水性環(huán)氧改性半柔性路面材料的低溫抗裂性能

孫 政，何桂平

深圳市公路交通工程試驗檢測中心，廣東 深圳 518049

0 引 言

水泥混凝土路面具有強度高、承載力大、溫度敏感性小等優(yōu)點，但同時具有行車舒適性差、維修困難的缺點；相對而言，瀝青混凝土路面的功能性及維修方便使其成為高等級公路的發(fā)展主流.但是，我國幅員遼闊、氣候特點復雜，外加渠化交通的影響，瀝青路面承載力差、溫度敏感性大、水穩(wěn)定性差等缺點成為其破壞的主要因素［1－3］.基于此背景，一種兼具水泥混凝土路面及瀝青混凝土路面優(yōu)點的新型路面材料應(yīng)運而生，半柔性路面材料是以大孔隙（孔隙率高達25%以上）的骨架－空隙型瀝青混合料為基體材料，然后灌入水泥砂漿而形成的路面材料［4－6］.

國內(nèi)外的研究成果普遍認為半柔性材料是一種價格適宜、性能良好的路面材料，但是當前各種應(yīng)用都表明半柔性材料容易出現(xiàn)開裂病害.主要由于瀝青基材料與水泥基材料的界面粘結(jié)力僅為范德華力，無法抵抗因水泥基材料收縮以及瀝青基材料的熱脹冷縮帶來的內(nèi)應(yīng)力［7］.國內(nèi)外相關(guān)學者通過瀝青基材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、灌漿材料的優(yōu)選改性等措施來改善半柔性材料的開裂缺點，但是取得的效果卻并不理想.本研究綜合利用水性環(huán)氧樹脂的高強粘結(jié)力、乳化瀝青的柔性復合改性水泥砂漿，并以此制備高性能半柔性材料，研究其低溫抗裂性能及抗裂機理.

1 原材料

1．1 乳化瀝青

本研究選取泰普克公司生產(chǎn)的陽離子慢裂型SBS改性乳化瀝青，其主要性能參數(shù)見表1.

表1 SBS 乳化瀝青性能參數(shù)Table 1 Parameters of SBS emulsified asphalt

1．2 水 泥

本研究選用廣東海螺牌P．O42．5普通硅酸鹽水泥，主要性能參數(shù)見表2.

表2 P.O42.5水泥性能參數(shù)Table 2 Parameters of P.O42.5 cement

1．3 水性環(huán)氧樹脂及固化劑

水性環(huán)氧樹脂按照制備工藝的不同會帶有不同的電荷，其顆粒尺寸、電荷特性對整個膠漿體系的固結(jié)效果、勻質(zhì)性都有顯著影響，研究表明：陽離子型水性環(huán)氧樹脂與水泥拌合后亦會迅速發(fā)生團聚、陰離子水性環(huán)氧樹脂與本研究選取的陽離子乳化瀝青拌合時會出現(xiàn)團聚效應(yīng).本研究選取自制的基于E51環(huán)氧樹脂及自乳化型非離子水性固化劑，具體指標見表3.

表3 水性環(huán)氧樹脂及其固化劑控制參數(shù)Table 3 Parametersofwaterborneepoxy resinand curingagent

1．4 集 料

選取深圳平湖產(chǎn)輝綠巖作為基體瀝青混合料集料，粗集料表觀相對密度 2．710，吸水率 0．41%，壓碎值13．9%，洛杉磯磨耗損失16．3%.細集料表觀相對密度2．700，吸水率0．70%.礦粉采用石灰?guī)r軋制，相對密度2．720.

1．5 瀝 青

基體瀝青混合料為骨架－空隙型結(jié)構(gòu)，其抗剪強度主要由骨料之間嵌擠所形成的內(nèi)摩擦角提供，為了增強基體瀝青混合料的抗剪強度，需要采用高黏度改性瀝青增強集料之間的黏結(jié)力，高黏度改性瀝青針入度 47（0．01mm），軟化點 97 ℃，15℃延度64 cm，60℃動力黏度86 450 Pa·s.

2 配合比設(shè)計

2．1 灌漿材料配比

本研究所提出有機無機復合灌漿材料體系復雜，水泥主要起到吸收兩種水性物質(zhì)所帶來的水分及吸附環(huán)氧樹脂固化物和瀝青的作用，它同時也是整個灌漿材料強度的保證和半柔性路面材料中偏“剛性”的保證.水性環(huán)氧樹脂主要起到改善灌漿材料與基體瀝青混合料界面黏結(jié)的作用，但是它本身具有低溫脆性的特征，所以它并不能成為連續(xù)相存在于灌漿材料體系之中.因此，本研究中的灌漿材料是以瀝青為連續(xù)相、環(huán)氧樹脂固化物為黏結(jié)改性劑、水泥為強度調(diào)節(jié)劑而得到的復合材料.

基于瀝青為連續(xù)相、水性環(huán)氧樹脂為分散相的設(shè)計思路，確定水性環(huán)氧樹脂（E）/乳化瀝青（A）的最大摻配比例為1.固定E/A＝1，測試不同水泥（C）/乳化瀝青（A）條件下膠漿材料的勻質(zhì)性系數(shù)，確定最小水泥用量比為C/A＝0．4，此時勻質(zhì)性系數(shù)為0．950.固定 E/A＝1，以最小水泥用量比為 C／A＝0．4為起點，測試不同C/A條件下膠漿材料的回彈模量，為匹配基體瀝青混合料模量，取回彈模量達到5 010MPa時的C/A為最大水泥用量比.以最低水泥用量和最高水泥用量的中值（C/A＝0．55）、E固化劑/E＝1 為基礎(chǔ)，設(shè)計 E/A＝0．0、0．2、0．4、0．6、0．8、1．0 進行抗裂性能研究.

2．2 基體瀝青混合料配比

參考大孔隙瀝青混合料（OGFC）設(shè)計方法，通過控制關(guān)鍵篩孔2．36mm及4．75mm通過，采用體積法設(shè)計孔隙率為30%、連通孔隙率超過23%的基體瀝青混合料.

3 低溫抗裂性能

由于半柔性路面材料仍然偏屬于柔性路面體系，其開裂原因主要由兩方面的綜合作用所致，一方面瀝青基材料屬于溫感性材料，隨著外界溫度的下降，瀝青材料達到勁度模量將增大，進而增加瀝青混合料的強度、降低混合料的抗變形能力，在外力荷載的作用下容易出現(xiàn)脆性損壞.溫度下降還會導致瀝青面層的收縮，受限于瀝青中下面層對上面層的摩擦力約束，瀝青上面層的變形將變?yōu)闇囟仁湛s應(yīng)力［8－10］. 另一方面膠漿體系中的水泥水化形成材料收縮應(yīng)力，這兩種應(yīng)力超過各自材料的抗拉強度以及兩者界面黏結(jié)力時就會造成開裂.本研究采用－10℃小梁彎曲試驗研究半柔性材料的抗裂性能，試驗結(jié)果見表4.

表4 低溫彎曲測試結(jié)果Table 4 Low temperature bending test results

材料的彎拉勁度模量越小、最大彎拉應(yīng)變越大，那么材料的低溫抗裂性能越好.表4的試驗結(jié)果表明：未摻加水性環(huán)氧樹脂及乳化瀝青的半柔性材料的最大彎拉應(yīng)變不到1 000με，僅摻加乳化瀝青的半柔性材料的最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 000με左右，乳化瀝青的摻加亦明顯降低材料整體的剛度，但是較之SMA－13的低溫抗裂性能要差，這是由于水泥水化產(chǎn)物與瀝青基材料的低溫收縮系數(shù)不一致，這直接影響了普通半柔性材料的低溫抗裂性能.隨著水性環(huán)氧樹脂的摻量提高，半柔性材料的彎拉勁度模量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢、最大彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此低溫抗裂性能是先增強，后降低的趨勢.這是因為，在水性環(huán)氧樹脂摻量小于等于0．6的時候，環(huán)氧固化物與水泥基材料將瀝青基材料固定住，在溫度降低的時候，瀝青基材料本身是要產(chǎn)生收縮的，但是環(huán)氧固化物本身的高強黏結(jié)性能將這種收縮應(yīng)力吸收，從而提高了半柔性的低溫抗裂性能.但是，當水性環(huán)氧樹脂摻量超過0．6的時候，過量的環(huán)氧固化物除了與瀝青基材料膠黏以外，還有部分游離的成分，而環(huán)氧樹脂本身也是一種低溫脆性材料，因此這個時候盡管其可以緩解瀝青基材料的收縮應(yīng)力，但是它本身卻也開始出現(xiàn)收縮應(yīng)力，進而導致整個材料的低溫抗裂性能降低.

4 抗裂機理

水性環(huán)氧樹脂－乳化瀝青－水泥三相膠結(jié)形成的膠漿材料灌注于基體瀝青混合料之中，顯著改善了半柔性路面材料的低溫抗裂性能.本研究采用掃描電子顯微鏡SEM（scanning electronmicroscope）測試復合膠結(jié)體系的微觀形貌，分析水泥水化產(chǎn)物、水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物與乳化瀝青破乳產(chǎn)物的分布結(jié)構(gòu)，具體測試圖見圖1～圖4，其中圖1為28 d純水泥水化產(chǎn)物、圖2為28 d水性環(huán)氧樹脂＋水泥水化產(chǎn)物（E＋C）、圖3為28 d乳化瀝青＋水泥水化產(chǎn)物（A＋C）、圖4為28 d水性環(huán)氧樹脂＋乳化瀝青＋水泥水化產(chǎn)物（E＋A＋C）.

圖1表明：28 d純水泥水化產(chǎn)物形貌為團簇狀C－S－H凝膠為基體，針棒狀鈣礬石貫穿其中，整體材料有明顯空隙.對比圖1，由圖2知：顏色較暗的部分是水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物，呈現(xiàn)亮色的未水化水泥顆粒及水化產(chǎn)物C－S－H凝膠與環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物交織共生，形成了較純水泥水化試樣明顯致密的結(jié)構(gòu)，但是未見針棒狀晶體鈣礬石生成.對比圖1，由圖3知：光滑成片、色澤暗淡的瀝青材料與亮色、層狀或團簇狀水泥水化產(chǎn)物搭接交織，C－S－H凝膠與針棒狀鈣礬石交聯(lián)，整體表現(xiàn)為孔隙較大的骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).圖4為28 d三相復合膠結(jié)體系SEM形貌圖，整體結(jié)構(gòu)為以平滑連續(xù)、顏色暗淡的瀝青質(zhì)材料為連續(xù)相、褶皺體的水性環(huán)氧固化產(chǎn)物為分散相、亮色團簇狀水泥水化產(chǎn)物搭接其中，形成了更具空間立體感的結(jié)構(gòu).相比較圖2、圖3微觀形貌圖，三相膠結(jié)體系立體結(jié)構(gòu)增強、明顯空隙未見、體系更為致密.在瀝青基體表面可以明顯看到除了有較大的水泥水化產(chǎn)物與環(huán)氧固化物交聯(lián)共生體外，還有一些微微凸起的水化產(chǎn)物，這也進一步說明了復合膠結(jié)體系的空間交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

圖1 純水泥水化 28 d掃描電鏡（×5 000）Fig．1 Scanning electronmicroscopy image of pure cementhydration

圖 2 E＋C 28 d 掃描電鏡（×5 000）Fig．2 Scanning electronmicroscopy image of E＋C

圖 3 A＋C 28 d 掃描電鏡（×5 000）Fig．3 Scanning electronmicroscopy image of A＋C

圖 4 E＋A＋C 28 d 掃描電鏡（×5 000）Fig．4 Scanning electronmicroscopy image of E＋A＋C

結(jié)合微觀形貌分析可知，相較于水泥砂漿作為灌漿材料，復合膠結(jié)體系的連續(xù)相組分由有干縮效應(yīng)的水泥水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂叙椞匦缘臑r青基材料，一方面膠漿材料與基體瀝青混合料的協(xié)同變形能力加強了，另一方面水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物加強了膠漿與基體瀝青混合料的界面黏結(jié)力，綜合作用下增強了半柔性材料的抗裂性能.

5 結(jié) 語

a．采用水性環(huán)氧樹脂－乳化瀝青－水泥三相復合膠結(jié)體系制備的半柔性路面材料較水泥砂漿制備的半柔性路面材料具有顯著的低溫抗裂性能，當E/A＝0．6時，半柔性路面材料的最大彎拉應(yīng)變達到2 662με，接近SMA－13的水平.

b．抗裂機理研究表明：三相膠結(jié)體系形成以瀝青材料為連續(xù)相、水性環(huán)氧樹脂為改性分散相、水泥水化產(chǎn)物為銜接體的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既改善了水泥漿材料的干縮應(yīng)力，同時增強了膠漿與基體瀝青混合料的界面黏結(jié)力.

致 謝

感謝深圳市科學技術(shù)創(chuàng)新委員會對本研究的資助！感謝課題研究人員侯茜茜、黃志松、邱群聰協(xié)助完成部分實驗及數(shù)據(jù)處理工作！

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