成果简介
引言：环氧沥青（EA）凭借其高强度、高耐候性和优异的抗疲劳性能，已成为大跨径钢桥面铺装的关键材料，但其固有的脆性差、与基质沥青相容性不佳等缺陷严重制约了其在高等级公路与城市道路中的大规模推广应用。传统环氧沥青体系往往需要高达10 wt%以上的环氧树脂掺量才能形成连续致密的交联网络，导致材料成本居高不下，工程经济性难以满足公路铺装的大规模需求。如何在保证甚至提升高温性能的前提下大幅降低环氧用量，实现”低环氧、高性能、高经济”的目标，是环氧改性沥青领域亟待突破的关键科学问题。本文针对这一瓶颈，创新性地将3 wt% SBS与低掺量环氧树脂（ER）复配，制备了兼具优异高温性能与施工和易性的环氧/SBS复合改性沥青（ESBA）。借助荧光显微镜（FM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、动态剪切流变仪（DSR）、多应力蠕变恢复试验（MSCR）及旋转黏度等手段，系统揭示了溶胀SBS在低环氧体系中作为”分子桥”改善ER-沥青相容性的微观机制，阐明了ER化学交联网络与SBS物理网络双协同增效的构效关系。研究发现，仅含7 wt% ER与3 wt% SBS的7ESBA即实现了高温抗变形能力的阶跃式提升，其不可恢复蠕变柔量（Jnr）较传统SBS改性沥青降低约93%，恢复率（R）提升至89.66%，同时保持了适宜的施工黏度窗口。该研究突破了传统高环氧沥青”以量换性能”的技术路径，在极低环氧掺量下即获得了远超纯SBS改性沥青和纯环氧沥青的综合性能，显著降低了环氧改性沥青的材料成本，为环氧改性沥青在公路铺装领域的规模化应用提供了重要的理论依据与技术支撑。
正文
近日，太原理工大学何宏伟副教授在《Polymer Engineering & Science》期刊上发表了题为Epoxy-SBS Modified Asphalt With a Dual Synergistic Network: Microstructure, Rheological Performance, and Workability的研究论文。如图1所示，该研究以90#基质沥青为基础，分别制备了3 wt% SBS改性沥青（SBA）与不同环氧掺量（3、5、7、9 wt%）的ESBA系列样品。其中，环氧树脂采用双酚A型E-51，固化剂选用异佛尔酮二胺（IPDA），官能团摩尔比控制为1:1。制备工艺为：先将基质沥青加热至165℃，加入SBS和硫磺溶胀发育，再加入ER与IPDA在1200 r/min下高速剪切，最终于180℃烘箱中发育1 h形成ESBA。与传统高掺量环氧沥青不同，本研究将环氧掺量上限控制在9 wt%，核心目标是在低环氧区间内寻找性能与经济性的最优平衡点。
图1 ESBA与SBA制备工艺流程示意图
荧光显微镜（FM）图像揭示了低环氧含量下SBS的相容化作用机制（图2）。对于纯SBA（图2a），SBS在沥青中形成了典型的溶胀网络结构。当ER掺量为3 wt%时（图2b），体系中出现分散的点状荧光相，此时ER与SBS各自分散在沥青连续相中，两相界面清晰可辨。随着ER掺量提升至5 wt%（图2c），点状结构开始长大并相互靠近，说明SBS的溶胀行为发生改变。溶胀的SBS作为两亲性分子，从原本的溶胀结构向ER-沥青界面迁移，承担起”相容剂桥梁”的角色。当ER掺量达到7 wt%时（图2e），荧光网络变得细密均匀，呈现出典型的双连续相结构，这意味着ER相与SBS相在7 wt%处形成了相互贯穿的网络。而当ER继续增加至9 wt%时（图2f），荧光结构反而变得更加致密和粗大，说明过量的ER导致相分离加剧，SBS的相容化作用达到极限。值得注意的是，即使在仅含7 wt% ER的低环氧体系中，溶胀SBS依然能够有效桥接极性ER相与非极性沥青相，抑制宏观相分离，这是低环氧含量下仍能获得高性能的微观结构基础。
图2 不同改性沥青的荧光显微镜图像：(a) SBA, (b) 3ESBA, (c) 5ESBA, (d) 7EA, (e) 7ESBA, (f) 9ESBA
图3物理性能测试结果表明，ER的引入有效提升了SBA的高温性能，且在低掺量区间内即可实现性能跃升（图3）。针入度方面，SBA为49.1 mm，加入3 wt% ER后降至17.1 mm，继续增加ER至7 wt%时降至14.1 mm，变化趋于平缓。软化点则从SBA的63.3℃提升至7ESBA的79.15℃，提升幅度达25%。延度方面，ER的加入使5℃延度从SBA的约195 mm下降至7ESBA的约80 mm，说明环氧交联网络在提升高温刚度的同时，对低温延展性有一定影响。综合来看，仅需7 wt%的环氧掺量即可使软化点提升近16℃，单位环氧用量的性能提升效率远高于传统高掺量环氧沥青体系，充分体现了低环氧路线的经济性优势。
图3 SBA与ESBA的物理性能：(a) 针入度，(b) 5℃延度，(c) 软化点
MSCR多应力蠕变恢复试验直观量化了ESBA的高温抗车辙能力（图4）。在3.2 kPa应力水平下，SBA的不可恢复蠕变柔量Jnr为0.6285 kPa⁻¹，恢复率R仅为25.54%；而7ESBA的Jnr低至0.0219 kPa⁻¹，R高达89.66%。也就是说，仅用7 wt%的环氧掺量，就使不可恢复蠕变变形降低了约96.5%，弹性恢复率提升了2.5倍。相比之下，不含SBS的7EA样品Jnr高达2.0159 kPa⁻¹，R仅为1.06%，几乎没有弹性恢复能力。这一鲜明对比有力证明了双协同网络的价值——ER的刚性化学交联网络提供抗变形能力，溶胀SBS的柔性物理网络提供弹性恢复能力，二者协同作用产生了”1+1>2″的效果。当ER过量至9 wt%时（9ESBA），Jnr反而回升至0.1493 kPa⁻¹，R下降至60.05%，说明过度的环氧交联网络会”锁死”SBS的弹性贡献，证明了低环氧、适量SBS配比的优越性。
图4 SBA与ESBA的蠕变恢复曲线：(a) 0.1 kPa, (b) 3.2 kPa
DSR温度扫描与频率扫描结果进一步验证了7ESBA的最优高温性能（图5与图6）。相位角δ随温度升高的变化曲线显示，7ESBA在整个测试温度范围内（52–82℃）保持最低的相位角，说明弹性组分占比最高。复数模量G*方面，7ESBA在所有温度下均表现出最高的G*值，显著优于SBA和7EA。频率扫描结果一致表明，7ESBA的G*随频率变化最为平缓，意味着在高速行车荷载下仍能保持稳定的力学响应。这一系列流变学证据共同确认：7 wt% ER + 3 wt% SBS的低掺量配比，是ESBA体系性能最优的组成区间。
图5 DSR温度扫描结果：(a) 相位角，(b) 复数模量
图6 DSR频率扫描试验结果（52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃）
储存稳定性测试是环氧沥青走向工程应用的关键指标（图7）。SBA的上下软化点差ΔS为5.2℃，存在明显的相分离。加入ER后，所有ESBA样品的ΔS均显著降低，其中7ESBA的ΔS仅为0.4℃，表现出优异的储存稳定性。这归功于溶胀SBS的相容化作用——SBS作为两亲性桥梁，一端锚定极性ER相，另一端融入非极性沥青相，有效抑制了高温储存过程中的密度差引起的相分离。作为对比，不含SBS的7EA样品ΔS高达8.0℃，几乎完全相分离，这从工程应用角度再次凸显了低环氧体系中SBS不可替代的相容剂价值。
图7 储存稳定性试验结果
文章第一作者为太原理工大学材料科学与工程学院在读硕士研究生闫振，通讯作者为何宏伟副教授。
文章链接：https://doi.org/10.1002/pen.7096
