環(huán)氧瀝青及其混合料性能研究

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摘要：為了發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青及其混合料目前存在的問題，采用宏觀和微觀兩方面探索環(huán)氧瀝青性能的大幅度改善，通過對(duì)環(huán)氧瀝青的化學(xué)流變特性、固化特性以及環(huán)氧瀝青混合料的抗剪性能、水損壞特性的分析歸納，得出不同組分的環(huán)氧瀝青和不同地理環(huán)境對(duì)瀝青性能改善各有側(cè)重。最終結(jié)論：環(huán)氧瀝青的特性是有針對(duì)性地改善其性能；深入研究環(huán)氧瀝青的壽命成本及不同溫度下黏彈塑性材料參數(shù)將成為重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧瀝青；化學(xué)流變；抗剪性能；水損壞

中圖分類號(hào)：U414.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to find out the existing problems in epoxy asphalt and the mixture， and to explore a way that can bring great improvement to the performance， the chemorheology and curing characteristics of epoxy asphalt， and shear performance and water damage resistance of the mixture were summarized， and it was found out that the composition of epoxy asphalt and geographical conditions affect the improvement of properties. A final conclusion was drawn， which states that an in-depth study of the cost of epoxy asphalt and viscoelastoplastic material parameters at different temperatures will be crucial to the performance improvement of epoxy asphalt.

Key words： epoxy asphalt； chemorheology； shear performance； water damage

0 引 言

環(huán)氧瀝青是一種熱固性聚合物材料，由組分A（環(huán)氧樹脂）和組分B（含有固化劑的環(huán)氧瀝青）組成。組分A和組分B在一定的條件下即開始固化反應(yīng)，主要表現(xiàn)為環(huán)氧瀝青與混合料的粘結(jié)性能隨溫度的升高而增大[1]。國(guó)外對(duì)環(huán)氧瀝青的研究起步較早，投入了大量的人力、物力，目前技術(shù)成熟；國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)氧瀝青的研究起步晚，但是發(fā)展較快。自2000年環(huán)氧瀝青首次在南京長(zhǎng)江二橋上成功應(yīng)用后，國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)氧瀝青在大跨徑橋面鋪裝方面的應(yīng)用甚為重視，因此，對(duì)環(huán)氧瀝青及混合料性能的研究具有十分重要的意義。

與普通瀝青混合料相比，環(huán)氧瀝青混合料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐疲勞性能好、抗氧化性好、水穩(wěn)定性好等優(yōu)良的性能，本文將就環(huán)氧瀝青及混合料的化學(xué)流變特性、固化特性、抗剪性能、水損壞性能等特性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 環(huán)氧瀝青及其混合料

環(huán)氧瀝青作為一種新型橋面鋪裝材料，近年來(lái)得到了很好的發(fā)展，目前國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青已打破了國(guó)外環(huán)氧瀝青的壟斷地位，并在一些大型工程上得到了應(yīng)用。環(huán)氧瀝青是傳統(tǒng)筑路瀝青材料的革命性升級(jí)，它從根本上改變了瀝青的熱塑性本質(zhì)，擴(kuò)大了瀝青的使用溫度范圍，并在某種程度上延長(zhǎng)了路面的使用壽命，因此，越來(lái)越受到研究者的青睞。作為一種良好的結(jié)合材料，環(huán)氧瀝青的用處不僅局限于密集配環(huán)氧瀝青混凝土面層，還可為其他類型的瀝青混合料及其應(yīng)用帶來(lái)顯著的益處[2]。近年來(lái)，許多路面工程

已經(jīng)成功運(yùn)用環(huán)氧瀝青混合料的特性解決了一些棘手問題。環(huán)氧瀝青混合料的成本相對(duì)較高，包括建設(shè)成本及當(dāng)?shù)亟ㄖ牧铣杀?，環(huán)氧瀝青結(jié)合料的成本約是普通瀝青結(jié)合料的5～10倍，開級(jí)配環(huán)氧改性瀝青混合料約是普通開級(jí)配瀝青混合料的23倍。

環(huán)氧瀝青的特性能使一些常見的路面病害得到解決或延遲發(fā)生，提高了工程的質(zhì)量，這為環(huán)氧瀝青在工程上的應(yīng)用提供了良好的前景。環(huán)氧瀝青由于具有高溫穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)中國(guó)大跨徑橋面鋪裝有重要意義[3]，因此環(huán)氧瀝青及其混合料成為了近年研究的熱點(diǎn)[4]。

2 環(huán)氧瀝青及其混合料的性能

2.1 環(huán)氧瀝青的化學(xué)流變特性

環(huán)氧瀝青屬于熱固性材料，各組分混合后，環(huán)氧瀝青即開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于反應(yīng)是放熱過程，初期粘度增長(zhǎng)緩慢，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，粘度急劇增加。因此，在施工過程中應(yīng)掌握好時(shí)間，避免發(fā)生離析或因粘度過大而難以攤鋪、壓實(shí)等情況。

KANG Yang等用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)定環(huán)氧瀝青流變性，并與基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行了比較，用熒光顯微鏡追蹤微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，并用掃描電子顯微鏡觀察了在-40 ℃時(shí)環(huán)氧瀝青的裂紋輪廓。結(jié)果表明：環(huán)氧瀝青的蠕變是基質(zhì)瀝青的10-7～10-2倍，是SBS改性瀝青的10-6～10-2倍。蠕變恢復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青經(jīng)過100次裝卸載后具有完全彈性，這意味著環(huán)氧瀝青有顯著的抗車轍的潛能。CONG Peiliang等用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試了環(huán)氧樹脂含量對(duì)環(huán)氧瀝青流變性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高溫條件下，瀝青粘合劑的性能顯著提高，隨著環(huán)氧樹脂含量的增加環(huán)氧瀝青的彈性性能提高；當(dāng)添加環(huán)氧樹脂后，環(huán)氧瀝青的粘性也得到提高。YAO Bo等通過模型模擬了環(huán)氧瀝青混凝土的流變特性，對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土樣品在不同溫度和加載頻率條件下進(jìn)行了復(fù)合模量測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，環(huán)氧瀝青混凝土呈現(xiàn)出典型的流變特性，其動(dòng)態(tài)模量隨溫度的增加而減小，隨頻率的增加而增加，并且相位角隨著頻率的降低和溫度的升高而增加。叢培良等在30 ℃～100 ℃范圍內(nèi)，用Arrhenius方程和WLF方程描述環(huán)氧瀝青的流變特性，由于環(huán)氧樹脂的加入可以提高瀝青的高溫粘彈性能，用Burgers模型可以較好地評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青的粘彈性能，環(huán)氧樹脂可以改善瀝青的高溫變形能力，從而提高混合料的抗車轍能力。曾靖等采用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試了不同溫度下環(huán)氧瀝青隨時(shí)間增長(zhǎng)的粘度值，得到了各溫度下的粘度-時(shí)間增長(zhǎng)和增長(zhǎng)率曲線，同時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青粘度預(yù)估模型可以較好地預(yù)估粘度增長(zhǎng)、粘度增長(zhǎng)率曲線與粘度增長(zhǎng)曲線形式相似[5-6]。endprint

可見，環(huán)氧瀝青的化學(xué)流變性能能改善環(huán)氧瀝青混合料的高溫性能，滿足工程高溫使用性能的要求，減少工程養(yǎng)護(hù)費(fèi)用[7]。

2.2 環(huán)氧瀝青的固化特性

環(huán)氧瀝青的固化特性屬于化學(xué)反應(yīng)，掌握好其固化反應(yīng)特征對(duì)保證鋪裝質(zhì)量及使用性能有重要作用。環(huán)氧瀝青固化特征是分析環(huán)氧瀝青固化機(jī)理的理論基礎(chǔ)，為指導(dǎo)施工及確定最終開放交通時(shí)間提供了依據(jù)。

ZHANG Yanjun等研究了環(huán)氧樹脂和環(huán)氧瀝青的固化特性，測(cè)定了不同環(huán)氧樹脂體系和環(huán)氧瀝青體系的固化時(shí)間及粘度，結(jié)果表明：在純環(huán)氧體系中，固化時(shí)間隨著固化劑及促進(jìn)劑含量的增加而降低，并隨稀釋劑的增加而增加；加入瀝青體系制備成環(huán)氧瀝青后，粘度隨固化時(shí)間及促進(jìn)劑含量的增加而增加；隨著促進(jìn)劑含量的增加，容留時(shí)間縮短；隨著更多瀝青的加入，系統(tǒng)粘度增長(zhǎng)緩慢，環(huán)氧瀝青的固化也受到了一定的影響。WANG Zhiliu等研究了進(jìn)口環(huán)氧樹脂和含有固化劑的瀝青在固化溫度為120 ℃時(shí)組分的變化，并用FT-IR譜研究了固化時(shí)間分別為0、5、15、35、75、240 min時(shí)，羰基（C=O）和環(huán)氧基的特征吸收峰的變化，推導(dǎo)了羚酸型化合物和環(huán)氧化合物之間的固化反應(yīng)機(jī)理。WANG Jianwei等研究發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料的強(qiáng)度隨著固化時(shí)間和溫度的增加而增強(qiáng)。黃明等研究發(fā)現(xiàn)高溫固化劑比低溫固化劑更易使環(huán)氧瀝青形成高強(qiáng)度，并采用幾種不同的固化劑分析了時(shí)間、溫度和拌和工藝對(duì)固化效果的影響。YU Jianying等用FE-IR譜分析了環(huán)氧瀝青的固化過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為120 ℃、固化時(shí)間小于70 min時(shí)，環(huán)氧瀝青的固化反應(yīng)速率保持不變；時(shí)間超過70 min后，固化速率降低；在初始固化階段，粘度及抗拉強(qiáng)度增加緩慢，隨后增加較快[8-9]。

環(huán)氧瀝青固化反應(yīng)產(chǎn)物相互疊加、交織，形成了一種立體交互的聚合物網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。由于固化物分子中含有較多的芳環(huán)，可提供較大的強(qiáng)度；通過某種方式調(diào)整其交聯(lián)程度，使其形成強(qiáng)度和彈性都滿足要求的環(huán)氧瀝青。新型熱固性環(huán)氧瀝青澆筑體拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均優(yōu)于現(xiàn)有的各種環(huán)氧瀝青，并有較好的相容性和儲(chǔ)能模量?；旌狭系娜萘魰r(shí)間長(zhǎng)達(dá)3～5 h，是一種可用于高荷載、復(fù)雜交通作用下的高性能、低成本環(huán)氧瀝青橋面鋪裝材料[10]。

2.3 環(huán)氧瀝青混合料的抗剪性能

車轍是路面常見病害，大量車轍的出現(xiàn)會(huì)影響行車的安全，研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的抗車轍性能與抗剪性能有良好的相關(guān)性。因此，研究混合料的抗剪性能對(duì)減輕路面車轍有重要意義，而采用新型特殊瀝青材料是解決車轍病害的突破口之一[11]。

Edoardo等采用兩種技術(shù)調(diào)查橋面瀝青路面的抗剪切性能，第一種技術(shù)是環(huán)氧瀝青既作為結(jié)合涂層也作為上層瀝青層的粘合劑；第二種技術(shù)是在普通熱拌瀝青混合料覆蓋前要在鋼板上使用增強(qiáng)瀝青膜，研究不同類型界面的剪切阻力及溫度和壓力對(duì)其的影響。在之前研究的基礎(chǔ)上，比較了瀝青涂層界面的抗剪切性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青可以保證高溫抗剪切性能。YANG Jianjun等研究發(fā)現(xiàn)，表層顯著受壓及結(jié)合層的高剪切應(yīng)力是橋面鋪裝材料不良性能的原因。LIU Yun等研究發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力隨相位角張開度的增加而增大，相位角最大可達(dá)85°。錢振東等采用正交試驗(yàn)法對(duì)不同瀝青混合料抗剪性能進(jìn)行了研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混合料的抗剪性能比一般瀝青混合料的性能好，對(duì)其影響較大的因素是油石比及475 mm篩孔通過率。

在路面及橋面結(jié)構(gòu)中，剪切應(yīng)力主要分布在表面層和中面層，而下面層受剪切應(yīng)力的影響很小。由莫爾理論可知，抗剪強(qiáng)度受黏聚力和內(nèi)摩阻角的影響?？辜魪?qiáng)度隨黏聚力和內(nèi)摩阻角的增大而增大，因此，瀝青混合料的類型、公稱最大粒徑、瀝青用量對(duì)抗剪強(qiáng)度影響較大。為了保證環(huán)氧瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，應(yīng)合理地選擇集料類型及瀝青用量[12]。

溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度亦有一定程度的影響，高溫作用下，瀝青混合料會(huì)保持較高的抗剪強(qiáng)度，但塑性變形過大，穩(wěn)定值將會(huì)不滿足要求。此外，現(xiàn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺乏一定的合理性也是影響抗剪強(qiáng)度的因素之一[13]。

2.4 環(huán)氧瀝青混合料的水損壞特性

水損壞是瀝青路面常見的一種病害，路面、橋面大部分破壞都與水的作用有關(guān)，如何控制并減少路面、橋面的水損壞，對(duì)保證其服務(wù)能力有重要意義。

水損壞機(jī)理研究對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的影響較為復(fù)雜。首先，水的作用使混合料的強(qiáng)度降低，在車輛荷載的作用下極易出現(xiàn)各種破壞；其次，由于集料的化學(xué)特性和熱力學(xué)性質(zhì)使瀝青砂漿對(duì)水的吸附性小于集料的吸附性。因此，水分會(huì)使集料與瀝青砂漿的粘結(jié)作用減弱直至使其剝離[14]。

ZHANG Xuesong等研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合料的水損壞主要是由于水的作用削弱了集料之間的粘結(jié)力，從而使瀝青膜從集料表面脫離，造成水損壞。LIU Yan等研究了結(jié)構(gòu)內(nèi)部水的來(lái)源、結(jié)構(gòu)的水損壞及其影響因素，用劈裂試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，提出相應(yīng)的防控措施以改善其實(shí)用價(jià)值。XIAO Qingyi等提出了混合料水損壞模型并制作4個(gè)不同的HMA，之后對(duì)4個(gè)混合物進(jìn)行了測(cè)試并排序，發(fā)現(xiàn)可用化學(xué)熱力學(xué)理論方法代替HMA水敏感性評(píng)價(jià)，此方法簡(jiǎn)單、快捷且設(shè)備易操作。胡靖等模擬環(huán)氧瀝青混合料在水分滲透過程中集料與瀝青砂漿界面裂縫的發(fā)生、擴(kuò)展過程，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混合料的力學(xué)性能受含水率的影響很大，剝落主要發(fā)生在不規(guī)則的集料周圍，剝落隨混合料含水率的增加而加劇，且在混合料薄弱界面極易發(fā)生水損壞。ZHANG Yingxue等研究發(fā)現(xiàn)早期水損壞是引起唧泥、剝落、松散、車轍、坑槽等路面病害的首要原因，分析了水損壞與各種病害之間的關(guān)系并提出了相應(yīng)的治理措施。WANG Fazhou等研究發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土在水和壓力耦合作用下破壞更為嚴(yán)重，因此，及時(shí)采用環(huán)氧樹脂修補(bǔ)防止進(jìn)一步水侵蝕，是提高路面、橋面使用壽命的重要方法。

因此，掌握水損壞機(jī)理，有助于在設(shè)計(jì)初期采取措施，降低工程造價(jià)，對(duì)改善工程質(zhì)量有關(guān)鍵性的作用。endprint

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上可見，環(huán)氧瀝青與其混合料的性能研究及應(yīng)用正日趨成熟，由于環(huán)氧瀝青能從宏觀、微觀兩個(gè)方面改變?yōu)r青的性能，因此可以大幅度改善瀝青的性能。然而，不同組分的環(huán)氧瀝青及國(guó)內(nèi)外的環(huán)氧瀝青對(duì)瀝青性能的改善各有側(cè)重。例如，美國(guó)的雙組分環(huán)氧瀝青力學(xué)性能好，使用壽命長(zhǎng)，但對(duì)拌和溫度和施工效率要求高；國(guó)產(chǎn)雙組分環(huán)氧瀝青力學(xué)性能好，但混合料鋪裝時(shí)間要求嚴(yán)格；日本三組分環(huán)氧瀝青黏度增長(zhǎng)緩慢，但施工工藝要求苛刻。毫無(wú)疑問，環(huán)氧瀝青及混合料的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間，因此，一方面應(yīng)根據(jù)中國(guó)的實(shí)際情況繼續(xù)深入研究環(huán)氧瀝青及其混合料的性能，另一方面應(yīng)根據(jù)環(huán)氧瀝青的特性有針對(duì)性的改善其性能。此外，環(huán)氧瀝青的壽命成本分析及不同溫度下黏彈塑性材料參數(shù)仍會(huì)是研究的重點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：高 甜]endprint