随着我国道路交通量的快速增长，大量的沥青路面出现了坑槽、车辙、开裂等病害。因此加强路面养护工作，延长路面使用寿命对于我国实现可持续发展战略具有重要意义。水性环氧乳化沥青混合料由于具有施工方便，绿色环保，高温稳定性好等优点常常被作为功能层使用^[1-3]。李菁若^[4]发现当水性环氧树脂的掺量为15%时，沥青与集料的黏附性等级达5级；当掺量为20%时，冷拌料的初始强度为13.43 kN，成型强度为23.56 kN。王盘盘^[5]发现同基质沥青与乳化沥青混合料相比，水性环氧乳化沥青混合料具有更良好的高温稳定性，低温抗裂性及疲劳性能。在水性环氧乳化沥青结合料研究方面，谢鹏达^[6]认为水性环氧树脂的添加量为乳化沥青质量的4% 时，改性乳化沥青各项性能最优。梁建^[7]发现水性环氧树脂会提高乳化沥青蒸发残留物含量和软化点但会降低延度和针入度，此外，水性环氧树脂掺量和其在乳化沥青中的固化面积占比呈线性规律。刘洪辉^[8]通过动态剪切流变试验(DSR)研究了环氧树脂掺量对基质乳化沥青和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)改性乳化沥青残留物高温性能的影响。结果表明，水性环氧树脂掺量越大，水性环氧乳化沥青在固化破乳后的环氧沥青内部网状交联结构越稳定，高温稳定性越好。周卫峰^[9]发现水性环氧的掺量会提高乳化沥青残留物的高温稳定性、减少累积变形。崔通^[10]制备了苯乙烯-丁二烯橡胶/橡胶粉(SBR/CR)复配改性乳化沥青并探究了水性环氧含量对其性能的影响。结果表明，15%水性环氧树脂体系不仅可以提高乳化沥青残留物的高温稳定性还可以提升其低温抗裂性。张倩^[11]通过旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)模拟了短期老化对SBR改性乳化沥青与SBR/水性环氧树脂复配改性乳化沥青残留物黏弹性能的影响，试验发现后者具有优异的抗老化性且环氧树脂的加入改善了SBR改性乳化沥青残留物在低温时的变形能力。肖桂元^[12]对比了短期老化后国产环氧沥青与美国环氧沥青的黏度与抗拉性能。结果表明，短期老化对两种环氧沥青黏度影响较小且老化后的黏度仍满足规范要求。而对于抗拉强度，美国环氧沥青较国产环氧沥青变化较小。

综上所述，水性环氧乳化沥青在高温稳定性，低温抗裂性方面均表现出优异的性能。然而，到目前为止仍缺少关于水性环氧乳化沥青老化性能的研究。由于水性环氧乳化沥青混合料通常采用冷拌的方式进行拌和与铺筑，故短期老化对其影响较小。相较于短期老化，它更容易在长期的服役过程中受到热氧与光氧的影响而导致其性能发生变化。本研究将通过烘箱老化与紫外老化来模拟水性环氧乳化沥青在服役期间受到的热氧与光氧的影响，同时通过动态剪切流变试验、傅里叶红外光谱与荧光显微镜试验来表征环氧树脂含量对水性环氧乳化沥青蒸发残留物老化性能的影响。

本研究选用自制乳化沥青，其基本性能如表 1所示。水性环氧树脂体系由水性环氧树脂与固化剂两部分构成，其基本性能如表 2所示。

制备不同水性环氧树脂掺量的乳化沥青：首先将水性环氧树脂与乳化沥青加入到烧杯中，以200 r/min的速度搅拌6 min；然后将固化剂加入到第1步制得的混合物中，再以200 r/min的速度搅拌10 min。其中，水性环氧树脂体系掺量分别占总体系质量的0%，5%，10%，15%。为消除操作流程对乳化沥青性能的影响，不含环氧树脂的乳化沥青同样进行上述操作并作为空白样本。水性环氧树脂与固化剂质量比为1∶1.5。

压力老化试验(PAV)可以较好地模拟沥青胶结料的长期热氧老化。但考虑到水性环氧树脂改性乳化沥青的热固性，若进行压力老化试验，则无法在试验完成后将胶结料顺利取出。研究表明，95 ℃，72 h的烘箱老化与压力老化具有相同的作用^[13]。考虑到之后动态剪切流变试验中样品的成型要求，本研究首先将制备好水性环氧乳化沥青浇注在内径25 mm，厚度1 mm的试模中，然后将其置于40 ℃烘箱48 h完成固化。接着，再将样品放在95 ℃的烘箱中72 h来模拟热氧老化。

对于光氧老化的模拟，本研究采用紫外老化试验。光氧老化模拟试验中样品的制备方法与热氧老化模拟中样品的制备方法相同。将成型且固化完成的样品放于紫外老化箱中6 d，烘箱温度为(60±5) ℃，沥青表面辐射强度为12 W/m²。

本研究通过动态剪切流变仪以10 rad/s的扫描频率在50~80 ℃的温度范围内对不同水性环氧乳化沥青蒸发残留物进行测试，以获得其复数模量与相位角。

通过Nicolet iS50红外光谱仪在400~4000 cm^-1范围内对热氧、光氧老化前后的水性环氧乳化沥青蒸发残留物进行测试。其中，扫描次数为32；分辨率为4 cm^-1。

将不同环氧树脂掺量的乳化沥青滴在干净的载玻片上并放入40 ℃烘箱48 h完成固化。然后按上述老化方法将载玻片放入烘箱和紫外老化箱中进行热氧与光氧老化。用荧光显微镜观察老化前后水性环氧乳化沥青蒸发残留物中固化环氧树脂的胶连程度。荧光放大镜的倍数为40倍。为表述简练，根据环氧树脂含量的不同，将未老化(Unaged)样品命名为U-0%，U-5%，U-10%，U-15%；热氧老化(Thermal-oxidation)后的样品命名为TO-0%，TO-5%，TO-10%，TO-15%；光氧老化(Photo-oxidation)后的样品命名为PO-0%，PO-5%，PO-10%，PO-15%。

本研究以复数模量老化指数与相位角老化指数来评价热氧老化与光氧老化作用下不同水性环氧树脂掺量的乳化沥青蒸发残留物的老化性能。复数模量老化指数为老化后的复数模量与老化前的复数模量之比，相位角老化指数为老化后的相位角与老化前的相位角之比。复数模量老化指数越小，相位角老化指数越大代表沥青的抗老化性能越好^[14-15]。

图 1(a)~(b)为热氧老化后水性环氧乳化沥青蒸发残留物的复数模量老化指数与相位角老化指数。如图 1(a)所示，随着水性环氧树脂含量的增加，相应乳化沥青蒸发残留物的复数模量老化指数逐渐减小，说明环氧树脂的增加可以明显的改善沥青的抗老化性。上述掺有环氧树脂的沥青在抗老化性能上的改善可能是由于环氧树脂固化后形成了三维网状结构，而这种网状结构可以保护内部的沥青免受热氧老化的影响。如图 1(b)所示，4种乳化沥青蒸发残留物的相位角老化指数均随着温度的升高而增大，且15%环氧树脂掺量沥青的老化指数的最大，0%环氧树脂掺量沥青的老化指数的最小，说明前者的抗老化性能最好。

图 1 热氧与光氧老化后水性环氧乳化沥青蒸发残留物的复数模量老化指数与相位角老化指数 Fig. 1 Complex modulus aging indexes and phase angle aging indexes of waterborne epoxy emulsified asphalt evaporation residues after thermal oxygen aging and photo oxygen aging

图选项

图 1(c)~(d)为光氧老化后不同水性环氧树脂掺量的乳化沥青蒸发残留物的复数模量老化指数与相位角老化指数。对比相同水性环氧树脂含量的乳化沥青在热氧老化后与光氧老化后的老化指数，可以看出，同种沥青在热氧老化后复数模量老化指数更大而相位角老化指数更小，说明热氧老化对水性环氧乳化沥青蒸发残留物老化作用更强。如图 1(c)所示，4种沥青的复数模量老化指数随着环氧树脂掺量的增加而减小，且15%掺量的沥青复数模量老化指数远小于0%，说明前者的抗老化性要优于后者。而对于相位角老化指数，15%环氧树脂掺量的沥青的数值最大说明其抗老化性能最好。光氧老化后，水性环氧乳化沥青蒸发残留物较基质乳化沥青蒸发残留物抗老化性能的提升可能是由于环氧树脂的形成的三维网状结构，这种结构包裹了部分沥青，使得这部分沥青免受紫外老化的影响。

根据动态剪切流变仪的试验结果，选择0%环氧树脂掺量的乳化沥青与15%环氧树脂掺量的乳化沥青在热氧与光氧老化后的蒸发残留物进行傅里叶红外光谱试验。试验结果如图 2所示。1 533 cm^-1与3 500 cm^-1处为硝基与伯胺的吸收峰，可以看出，两种老化方式后，15%掺量的乳化沥青在伯胺处吸收峰大于0%掺量，而0%掺量的乳化沥青在硝基处的吸收峰大于15%掺量，且两种差值在热氧老化后更加明显。该现象可能是由于伯胺基团被氧化导致的，而环氧树脂的加入改善了沥青的抗老化性。为进一步研究两种水性环氧乳化沥青的抗老化性能，本研究对两种乳化沥青进行定量分析。研究表明，老化后沥青中的含氧官能团会增加而对于评价沥青老化程度可以采用亚砜基指数^[16-18]。亚砜基指数SI计算方法如式(1)所示，两种乳化沥青蒸发残留物在热氧、光氧老化前后的亚砜基指数如表 3所示。

图 2 热氧、光氧老化后乳化沥青蒸发残留物红外光谱图 Fig. 2 Fourier transform infrared (FTIR) spectra of emulsified asphalt evaporation residues after thermal oxygen aging and photo oxygen aging

图选项

(1)

式中，A_S=0为波数在1 030 cm^-1处亚砜基的峰面积，A为波数为1 456 cm^-1处的峰面积。

由表 3所示，热氧老化前后，不掺环氧树脂的乳化沥青蒸发残留物的亚砜基指数变化量约为15%环氧掺量的乳化沥青蒸发残留物的8倍。光氧老化前后，前者的亚砜基指数变化量约为后者的7倍，说明环氧树脂的加入可以降低乳化沥青蒸发残留物的老化程度。对比15%环氧树脂掺量乳化沥青蒸发残留物在热氧老化与光氧老化后的亚砜基指数变化量，可以看出，热氧老化后的亚砜基指数为光氧老化后亚砜基指数的10倍。而对于不含环氧树脂的乳化沥青蒸发残留物，热氧老化后的亚砜基指数是光氧老化后的亚砜基指数的9倍，说明相较光氧老化，热氧老化更容易加深沥青的老化程度，而环氧树脂的加入可以改善沥青的抗老化性。

图 3为热氧、光氧老化前后不同环氧树脂含量的乳化沥青蒸发残留物的荧光显微镜图，黑色是沥青相，白色相是环氧树脂相。结合动态流变试验、红外光谱试验与荧光显微图试验结果可以发现：(1)水性环氧树脂含量与荧光图中环氧树脂形成的三维网状结构的面积、乳化沥青蒸发残留物相位角老化指数成正比，与亚砜基含量、硝基含量、复数模量老化指数成反比。这说明通过提高环氧树脂含量可增加三维网状的面积，形成的三维网状结构能包裹住部分沥青，使其与氧气、光的接触面积减小，故减少了光氧与热氧对其的氧化作用，进而降低了水性环氧乳化沥青蒸发残留物中亚砜基面积与硝基面积。已有研究表明，随着沥青老化程度的加深，沥青中的沥青质含量增加、轻质组分含量减小，这就导致了宏观上沥青的复数模量增大，相位角减小。本研究中，被三维网状结构包裹住的沥青由于受光、氧因素影响较小，所以沥青质含量与轻质组分含量变化并不大，这就解释了15%水性环氧树脂含量的乳化沥青蒸发残留物拥有最小的复数老化指数与最大的相位角老化指数，即最好的抗老化性能。(2)未老化沥青中的白色面积>光氧老化后的白色面积>热氧老化中的白色面积。这说明相较光氧老化，热氧老化更容易破坏环氧树脂形成的三维网状结构，同时因为这种结构可以保护沥青免遭光、氧影响，所以水性环氧树脂含量越高，乳化沥青蒸发残留物在被氧化后存留的网状结构越完整，宏观体现为抗老化性能越好。

图 3 热氧与光氧老化前后不同环氧树脂含量的乳化沥青蒸发残留物荧光显微镜图 Fig. 3 Fluorescence microscope images of emulsified asphalt evaporation residues with different epoxy resin contents before and after thermal oxygen aging and photo oxygen aging

图选项

热氧老化与光氧老化对不同水性环氧树脂含量的乳化沥青残留物老化性能的影响，得有以下结论：

(1) DSR试验结果证明，随着环氧树脂含量的增加，乳化沥青残留物的相位角老化指数逐渐增大，复数模量老化指数逐渐减小，说明环氧树脂越高，乳化沥青残留物抗老化性能越好；此外，同种水性环氧乳化沥青蒸发残留物在热氧老化后复数模量老化指数更大，相位角老化指数更小，说明相较光氧老化，热氧老化更容易加深水性环氧乳化沥青残留物的老化程度。

(2) 傅里叶红外光谱试验结果表明，相同水性环氧树脂含量的乳化沥青蒸发残留物在热氧后的亚砜基指数大于光氧老化后的亚砜基指数。此外，15%环氧树脂掺量的乳化沥青蒸发残留物在两种老化方式后均较0%掺量的乳化沥青蒸发残留物拥有更小的亚砜基指数，说明环氧树脂可以改善乳化沥青蒸发残留物的抗老化性能。

(3) 结合荧光显微镜试验图像与动态剪切流变、傅里叶红外光谱试验结果可以推测，环氧树脂可以改善乳化沥青蒸发残留物抗老化性能的原因可能是环氧树脂形成的三维网状保护沥青免受光氧、热氧的影响，环氧树脂含量越高，三维网状结构交联程度越好，故该结构可以减弱热氧老化与光氧老化对沥青的影响。