《武汉工程大学学报》 2015年10期
23-27
出版日期：2015-10-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
水性环氧改性半柔性路面材料的低温抗裂性能
０ 引 言水泥混凝土路面具有强度高、承载力大、温度敏感性小等优点，但同时具有行车舒适性差、维修困难的缺点；相对而言，沥青混凝土路面的功能性及维修方便使其成为高等级公路的发展主流. 但是，我国幅员辽阔、气候特点复杂，外加渠化交通的影响，沥青路面承载力差、温度敏感性大、水稳定性差等缺点成为其破坏的主要因素［１－３］. 基于此背景，一种兼具水泥混凝土路面及沥青混凝土路面优点的新型路面材料应运而生，半柔性路面材料是以大孔隙（孔隙率高达２５％以上）的骨架－空隙型沥青混合料为基体材料，然后灌入水泥砂浆而形成的路面材料［４－６］. 国内外的研究成果普遍认为半柔性材料是一种价格适宜、性能良好的路面材料，但是当前各种应用都表明半柔性材料容易出现开裂病害. 主要由于沥青基材料与水泥基材料的界面粘结力仅为范德华力，无法抵抗因水泥基材料收缩以及沥青基材料的热胀冷缩带来的内应力［７］. 国内外相关学者通过沥青基材料的结构优化设计、灌浆材料的优选改性等措施来改善半柔性材料的开裂缺点，但是取得的效果却并不理想. 本研究综合利用水性环氧树脂的高强粘结力、乳化沥青的柔性复合改性水泥砂浆，并以此制备高性能半柔性材料，研究其低温抗裂性能及抗裂机理. １ 原材料１．１ 乳化沥青本研究选取泰普克公司生产的阳离子慢裂型ＳＢＳ改性乳化沥青，其主要性能参数见表１. 表1 SBS乳化沥青性能参数Table 1 Parameters of SBS emulsified asphalt１．２ 水 泥本研究选用广东海螺牌Ｐ．Ｏ４２．５普通硅酸盐水泥，主要性能参数见表２.表2 P.O42.5水泥性能参数Table 2 Parameters of P.O42.5 cement１．３ 水性环氧树脂及固化剂水性环氧树脂按照制备工艺的不同会带有不同的电荷，其颗粒尺寸、电荷特性对整个胶浆体系的固结效果、匀质性都有显著影响，研究表明：阳离子型水性环氧树脂与水泥拌合后亦会迅速发生团聚、阴离子水性环氧树脂与本研究选取的阳离子乳化沥青拌合时会出现团聚效应. 本研究选取自制的基于Ｅ５１环氧树脂及自乳化型非离子水性固化剂，具体指标见表３. 表3 水性环氧树脂及其固化剂控制参数Table 3 Parameters of waterborne epoxy resin and curing agent１．４ 集 料选取深圳平湖产辉绿岩作为基体沥青混合料集料，粗集料表观相对密度２．７１０，吸水率０．４１％，压碎值１３．９％，洛杉矶磨耗损失１６．３％. 细集料表观相对密度２．７００，吸水率０．７０％. 矿粉采用石灰岩轧制，相对密度２．７２０. １．５ 沥 青基体沥青混合料为骨架－空隙型结构，其抗剪强度主要由骨料之间嵌挤所形成的内摩擦角提供，为了增强基体沥青混合料的抗剪强度，需要采用高黏度改性沥青增强集料之间的黏结力，高黏度改性沥青针入度４７（０．０１ ｍｍ），软化点９７ ℃，１５ ℃延度６４ ｃｍ，６０ ℃动力黏度８６ ４５０ Ｐａ·s. ２ 配合比设计２．１ 灌浆材料配比本研究所提出有机无机复合灌浆材料体系复杂，水泥主要起到吸收两种水性物质所带来的水分及吸附环氧树脂固化物和沥青的作用，它同时也是整个灌浆材料强度的保证和半柔性路面材料中偏“刚性”的保证. 水性环氧树脂主要起到改善灌浆材料与基体沥青混合料界面黏结的作用，但是它本身具有低温脆性的特征，所以它并不能成为连续相存在于灌浆材料体系之中. 因此，本研究中的灌浆材料是以沥青为连续相、环氧树脂固化物为黏结改性剂、水泥为强度调节剂而得到的复合材料.基于沥青为连续相、水性环氧树脂为分散相的设计思路，确定水性环氧树脂（Ｅ）/乳化沥青（Ａ）的最大掺配比例为１. 固定Ｅ/Ａ＝１，测试不同水泥（Ｃ）/乳化沥青（Ａ）条件下胶浆材料的匀质性系数，确定最小水泥用量比为Ｃ/Ａ＝０．４，此时匀质性系数为０．９５０. 固定Ｅ/Ａ＝１，以最小水泥用量比为Ｃ／Ａ＝０．４为起点，测试不同Ｃ/Ａ条件下胶浆材料的回弹模量，为匹配基体沥青混合料模量，取回弹模量达到５ ０１０ ＭＰａ时的Ｃ/Ａ为最大水泥用量比. 以最低水泥用量和最高水泥用量的中值（Ｃ/Ａ＝０．５５）、Ｅ固化剂/Ｅ＝１为基础，设计Ｅ/Ａ＝０．０、０．２、０．４、０．６、０．８、１．０进行抗裂性能研究. ２．２ 基体沥青混合料配比参考大孔隙沥青混合料（ＯＧＦＣ）设计方法，通过控制关键筛孔２．３６ ｍｍ及４．７５ ｍｍ通过，采用体积法设计孔隙率为３０％、连通孔隙率超过２３％的基体沥青混合料. ３ 低温抗裂性能由于半柔性路面材料仍然偏属于柔性路面体系，其开裂原因主要由两方面的综合作用所致，一方面沥青基材料属于温感性材料，随着外界温度的下降，沥青材料达到劲度模量将增大，进而增加沥青混合料的强度、降低混合料的抗变形能力，在外力荷载的作用下容易出现脆性损坏. 温度下降还会导致沥青面层的收缩，受限于沥青中下面层对上面层的摩擦力约束，沥青上面层的变形将变为温度收缩应力［８－１０］. 另一方面胶浆体系中的水泥水化形成材料收缩应力，这两种应力超过各自材料的抗拉强度以及两者界面黏结力时就会造成开裂. 本研究采用－１０ ℃小梁弯曲试验研究半柔性材料的抗裂性能，试验结果见表４. 表4 低温弯曲测试结果Table 4 Low temperature bending test results材料的弯拉劲度模量越小、最大弯拉应变越大，那么材料的低温抗裂性能越好. 表４的试验结果表明：未掺加水性环氧树脂及乳化沥青的半柔性材料的最大弯拉应变不到１ ０００ με，仅掺加乳化沥青的半柔性材料的最大弯拉应变为２ ０００ με左右，乳化沥青的掺加亦明显降低材料整体的刚度，但是较之ＳＭＡ－１３的低温抗裂性能要差，这是由于水泥水化产物与沥青基材料的低温收缩系数不一致，这直接影响了普通半柔性材料的低温抗裂性能. 随着水性环氧树脂的掺量提高，半柔性材料的弯拉劲度模量呈现先减小后增大的趋势、最大弯拉应变呈现先增大后减小的趋势，因此低温抗裂性能是先增强，后降低的趋势. 这是因为，在水性环氧树脂掺量小于等于０．６的时候，环氧固化物与水泥基材料将沥青基材料固定住，在温度降低的时候，沥青基材料本身是要产生收缩的，但是环氧固化物本身的高强黏结性能将这种收缩应力吸收，从而提高了半柔性的低温抗裂性能. 但是，当水性环氧树脂掺量超过０．６的时候，过量的环氧固化物除了与沥青基材料胶黏以外，还有部分游离的成分，而环氧树脂本身也是一种低温脆性材料，因此这个时候尽管其可以缓解沥青基材料的收缩应力，但是它本身却也开始出现收缩应力，进而导致整个材料的低温抗裂性能降低. 图１ 纯水泥水化 ２８ ｄ 扫描电镜（×５ ０００）Ｆｉｇ．１ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｐｕｒｅ ｃｅｍｅｎｔ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ图２ Ｅ＋Ｃ ２８ ｄ 扫描电镜（×５ ０００）Ｆｉｇ．２ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ ｏｆ Ｅ＋Ｃ图３ Ａ＋Ｃ ２８ ｄ 扫描电镜（×５ ０００）Ｆｉｇ．３ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ ｏｆ Ａ＋Ｃ 图４ Ｅ＋Ａ＋Ｃ ２８ ｄ扫描电镜（×５ ０００）Ｆｉｇ．４ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ ｏｆ Ｅ＋Ａ＋Ｃ４ 抗裂机理水性环氧树脂－乳化沥青－水泥三相胶结形成的胶浆材料灌注于基体沥青混合料之中，显著改善了半柔性路面材料的低温抗裂性能. 本研究采用扫描电子显微镜ＳＥＭ （ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ） 测试复合胶结体系的微观形貌，分析水泥水化产物、水性环氧树脂固化产物与乳化沥青破乳产物的分布结构，具体测试图见图１～图４，其中图１为２８ ｄ纯水泥水化产物、图２为２８ ｄ水性环氧树脂＋水泥水化产物（Ｅ＋Ｃ）、图３为２８ ｄ乳化沥青＋水泥水化产物（Ａ＋Ｃ）、图４为２８ ｄ水性环氧树脂＋乳化沥青＋水泥水化产物（Ｅ＋Ａ＋Ｃ）. 图１表明：２８ ｄ纯水泥水化产物形貌为团簇状Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶为基体，针棒状钙矾石贯穿其中，整体材料有明显空隙. 对比图１，由图２知：颜色较暗的部分是水性环氧树脂固化产物，呈现亮色的未水化水泥颗粒及水化产物Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶与环氧树脂固化产物交织共生，形成了较纯水泥水化试样明显致密的结构，但是未见针棒状晶体钙矾石生成. 对比图１，由图３知：光滑成片、色泽暗淡的沥青材料与亮色、层状或团簇状水泥水化产物搭接交织，Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶与针棒状钙矾石交联，整体表现为孔隙较大的骨架网状结构. 图４为２８ ｄ三相复合胶结体系ＳＥＭ形貌图，整体结构为以平滑连续、颜色暗淡的沥青质材料为连续相、褶皱体的水性环氧固化产物为分散相、亮色团簇状水泥水化产物搭接其中，形成了更具空间立体感的结构. 相比较图２、图３微观形貌图，三相胶结体系立体结构增强、明显空隙未见、体系更为致密. 在沥青基体表面可以明显看到除了有较大的水泥水化产物与环氧固化物交联共生体外，还有一些微微凸起的水化产物，这也进一步说明了复合胶结体系的空间交织网络结构.结合微观形貌分析可知，相较于水泥砂浆作为灌浆材料，复合胶结体系的连续相组分由有干缩效应的水泥水化产物转变为具有黏弹特性的沥青基材料，一方面胶浆材料与基体沥青混合料的协同变形能力加强了，另一方面水性环氧树脂固化产物加强了胶浆与基体沥青混合料的界面黏结力，综合作用下增强了半柔性材料的抗裂性能. 5 结 语 ａ．采用水性环氧树脂－乳化沥青－水泥三相复合胶结体系制备的半柔性路面材料较水泥砂浆制备的半柔性路面材料具有显著的低温抗裂性能，当Ｅ/Ａ＝０．６时，半柔性路面材料的最大弯拉应变达到２ ６６２ με，接近ＳＭＡ－１３的水平. ｂ．抗裂机理研究表明：三相胶结体系形成以沥青材料为连续相、水性环氧树脂为改性分散相、水泥水化产物为衔接体的三维空间网络结构，既改善了水泥浆材料的干缩应力，同时增强了胶浆与基体沥青混合料的界面黏结力. 致 谢感谢深圳市科学技术创新委员会对本研究的资助！感谢课题研究人员侯茜茜、黄志松、邱群聪协助完成部分实验及数据处理工作！