随着道路建设和养护工程对乳化沥青的需求量不断增大，乳化沥青性能和应用研究已成为道路科学领域的研究热点，其中最受关注的是乳化沥青的改性技术。将改性剂引入乳化沥青体系，可以赋予乳化沥青更为优良的路用性能，并使其应用范围越来越广泛。目前国内外一般使用高分子聚合物对乳化沥青进行改性，丁苯胶乳(SBR)是最常见的乳化沥青高聚物改性剂^[1]。在沥青中SBR分子相互缠结能够形成空间网络，因此具有良好的黏弹性，可以明显改善沥青的高低温稳定性，尤其是对低温性能有明显改善作用。但是国内大量的试验研究表明，仅用SBR进行改性的乳化沥青的高温性能与炎热地区路面表层材料性能要求尚有差距^[2]，其黏结性能在现代交通条件下也需要得到进一步改进。

水性环氧树脂(Waterborne Epoxy，简称WE)是以环氧树脂微粒为分散相和以水为连续相的液相体系材料^[3]，可在室温条件下以及潮湿环境中固化，同时还保留了环氧树脂热稳定性好、强度高和黏结力强的特点^[4]。将水性环氧树脂作为用于乳化沥青的改性剂，可使乳化沥青的高温性能得到提高^[5]，并使乳化沥青材料体系的应用范围得到拓展^[6]。笔者对不同水性环氧树脂掺量的改性乳化沥青进行性能测试，从而研究水性环氧树脂对乳化沥青的适用条件及其改性特征。并以水性环氧树脂改性乳化沥青的黏附性为研究出发点，考察水性环氧树脂改性剂的用量及组分配比对乳化沥青黏附性的影响规律，对其进行了量化研究，从而为水性环氧树脂改性乳化沥青的推广应用提供了科学依据。

水性环氧树脂固化物脆性较大，一般需要与橡胶类改性剂同时使用，从而综合改善乳化沥青残留物的性能^[7]，所以本文采用的乳化沥青为实验室自制SBR改性阳离子乳化沥青，其中SBR胶乳用量为3%；水性环氧树脂改性剂通过固化剂乳化法^[8]自制，将环氧树脂和固化剂乳液倒入容器，用搅拌器在300 r/min速率下搅拌20 min，即可制得均匀的水性环氧树脂。

通过变化水性环氧树脂在乳化沥青中的掺量，对比分析水性环氧树脂改性乳化沥青的路用性能指标，从而考察水性环氧树脂对乳化沥青性能的影响规律。

乳化沥青的储存稳定性用于判断乳化沥青储存后的稳定性能，是将乳化沥青样品在规定的条件和容器下放置一定时间，分析竖直方向上乳化沥青浓度的变化程度，通过上下两部分乳化沥青蒸发残留物质量百分率的差值(即稳定度S_s)来表示，即稳定度S_s越小，则说明乳化沥青储存稳定性能越好。

本文对不同水性环氧树脂掺量的乳化沥青进行储存时间为1 d的储存稳定性测试。图 1显示水性环氧树脂掺量对乳化沥青储存稳定性的影响，从图中可以看出，储存稳定性数值一直满足乳化沥青技术标准(不大于1%)，其变化趋势是随着水性环氧树脂掺量先是缓慢增加，在水性环氧树脂掺量为4%时到达最高点，然后又随着水性环氧树脂掺量增加而下降，在水性环氧树脂掺量为5%时稳定性数值下降较快，水性环氧树脂掺量为7%时稳定性数值到达最低值。

图 1 水性环氧树脂掺量对乳化沥青储存稳定性影响 Fig. 1 Influence of waterborne epoxy resin dosage onstorage stability of emulsified asphalt

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本研究认为这种现象主要原因是，随着水性环氧树脂掺量的增加，环氧树脂微粒与沥青粒子界面层的状态发生一定的变化。固化剂乳化型的水性环氧树脂体系中，环氧树脂表面包覆一层固化剂，由于固化剂分子结构经过改性，其性质呈亲水亲油性质，在这种情况下，包覆着固化剂的环氧树脂可以被看作为高分子表面活性剂。当水性环氧树脂掺量较低的时候，吸附在沥青粒子表面的环氧树脂分子结构中的长链可以同时吸附到其他沥青粒子表面，就会在沥青粒子之间产生架桥效应，使沥青粒子絮凝团聚，这种现象在表面活性剂知识范畴中被称作敏化作用^[9]。沥青粒子絮凝团聚趋势的增加，则会使稳定度管的下部乳化沥青浓度增加，稳定度数值则增大。当继续加大水性环氧树脂掺量时，环氧树脂浓度到达一定程度，环氧树脂会发生局部的絮凝离析上浮，这样稳定度管上下区域分别取出的乳化沥青残留物的质量差值会减少，稳定度数值则会轻微下降。当水性环氧树脂浓度继续加大，水性环氧树脂粒子会通过大分子的缔合形成网状结构，这种网状结构相互连结缠绕使体系黏度增加，对沥青粒子发挥了分散、限域的作用，大大降低了沥青微粒的沉降速度，乳化沥青稳定性得到大幅度提升，所以稳定度数值会明显下降。

图 2显示水性环氧树脂掺量对乳化沥青蒸发残留物软化点的影响。从图中我们可以看出，随着水性环氧树脂掺量的增加，乳化沥青蒸发残留物软化点起初只是缓慢增长。这是因为当水性环氧树脂用量较低时，环氧树脂不足以聚合交联成为大的网架结构，因此对乳化沥青的改性效果有限，并且此时水性环氧树脂的加入也会使乳化沥青中SBR的含量降低，也就削弱了聚合物网络结构的作用，在这两种因素的共同作用下，少量的水性环氧树脂的加入对乳化沥青蒸发残留物软化点的影响并不明显。

图 2 水性环氧树脂掺量对软化点的影响 Fig. 2 Influence of waterborne epoxy resin dosage onsoftening point of emulsified asphalt

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当水性环氧树脂掺量达到2%时，样品的软化点有了很大的提升，并随着水性环氧树脂掺量的增加迅速提高。此时，水性环氧树脂浓度较高，可以通过交联聚合形成高强度的三维网络弥散于沥青当中，而且这种网络是通过固化反应形成的，分子间形成的是不可逆的化学键，所以这种网络在高温环境下也是比较稳定的，能够保持对沥青发挥补强作用。所以当水性环氧树脂掺量达到一定程度时，其对乳化沥青高温性能提升是十分显著的。

图 3显示水性环氧树脂掺量对乳化沥青蒸发残留物延度的影响。可以看出，水性环氧树脂对沥青延度影响较大，随着水性环氧树脂掺量的加大，乳化沥青蒸发残留物延度急剧下降。这是由于水性环氧树脂用量增加，环氧树脂交联度变大，在测试温度下，环氧树脂固化物网络结构刚性很大，在荷载作用下分子链段没有足够的时间进行弛豫，因此环氧树脂固化物网络形变较小，并且整个网络链段的运动也很受限制，只能发生局部链段的小范围运动，导致伸长率降低。同时，沥青与环氧树脂分子间的交联点增多而更加密集，更多的油分会被环氧树脂吸收，沥青胶体结构也会发生一些改变。这些都导致乳化沥青蒸发残留物材料变硬，强度增加，黏弹性下降。所以水性环氧树脂掺量过大时不仅使改性乳化沥青造价提高，而且可能会使材料的低温性能下降，这就需要把水性环氧树脂掺量控制在合理范围。

图 3 水性环氧树脂掺量对延度的影响 Fig. 3 Influence of waterborne epoxy resin dosage on ductility of emulsified asphalt

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需要说明的是，本文通过乳化沥青蒸发残留物的性质(如软化点、延度)考察了水性环氧树脂的改性作用特征。在研究中我们发现改性乳化沥青样品的存放时间对乳化沥青蒸发残留物的软化点和延度没有明显影响。这是由于在水性体系中环氧树脂粒子之间存在大量水分，所以在改性乳化沥青存放过程中，尽管环氧树脂粒子之间一直存在缔合形成网状结构的发展趋势，但形成的缔合聚集体属于凝胶状态，在乳化沥青蒸发残留物的制备过程中，环氧树脂粒子缔合体在加热搅拌的情况下重新均匀分散在沥青当中。然而，这与乳化沥青实际工程使用过程不一致，这就需要通过工作性能要求对水性环氧树脂改性乳化沥青的使用工艺进行研究。

在乳化沥青的使用过程中，工作性能对乳化沥青的黏度提出了一定的要求。如果乳化沥青黏度过低，其与集料拌和时稠度往往不够理想，并且容易造成离析和乳液流失的现象，施工和易性也会受到影响；如果乳化沥青黏度过高，则不利于乳化沥青的撒布以及与集料的均匀拌和，也不利于施工设备的精确计量。

与常规的乳化沥青高聚物改性剂不同的是，水性环氧树脂是双组份改性剂。水性环氧树脂加入到乳化沥青中以后，环氧树脂和固化剂的交联反应是不断进行的(这一点从前面所做的乳化沥青储存稳定性试验也可看出)，也就是说水性环氧树脂改性乳化沥青的黏度是动态发展变化的。为了考察水性环氧树脂改性乳化沥青黏度的变化规律，本文取水性环氧树脂掺量为3%的改性乳化沥青作为测试对象，然后测试其不同时间的恩格拉黏度(E_v)，测试结果如图 4所示。

图 4 水性环氧树脂改性乳化沥青黏度随存放时间的变化 Fig. 4 Viscosity of waterborne epoxy resin modified emulsified asphalt varying with storage time

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从图中可以看出，水性环氧树脂的加入对乳化沥青的黏度影响显著，并且随着乳化沥青的存放时间增加，其黏度也在不断增加。起初是缓慢增长，然后较为快速增长，最后是更为快速的增长阶段。本文认为这种现象是由于环氧树脂与固化剂反应的过程特征引起的。起先，环氧树脂和固化剂反应生成较高分子量的环氧树脂齐聚物，这时乳化沥青的黏度表现为缓慢增长；随着反应不断进行，以早期生成的齐聚物为核心，在乳化沥青体系中形成了环氧树脂微凝胶体，此时黏度开始迅速增长；随着时间推移，环氧树脂微凝胶体不断增长，乳化沥青体系中开始生成大凝胶体，此时乳化沥青的黏度增长变得极为迅速，并开始向三维空间网络结构过渡。

综合上述试验结果，当水性环氧树脂用量达到2.5%时，蒸发残留物的延度刚刚满足路用性能要求(≥20 cm)，而在2.5%水性环氧树脂用量下，改性乳化沥青蒸发残留物的软化点已大大超过路用性能标准(≥53 ℃)，所以水性环氧树脂用量不宜超过3%。同时，根据改性乳化沥青黏度技术指标要求(E_v﹤30)，从图 4可以看出，水性环氧树脂为3%掺量的改性乳化沥青应在6～8 h之内使用完毕。这些都要在水性环氧树脂改性乳化沥青施工工艺方面予以考虑。

沥青与石料的黏附性指标反映沥青在石料上裹附后抵抗受水侵蚀造成剥落的能力，以沥青在石料表面的裹附面积表示，从而评定其黏结力和抗剥落能力。由于沥青-集料界面的黏附性能对混合料的水稳定性关联性较强，所以对沥青黏附性的研究很多，其试验方法和评价标准也不断取得进步^{[10, 11, 12, 13]}。同样，乳化沥青与集料的黏附性也是乳化沥青的重要性能。本研究对不同掺量水性环氧树脂的改性乳化沥青进行黏附性测试，分析水性环氧树脂改性乳化沥青在石料表面成膜后受水侵蚀的稳定程度。

规范中根据石料表面裹附沥青面积进行半定量的描述评价，进而对沥青黏附性进行分级，这种方法主观性较强，人为误差较大。本文希望通过研究揭示水性环氧树脂掺量对乳化沥青黏附性能的影响规律，显然不适合用这种定性或分级的方法，需要采用新的量化方法进行改进。有资料显示^[14]，利用图像分析软件对路面材料进行指标定量化研究，可以为材料工艺发展提供有益的参考。也有文献报道^[15]，采用图像分析的方法对沥青黏附性进行评价，较传统目测方法更加客观，可以得到更科学的评价结果。本文借鉴这些先进方法和思路，利用Image-Pro Plus(专业图像分析软件)测算经过水侵蚀的沥青裹附面积，主要步骤如下：

(1)拍摄数字图像。使用数码相机拍摄。拍摄相片时，采用无影灯的灯光条件下进行照片拍摄，相机镜头与白色瓷板背景保持平行。

(2)图像处理。利用Image-Pro Plus软件的功能对图像进行处理，先将图片的亮度、对比度、伽玛值调整到合适数值，以石料表面的沥青膜为取像目标，根据目标与背景的像素特性差异确定阈值，如图 5所示。

图 5 取像目标的定位 Fig. 5 Localization of object regions

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(3)像素统计。利用Image-Pro Plus软件的像素统计功能，得到目标像素数量与图像像素总数，如图 6所示。

图 6 目标像素统计(截图) Fig. 6 Target pixel statistics(Screershot)

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(4)沥青裹附率计算。按式(1)计算碎石的覆盖率。

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试验首先选用不同水性环氧树脂掺量的乳化沥青进行黏附性试验和计算。黏附性试验测算结果如图 7所示。

图 7 水性环氧树脂掺量对裹附率的影响 Fig. 7 Influence of waterborne epoxy resin dosage on adsorption rate

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从图中可以看出，裹附率随着水性环氧树脂掺量的增加而提高，说明水性环氧树脂对提高乳化沥青的黏附性具有良好效果。这一方面是因为固化剂分子结构中有阳离子基团，与石料表面具有异性电荷相互吸引力，可以穿透石料表面的水膜矿料表面紧密结合，并且水性环氧树脂分子结构中也具有极性基团，固化前对石料表面有良好的浸润性，所以水性环氧树脂和固化剂在石料表面良好铺展并发生交联，增强了沥青与集料界面的黏结能力。另一方面，水性环氧树脂固化和乳化沥青破乳同时进行，环氧树脂固化物和沥青相互交叉交融，环氧树脂固化物中残余的环氧基团可以和集料表面的硅羟键发生键合作用，残余的胺根可以和集料表面的缺电子位形成共价键或氢键，增加了沥青对石料的黏附性能。以上这两种作用都增加了乳化沥青的黏附性。所以水性环氧树脂与抗剥落剂有着相似的作用机理，能增加乳化沥青混合料的水稳定性。

为了研究水性环氧树脂配比对乳化沥青黏附性的影响，我们根据不同的环氧树脂A组分和固化剂B组分的比例制备水性环氧树脂乳液，并统一以3%的掺量对乳化沥青进行改性，再对其进行黏附性试验，试验结果如图 8所示。

图 8 水性环氧树脂配比对裹附率的影响 Fig. 8 Influence of proportion of waterborne epoxy resin on adsorption rate

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从图中可以看出，水性环氧树脂配比对裹附率也具有一定的规律。当A∶B值小于1.1时，裹附率随着A∶B值增加而提高，当A∶B值达到1.1后，裹附率反而随着A∶B值增加而降低。

这种现象来自于环氧树脂和固化剂自身分子结构和物理性质的差异。作为A组分的环氧树脂，其分子结构中含有大量的苯环，苯环属于刚性基团，并且苯环的空间位阻较大，导致分子链内旋转比较困难，所以A组分分子结构属于刚性链；作为B组分的固化剂，分子结构中长碳链，内旋转位垒较小，分子链的柔性较大，所以B组分分子结构属于柔性链。起初随着A组分用量的增加，环氧树脂固化物中刚性链段含量得到提高，黏性增大，从而表现出黏附性增强；当A∶B值到达一定程度时，若继续提高A组分用量，过多的刚性链段影响水性环氧树脂在石料表面的铺展，导致水性环氧树脂在石料表面微孔的渗透受到限制，并且如果环氧树脂在初始产生固化的过程中刚性链段过多，会牵制固化剂在石料表面的分散，减少了固化物与石料之间形成氢键的密度，宏观也就表现为黏附性下降。

(1)综合乳化沥青性能指标，确定了水性环氧树脂改性剂的用量范围。根据水性环氧树脂改性乳化沥青黏度增长特征，确定了产品的储存适用期。

(2)利用Image-Pro Plus图像分析软件对水性环氧树脂改性乳化沥青的黏附性进行指标定量化研究，结果显示水性环氧树脂对提高乳化沥青的黏附性具有良好效果。

(3)水性环氧树脂组分配比对改性乳化沥青黏附性具有一定影响，当A∶B值达到1.1时，裹附率达到最大值。