改性乳化瀝青的抗老化性能隨著WER 摻量的增加而提高。

2.3 紅外光譜分析（見(jiàn)圖5）

圖5 改性乳化瀝青的紅外光譜

由圖5 可知，經(jīng)短期和長(zhǎng)期老化后的改性乳化瀝青代表芳香族分子位置（720~880 cm-1）處的吸收峰與未老化瀝青相比減弱，表明經(jīng)過(guò)短期和長(zhǎng)期老化后，原樣瀝青中含芳香族分子的輕質(zhì)油分減少。其主要原因是由于經(jīng)過(guò)高溫老化試驗(yàn)后，瀝青中的輕質(zhì)油分不斷揮發(fā)，造成吸收峰減弱[16]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后的改性乳化瀝青在亞砜基（S=O）含氧官能團(tuán)處（1020~1050 cm-1）的吸收峰與原樣瀝青相比有明顯增強(qiáng)，這表明了改性乳化瀝青在長(zhǎng)期老化過(guò)程中發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。老化時(shí)間的延長(zhǎng)，可以明顯看到1700 cm-1處特征峰增強(qiáng)，出現(xiàn)了明顯的羰基（C=O）特征峰；2720~3000 cm-1處是X—H 化學(xué)鍵（X=C，N，O）的伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明WER 與固化劑發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，環(huán)氧基開(kāi)環(huán)形成大量的固化交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)；在1462 cm-1處的醚鍵（C—O—C）處形成大分子結(jié)構(gòu)，提高了WER-SBR 改性乳化瀝青的高溫性能，針入度和延度減小，軟化點(diǎn)升高，表明紅外光譜中官能團(tuán)變化可表征水性環(huán)氧改性乳化瀝青的實(shí)際性能變化。從紅外光譜中可知，不同程度的老化會(huì)加速瀝青輕質(zhì)分子的流失，造成宏觀性能劣化，而9%摻量的WER 與SBR 乳化瀝青相容性好，WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青性能較原樣瀝青有較大的提高。

3 結(jié) 論

（1）WER 的摻入會(huì)明顯改善SBR 改性乳化瀝青的基本物理性能，包括針入度、軟化點(diǎn)與延度，但過(guò)量的WER 會(huì)使改性瀝青整體變硬，導(dǎo)致延度減小，因此應(yīng)控制WER 的摻量在9%~15%為宜。

（2）通過(guò)高溫流變?cè)囼?yàn)可知，WER 能夠明顯提高改性乳化瀝青的高溫性能，WER 摻量越大，變化越明顯，并且WERSBR 復(fù)合改性乳化瀝青的抗老化性能隨著WER 摻量的增加而提高。

（3）從紅外光譜中可知，不同程度的老化會(huì)加速瀝青輕質(zhì)分子的流失，造成宏觀性能劣化，而9%摻量的WER 與SBR乳化瀝青相容性好，WER-SBR 復(fù)合改性乳化瀝青性能較原樣瀝青有較大的提高。