環(huán)氧瀝青自愈合抗拉伸性能試驗(yàn)研究

摘要：為研究酸酐組分對(duì)環(huán)氧瀝青自愈合性能的影響，探討優(yōu)化酸酐與環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑等材料摻配比例，文章采用拉伸試驗(yàn)分析酸酐組分、養(yǎng)護(hù)參數(shù)等對(duì)環(huán)氧瀝青斷裂自愈合性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨環(huán)氧瀝青中酸酐組分的不斷增加，拉伸強(qiáng)度也相應(yīng)增加，拉伸應(yīng)變逐漸劣化，環(huán)氧瀝青斷裂的自愈合能力顯著下降，酸酐成分增加1倍，其拉伸性能恢復(fù)能力下降約50%；隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，環(huán)氧瀝青的斷裂自愈合拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變均顯著增加，且養(yǎng)護(hù)8 h樣品的拉伸應(yīng)變能恢復(fù)到原樣的90%以上；隨養(yǎng)護(hù)溫度提高，環(huán)氧瀝青自愈合能力改善效果越顯著，養(yǎng)護(hù)溫度50 ℃條件下，其拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變能夠恢復(fù)到80%左右；拉伸強(qiáng)度受溫度影響較小，拉伸應(yīng)變的溫度敏感性更強(qiáng)；環(huán)氧瀝青的自愈合能力與環(huán)氧樹(shù)脂固化行為、瀝青自身結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化降低酸酐組分比例，能夠改善環(huán)氧瀝青的自愈合能力，為工程應(yīng)用提供新的思路。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧瀝青；自愈合能力；拉伸性能；酸酐組分

中圖分類號(hào)：U416.03A040133

0引言

隨著我國(guó)在跨河、跨海橋梁建設(shè)方面的不斷突破，環(huán)氧瀝青因其優(yōu)越的力學(xué)性能得到了廣泛的推廣應(yīng)用，占橋面鋪裝材料的35%。但在橋面鋪裝層正常運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的環(huán)氧瀝青屬熱固性材料產(chǎn)生裂縫后易造成永久性破壞，與瀝青粘塑性材料存在較大差異，大量試驗(yàn)表明其不具備自愈合的能力或自愈合能力微弱。因此，針對(duì)環(huán)氧瀝青鋪裝層的問(wèn)題開(kāi)展了相應(yīng)的研究，如荊儒鑫等［1］分析了固化溫度、剪切速率及組分比例對(duì)環(huán)氧瀝青黏度特性的影響，提出剪切速率過(guò)快會(huì)破壞固化結(jié)構(gòu)組成，適量增加基質(zhì)用量能夠降低其工程成本，并結(jié)合工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，提出了環(huán)氧瀝青合理的工程施工參數(shù)。周橙琪等［2］采用微觀手段對(duì)國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青的微觀固化形態(tài)、固化行為及力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)固化溫度、升溫速率均影響環(huán)氧瀝青的固化放熱量，且基質(zhì)瀝青不參與環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)，僅具有稀釋功能作用。廖義鵬等［3］針對(duì)環(huán)氧瀝青改性劑的柔韌性、低溫抗裂及相容性問(wèn)題的應(yīng)用現(xiàn)狀開(kāi)展了調(diào)研分析，結(jié)合不同類型環(huán)氧瀝青的最新研究成果，圍繞在實(shí)體工程中應(yīng)用情況，提出了需要在改善改性劑固化行為、力學(xué)性能方面開(kāi)展進(jìn)一步研究，著重強(qiáng)調(diào)了簡(jiǎn)單改性工藝與復(fù)合改性的發(fā)展趨勢(shì)。黃紅明等［4］研究了不同組分比例的環(huán)氧瀝青N-EA的固化反應(yīng)以及從熱塑性到熱固性的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。提出了最佳摻配比例下的容留時(shí)間、容留溫度及彎拉模量，為N-EA施工現(xiàn)場(chǎng)提前開(kāi)放交通提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。李款等［5］對(duì)石油瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂的相容性展開(kāi)了相關(guān)調(diào)研，提出酸酐化改性、優(yōu)化增溶劑和固化劑等是改善基質(zhì)瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂相容性的關(guān)鍵材料，并明確了鋼橋面鋪裝過(guò)程中的關(guān)鍵缺陷問(wèn)題，為后續(xù)研究提供了方向。

綜上所述，環(huán)氧瀝青材料在我國(guó)橋面結(jié)構(gòu)中得到了良好推廣，但對(duì)該類材料自愈合能力的研究并不充分，大部分研究集中在路用性能、施工性能方面。本文依據(jù)前期研究成果，分析了酸酐組分、養(yǎng)護(hù)參數(shù)對(duì)環(huán)氧瀝青自愈合拉伸性能的影響，為后期推廣應(yīng)用提供借鑒。

1原材料及試驗(yàn)方案

1.1原材料

試驗(yàn)選擇殼牌A級(jí)90#基質(zhì)瀝青，丁烯二酸酐（MAH）和環(huán)氧樹(shù)脂E-51為張家港雅瑞化工有限公司產(chǎn)品，促進(jìn)劑為常州山峰化工有限公司生產(chǎn)DMP-30產(chǎn)品。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。

1.2試驗(yàn)方案

環(huán)氧瀝青一般用于橋面鋪裝層，與常規(guī)基質(zhì)瀝青的粘彈特性不同，環(huán)氧瀝青屬熱固性材料，一旦發(fā)生裂縫破壞，其不具備自愈合的能力，故研究采用拉伸試驗(yàn)分析不同作用因素下環(huán)氧瀝青的自愈合能力，具體方案如下：

（1）環(huán)氧瀝青配合比設(shè)計(jì)。環(huán)氧瀝青A組分為90#基質(zhì)瀝青、MAH和DMP-30，B組分為E-51環(huán)氧樹(shù)脂。在120 ℃烘箱中均勻加熱各材料2～3 h，按照試驗(yàn)制定比例均勻混合A、B組分，調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速為500 r/min，均勻攪拌5～6 min使其充分融合；將樣品倒入提前制備的拉伸試驗(yàn)?zāi)＞撸诤嫦?20 ℃下養(yǎng)護(hù)相應(yīng)的時(shí)間后取出模具，即得到拉伸試驗(yàn)樣品。本文環(huán)氧瀝青配合比優(yōu)化主要為基質(zhì)瀝青與MAH的組分變化，其配合比分別為100∶1.5、100∶3.0、100∶4.5，A、B組分比例為10∶30。

（2）拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)。拉伸試驗(yàn)主要依據(jù)《硫化或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變特性的測(cè)定》（GB/T 528-2009/ISO 37：2005）中的相關(guān)要求，分析指標(biāo)為拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、恢復(fù)率。酸酐組分能夠調(diào)節(jié)環(huán)氧瀝青力學(xué)性能，如延長(zhǎng)固化時(shí)間、提高力學(xué)強(qiáng)度等。研究其組分、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度等參數(shù)變化對(duì)環(huán)氧瀝青性能的影響，主要通過(guò)建立拉伸應(yīng)變-拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行辨析，判斷不同組分對(duì)其性能影響的優(yōu)劣，以下是試驗(yàn)步驟：

①通過(guò)對(duì)澆筑良好的環(huán)氧瀝青樣品（標(biāo)準(zhǔn)啞鈴形狀）在中間進(jìn)行垂直切斷，樣品總長(zhǎng)為75 mm，其中拉伸細(xì)頸部分長(zhǎng)度為25 mm、寬度為4 mm、厚度為2 mm。

②將樣品放至室內(nèi)24 h（標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)溫度），從拉伸細(xì)頸中間部位切斷樣品，并完整對(duì)接（無(wú)外力作用）養(yǎng)護(hù)。分析不同養(yǎng)護(hù)溫度（30 ℃、50 ℃、60 ℃）和不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間（2 h、6 h、8 h、10 h）下的拉伸力學(xué)性能。

2組分變化對(duì)自愈合性能的影響分析

不同組分比例的環(huán)氧瀝青中間垂直切斷后在60 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)10 h，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（拉伸速率為100 mm/min），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。同時(shí)，為對(duì)比環(huán)氧瀝青斷裂自愈合后拉伸性能恢復(fù)情況，原樣瀝青拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖1、圖2可知：

（1）無(wú)論是原樣環(huán)氧瀝青樣品還是自愈合環(huán)氧瀝青樣品，隨拉伸應(yīng)變的增加，拉伸強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，且自愈合環(huán)氧瀝青樣品的應(yīng)力集中現(xiàn)象更顯著。對(duì)于原樣環(huán)

氧瀝青樣品，不同組分比例的斷裂拉伸強(qiáng)度值存在顯著差異，3種樣品的斷裂拉伸強(qiáng)度值大小規(guī)律為100∶4.5＞100∶3.0＞100∶1.5，斷裂拉伸應(yīng)變關(guān)系為100∶1.5＞100∶3.0＞100∶4.5。由此說(shuō)明，組分變化對(duì)環(huán)氧瀝青拉伸性能存在顯著影響，隨環(huán)氧瀝青中酸酐成分的增加，環(huán)氧瀝青的拉伸性能也增加，但拉伸應(yīng)變能力逐漸劣化。

（2）自愈合環(huán)氧瀝青樣品的拉伸性能呈下降趨勢(shì)變化，且不同組分比例樣品的變化幅度也不同。3種樣品拉伸強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變的斷后自愈合恢復(fù)情況見(jiàn)圖3，隨環(huán)氧瀝青中酸酐成分增加，其斷裂后的自愈合能力顯著下降，酸酐成分增加1倍，其拉伸性能恢復(fù)能力下降約50%，如樣品100∶4.5、100∶3.0、100∶1.5的斷裂自愈合拉伸強(qiáng)度恢復(fù)率分別為24.3%、51.0%、75.9%，伸長(zhǎng)率的恢復(fù)率分別為28.5%、58.1%、64.1%。說(shuō)明酸酐能夠增強(qiáng)環(huán)氧瀝青的固化能力，酸酐含量越多，在環(huán)氧瀝青內(nèi)部形成的密集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越顯著，其斷裂拉伸強(qiáng)度越大。但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也束縛了環(huán)氧瀝青的拉伸應(yīng)變能力，造成拉伸應(yīng)變逐漸下降。在不影響其力學(xué)性能情況下，環(huán)氧瀝青的組分變化應(yīng)以酸酐含量為主要控制指標(biāo)，保證其自愈合能力。

綜上所述，酸酐成分有利于改善環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度，但降低了抗變形能力。組分100∶3、100∶4.5環(huán)氧瀝青的最大拉伸強(qiáng)度分別提高約71.4%、179.5%，而拉伸應(yīng)變分別下降了8.6%、18.5%（與100∶1.5相比）。當(dāng)酸酐成分比例增加1.5%，拉伸強(qiáng)度改善效果遠(yuǎn)大于拉伸應(yīng)變的劣化效果。但拉伸應(yīng)變也是評(píng)價(jià)環(huán)氧瀝青抗變形能力關(guān)鍵指標(biāo)之一，表征了環(huán)氧瀝青混合料在橋面鋪裝層中抗疲勞性能的優(yōu)劣。同時(shí)，根據(jù)以上3種環(huán)氧瀝青斷裂自愈合后的拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變恢復(fù)率也說(shuō)明酸酐成分對(duì)環(huán)氧瀝青存在不同性能影響，由于100∶4.5環(huán)氧瀝青兩項(xiàng)恢復(fù)率分別為24.3%和28.5%，綜合考慮MAH能夠顯著改善環(huán)氧瀝青的力學(xué)強(qiáng)度及對(duì)拉伸應(yīng)變的劣化作用，因此折中選擇基質(zhì)瀝青：MAH為100∶3作為環(huán)氧瀝青A組分最佳比例。

3養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)自愈合性能的影響分析

依據(jù)前述分析結(jié)果，選擇基質(zhì)瀝青與MAH的組分比例為100∶3的環(huán)氧瀝青樣品進(jìn)行研究，分析養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化對(duì)其斷裂自愈合拉伸性能的影響，養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4～5。

由圖4～5可知，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)樣品的自愈合拉伸性能影響顯著，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，斷裂自愈合拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變呈增加趨勢(shì)。其中，養(yǎng)護(hù)2 h樣品的拉伸性能急劇下降，斷裂拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變分別為0.46MPa和125.7%，其二者的恢復(fù)率分別為46.9%和59.4%。說(shuō)明環(huán)氧瀝青樣品斷裂后，在沒(méi)有外力的作用下其內(nèi)部固化行為持續(xù)進(jìn)行，瀝青分子間的運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸擴(kuò)散，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，在斷裂處形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更均勻。如養(yǎng)護(hù)8 h的樣品，拉伸應(yīng)變能夠恢復(fù)到90%以上，斷裂拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變分別為0.78MPa和192.7%，其二者的恢復(fù)率分別為79.6%和91.1%，顯示了環(huán)氧瀝青具備自愈合能力。

4養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)自愈合性能的影響分析

對(duì)于養(yǎng)護(hù)溫度變化對(duì)環(huán)氧瀝青斷裂后自愈合拉伸性能影響（養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10 h），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6～7。

由圖6～7分析可知：

（1）養(yǎng)護(hù)溫度的升高有利于環(huán)氧瀝青自愈合能力的提升，養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃和50 ℃樣品的拉伸強(qiáng)度恢復(fù)率分別為65.4%和79.6%，伸長(zhǎng)率恢復(fù)率分別為51.9%和82.6%。說(shuō)明養(yǎng)護(hù)溫度越高，越有利于瀝青、酸酐及環(huán)氧樹(shù)脂的固化行為，能夠加速固化進(jìn)程，在斷裂面形成較多交聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高其自愈合能力。

（2）養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃和50 ℃下的環(huán)氧瀝青拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率的恢復(fù)率呈相反關(guān)系，在30 ℃的拉伸強(qiáng)度恢復(fù)率顯著高于伸長(zhǎng)率恢復(fù)率，而50 ℃的拉伸強(qiáng)度恢復(fù)率較伸長(zhǎng)率恢復(fù)率低，說(shuō)明環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度性能受溫度影響較小，而拉伸應(yīng)變的溫度敏感性更為顯著。如養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃和50 ℃的拉伸強(qiáng)度恢復(fù)率相差14.2%，而應(yīng)變伸長(zhǎng)率恢復(fù)率相差30.7%。同時(shí)，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，養(yǎng)護(hù)溫度50 ℃和60 ℃的樣品曲線變化幾乎相一致，僅在破壞時(shí)的最大拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變值不同。

5結(jié)語(yǔ)

（1）酸酐組分變化對(duì)環(huán)氧瀝青力學(xué)拉伸性能具有顯著影響，隨MAH酸酐成分的增加，其拉伸強(qiáng)度呈逐漸增加趨勢(shì)，而拉伸應(yīng)變呈逐漸劣化狀態(tài)。隨MAH酸酐成分增加，環(huán)氧瀝青斷裂后的自愈合能力顯著下降，酸酐成分增加1.5%，其拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變恢復(fù)率下降約50%，因此提出基質(zhì)瀝青與MAH的最佳比例為100∶3。

（2）隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，環(huán)氧瀝青的斷裂自愈合拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變呈顯著增加趨勢(shì)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間＜6 h，其斷裂強(qiáng)度力學(xué)性能恢復(fù)率僅為65%；養(yǎng)護(hù)8 h后的伸長(zhǎng)率力學(xué)性能恢復(fù)到90%以上。隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高，環(huán)氧瀝青自愈合能力改善效果越顯著，養(yǎng)護(hù)溫度在50 ℃時(shí)，其拉伸強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變能夠恢復(fù)到80%左右。

（3）不同溫度下環(huán)氧瀝青自愈合后的拉伸強(qiáng)度受溫度影響較小，而拉伸應(yīng)變的溫度敏感性更強(qiáng)。養(yǎng)護(hù)溫度30 ℃和50 ℃應(yīng)變伸長(zhǎng)率恢復(fù)率相差達(dá)到30.7%；養(yǎng)護(hù)溫度50 ℃和60 ℃的拉伸強(qiáng)度-拉伸應(yīng)變曲線變化幾乎一致，而養(yǎng)護(hù)8 h、10 h的曲線變化差異顯著，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)環(huán)氧瀝青自愈合能力的影響并不一致，且溫度影響更為顯著。

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作者簡(jiǎn)介：覃春娥（1989—），工程師，主要從事高速公路試驗(yàn)檢測(cè)、資料管理等工作。