水性环氧树脂复配SBR改性乳化沥青桥面铺装黏结层性能研究

赖嘉洲

(广东交科检测有限公司，广东 广州 510550)

0 引言

为了兼顾改性乳化沥青路用材料的综合路用性能，且兼备制备工艺简单、易分散、贮存稳定性好等技术优势，许多学者开始尝试将水性环氧树脂用于制备改性乳化沥青。水性环氧树脂具有强度高、黏结力强、高温稳定性和抗疲劳性能优良的特点，水性环氧树脂改性乳化沥青系列混合料也具备优异的黏结强度、高温性能与抗水损害等性能，且水性环氧树脂与普通乳化沥青的配伍性良好、在乳化沥青中分散性良好，制备工艺也日渐成熟。

目前水性环氧树脂改性乳化沥青及其混合料产品已广泛应用于桥面铺装防水黏结层等工程，并取得良好的防水、抗滑和抗车辙性能使用效果。更进一步，有学者提出将SBR与水性环氧树脂进行复配，由此制备的复合改性乳化沥青既具备水性环氧树脂强度高、黏结力强、高温稳定性和抗疲劳性能优良的特点，又能有效提高SBR改性乳化沥青高温性能和黏附性能，因此有必要将水性环氧树脂与SBR改性沥青进行复配，以实现2种改性剂对乳化沥青性能的叠加改善作用。

现有研究对水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青的针入度体系及拉伸性能等分析仍不全面，有关水性环氧树脂与SBR胶乳掺量仍缺乏试验数据支撑，这限制了复合改性乳化沥青的进一步推广应用。基于此，笔者通过水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青残留物的针入度指标性能、拉伸性能进行研究，并采用荧光显微镜对其微观特征进行表征和分析，以期拓宽水性环氧树脂复合SBR改性乳化沥青的适用范围。

1 原材料与试验方案

1.1 试验原材料

1)水性环氧树脂乳液 水性环氧树脂和固化剂均由山西某厂家提供，厂家推荐的环氧树脂(N4E2)与固化剂(HGB)比例为1∶1，技术指标如表1所示。

表1 水性环氧树脂和固化剂主要技术指标

2)SBR改性乳化沥青 制备SBR改性乳化沥青的主要原材料包括壳牌A-90基质沥青、LYE-B101阳离子慢裂慢凝乳化剂、阳离子丁苯胶乳LYE-R03、水。在实验室自制SBR改性乳化沥青。

1.2 水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青制备

采用先乳化后改性的方法，主要制备工艺参数为：①将水性环氧树脂与乳化剂以1∶1质量比混合，搅拌5min使水性环氧树脂与固化剂混合均匀，其余原材料均按预定质量称量，将壳牌A-90基质沥青加热至140℃备用；②将乳化剂加入80℃水中，开启剪切机，调节剪切速率为2 000r/min；③以10g/min速度将壳牌A-90基质沥青(140℃)加入乳化剂(掺量为2%)与水混合溶液中；④待基质沥青添加至预定质量(按固含量62%控制基质沥青掺量)后，调节剪切机速率至4 000r/min，保持此剪切速率，剪切25min，制备完成乳化沥青；⑤将预定质量的水性环氧树脂与SBR胶乳一同加入乳化沥青(温度为60℃)中，保持剪切速率为2 000r/min，剪切10min，完成水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青制备。

1.3 复合改性沥青评价指标

由于掺入水性环氧树脂和SBR改性剂，复合改性沥青兼顾水性环氧树脂的热固属性和丁苯橡胶的延展性。试验研究参照GB/T 38990—2020《道路用水性环氧树脂乳化沥青混合料》、JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》、JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》技术指标要求(见表2)，本文以水性环氧树脂与SBR复合改性沥青残留物的针入度、软化点、延度、断裂伸长率、断裂强度为评价指标，同时考察推荐复配方案下水性环氧树脂与SBR复合改性沥青的贮存稳定性与施工和易性，最终推荐适宜的水性环氧树脂与SBR胶乳掺配比例。

表2 乳化沥青技术指标汇总

2 水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青性能

2.1 针入度指标体系性能

改性乳化沥青性能主要取决于其蒸发残留物性能。采用微波加热获取复合改性乳化沥青蒸发残留物，研究水性环氧树脂和SBR胶乳掺量对复合改性沥青蒸发残留物的针入度、延度(5℃)、软化点和拉伸性能的影响趋势。试验结果如表3所示。

由表3可知：

表3 水性环氧树脂与SBR复合改性沥青针入度指标性能

1)相同SBR胶乳掺量下，随着水性环氧树脂掺量的增大，复合改性乳化沥青残留物的针入度减小、软化点增大、延度减小，表明增大水性环氧树脂主要改善复合改性乳化沥青残留物的高温性能，同时降低其低温性能。水性环氧树脂掺量增大，水性环氧树脂通过交联聚合形成高刚度三维网分散于SBR改性沥青中，蒸发残留物由热塑性转变为热固性，水性环氧树脂具有热固属性，固化后力学性能提升，刚度增大导致低温延展性降低。

2)增大SBR胶乳后，5℃延度明显增大，其余高温性能指标略有增大，表明增大SBR胶乳对复合改性沥青残留物高温性能改善效果不明显，SBR胶乳对水性环氧树脂改性乳化残留物的低温性能有显著增强作用。

3)随着SBR胶乳与水性环氧树脂掺量的增大，复合改性乳化沥青的1，5d贮存稳定性降低，同时恩格拉黏度E25增大。这主要是因为，随着2种改性剂掺量的增大，复合改性乳化沥青体系的稳定性降低，水性环氧树脂在贮存过程中其掺量越大，SBR胶乳与水性环氧树脂复合改性乳液的黏度越大，没有分散均匀的改性剂产生结团、离析现象。此外，水性环氧树脂的热固性属性，局部产生固化反应，也会导致复合改性乳化沥青乳液稳定性降低。

4)将水性环氧树脂与SBR胶乳进行复配，能兼顾2种改性剂各自的技术优势。在4%～10%水性环氧树脂与4%～8%的SBR胶乳复配方案下，复合改性乳化沥青残留物的针入度介于60～76.4(0.1mm)、软化点55.9～70.6℃，复合改性乳化沥青具有优异的高温性能。这取决于SBR改性剂优异的低温延展性，掺加6%～8%的SBR胶乳后，复合改性乳化沥青残留物的5℃延度可达到18.8～33.9cm，低温性能良好。

5)以满足复合改性乳化沥青1d贮存稳定性≤1%、5d贮存稳定性≤5%，恩格拉黏度E25介于2～30，5℃延度≥20cm，软化点≥55℃，25℃针入度50～130(0.1mm)，兼顾经济性，推荐适宜的水性环氧树脂掺量为8%、SBR胶乳掺量为6%。

2.2 拉伸性能试验结果及分析

拉伸试验的试件制备方法参照JTG E20—2011中T0629—2011试验方法进行。拉伸仪器采用WDL-50型电子拉力试验机，拉伸试验温度为25℃，拉伸速率为10mm/min，试验结果如表4所示。由表4可知：

表4 水性环氧树脂与SBR复合改性沥青拉伸性能试验结果

1)不掺加水性环氧树脂的SBR改性沥青整体黏结强度<0.5MPa，掺加水性环氧树脂后乳化沥青的拉伸强度明显增大，且随着水性环氧树脂掺量的增加，水性环氧树脂改性乳化沥青及水性环氧树脂复合SBR改性沥青的拉伸强度逐渐增大。4%～10%水性环氧树脂复合4%～8% SBR改性乳化沥青的拉伸强度1.13～2.28MPa，比4%～8% SBR单一改性乳化沥青的拉伸强度提高3.5倍以上，增大水性环氧树脂掺量后复合改性沥青交联结构体系增强，环氧树脂固化物的热固特性。

2)水性环氧树脂掺量>8%和SBR胶乳掺量>6%后，继续增大水性环氧树脂或SBR胶乳掺量后复合改性沥青的拉伸强度增长趋势变缓。

3)水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青的断裂伸长率随着水性环氧树脂掺量的增加逐渐减小，随SBR胶乳掺量的增大而增大，表明增大SBR胶乳能改善复合改性沥青的柔韧性，而水性环氧树脂对复合改性乳化沥青柔韧性能具有明显的负面影响，复合改性乳化沥青残留物的断裂伸长率主要取决于SBR胶乳。这主要是因为，SBR改性沥青具有优异的低温延展性，但水性环氧树脂体系为热固性材料，环氧树脂改性沥青的性能随着水性环氧树脂掺量的增加，逐渐由黏弹塑性热塑性向热固性转变，使得复合材料变硬变脆、柔韧性变差，最终导致复合材料断裂伸长率逐渐降低。

3 水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青微观结构

固定SBR胶乳掺量为6%，变化水性环氧树脂掺量为4%，6%，8%，10%。将水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青浇筑试模，在40℃鼓风条件下固化24h备用。采用基恩士 (中国) 有限公司生产的cossim荧光显微在400倍物镜下观察水性环氧树脂改性乳化沥青试样的微观形貌(见图1)。

图1 水性环氧树脂与SBR复合改性乳化沥青试样荧光显微形貌

由图1可知，随着水性环氧树脂掺量增大，复合改性乳化沥青的微观形貌逐渐发展为致密的“蜂形”连续结构。在水性环氧树脂掺量达到10%时，水性环氧树脂固化产物出现连续相，并在固化产物团聚后在复合改性乳化沥青中形成明显的“蜂形”结构。随着水性环氧树脂和SBR改性剂掺量增大，复合改性沥青中的“蜂形”结构逐渐出现，随着水性环氧树脂掺量增大，“蜂形”结构所占体积、面积与数量逐渐增大，10%水性环氧树脂固化后，“蜂形”结构分布逐渐连续、均匀，宏观表现为复合改性沥青试样逐渐由热塑性转变为热固性。

4 工程案例

根据室内研究成果，于2018年将6% SBR复配10%水性环氧树脂改性乳化沥青应用于沥青混凝土桥面铺装防水黏结层，水泥混凝土面板铣刨7mm后，洒布水性环氧树脂与撒布SBR复合改性乳化沥青碎石作为防水黏结层，复合改性乳化沥青洒布量为2～2.5kg/m2，9.5～13.2mm单粒径碎石撒布量为9～10kg/m2，采用“两油一料”工艺，撒布完成后养护48h，养护结束后测试拉拔强度1.2MPa，远高于设计要求0.4MPa。目前桥面铺装已服役近2年，桥面沥青混凝土铺装未见推移、拥包等病害，试验段取得满意效果。

5 结语

1)将水性环氧树脂与SBR胶乳进行复配，能兼顾2种改性剂各自的技术优势。在4%～10%水性环氧树脂与4%～8% SBR胶乳复配方案下，复合改性乳化沥青残留物的针入度介于60～76.4(0.1mm)、软化点55.9～70.6℃，复合改性乳化沥青具有优异的高温性能。这取决于SBR改性剂优异的低温延展性，掺加6%～8% SBR胶乳后，复合改性乳化沥青残留物的5℃延度可达到18.8～33.9cm，低温性能良好。

2)掺加水性环氧树脂能增大复合改性沥青的拉伸强度，同时也会导致复合改性沥青变硬变脆、柔韧性降低问题。从水性环氧树脂对复合改性沥青拉伸强度的贡献和对断裂强度的负面影响考虑，综合考虑拉伸强度与断裂伸长率2个评价指标，推荐适宜的水性环氧树脂掺量为6%～8%，SBR胶乳掺量为4%～8%，即可确保复合改性乳化沥青具有足够的拉伸强度与断裂伸长率。

3)在水性环氧树脂掺量达到10%时，水性环氧树脂固化产物出现连续相，并在固化产物团聚后在复合改性乳化沥青中形成明显的“蜂形”结构。在4%水性环氧树脂掺量下，“蜂形”结构逐渐出现，随着水性环氧树脂掺量增大，“蜂形”结构所占体积、面积与数量逐渐增大，10%水性环氧树脂固化后，“蜂形”结构分布逐渐连续、均匀，宏观表现为复合改性沥青试样逐渐由热塑性转变为热固性。