环氧沥青及其混合料性能研究

张增平　班孝义　魏龙　南晓粉

摘要：为了发现环氧沥青及其混合料目前存在的问题，采用宏观和微观两方面探索环氧沥青性能的大幅度改善，通过对环氧沥青的化学流变特性、固化特性以及环氧沥青混合料的抗剪性能、水损坏特性的分析归纳，得出不同组分的环氧沥青和不同地理环境对沥青性能改善各有侧重。最终结论：环氧沥青的特性是有针对性地改善其性能；深入研究环氧沥青的寿命成本及不同温度下黏弹塑性材料参数将成为重点。

关键词：环氧沥青；化学流变；抗剪性能；水损坏

中图分类号：U414.03 文献标志码：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

环氧沥青是一种热固性聚合物材料，由组分A（环氧树脂）和组分B（含有固化剂的环氧沥青）组成。组分A和组分B在一定的条件下即开始固化反应，主要表现为环氧沥青与混合料的粘结性能随温度的升高而增大[1]。国外对环氧沥青的研究起步较早，投入了大量的人力、物力，目前技术成熟；国内对环氧沥青的研究起步晚，但是发展较快。自2000年环氧沥青首次在南京长江二桥上成功应用后，国内对环氧沥青在大跨径桥面铺装方面的应用甚为重视，因此，对环氧沥青及混合料性能的研究具有十分重要的意义。

与普通沥青混合料相比，环氧沥青混合料具有强度高、耐腐蚀性好、耐疲劳性能好、抗氧化性好、水稳定性好等优良的性能，本文将就环氧沥青及混合料的化学流变特性、固化特性、抗剪性能、水损坏性能等特性的研究进展进行综述。

1 环氧沥青及其混合料

环氧沥青作为一种新型桥面铺装材料，近年来得到了很好的发展，目前国产环氧沥青已打破了国外环氧沥青的垄断地位，并在一些大型工程上得到了应用。环氧沥青是传统筑路沥青材料的革命性升级，它从根本上改变了沥青的热塑性本质，扩大了沥青的使用温度范围，并在某种程度上延长了路面的使用寿命，因此，越来越受到研究者的青睐。作为一种良好的结合材料，环氧沥青的用处不仅局限于密集配环氧沥青混凝土面层，还可为其他类型的沥青混合料及其应用带来显著的益处[2]。近年来，许多路面工程

已经成功运用环氧沥青混合料的特性解决了一些棘手问题。环氧沥青混合料的成本相对较高，包括建设成本及当地建筑材料成本，环氧沥青结合料的成本约是普通沥青结合料的5～10倍，开级配环氧改性沥青混合料约是普通开级配沥青混合料的23倍。

环氧沥青的特性能使一些常见的路面病害得到解决或延迟发生，提高了工程的质量，这为环氧沥青在工程上的应用提供了良好的前景。环氧沥青由于具有高温稳定性好、使用寿命长等特点，对中国大跨径桥面铺装有重要意义[3]，因此环氧沥青及其混合料成为了近年研究的热点[4]。

2 环氧沥青及其混合料的性能

2.1 环氧沥青的化学流变特性

环氧沥青属于热固性材料，各组分混合后，环氧沥青即开始发生化学反应。由于反应是放热过程，初期粘度增长缓慢，但随着时间的延长，粘度急剧增加。因此，在施工过程中应掌握好时间，避免发生离析或因粘度过大而难以摊铺、压实等情况。

KANG Yang等用动态剪切流变仪测定环氧沥青流变性，并与基质沥青和SBS改性沥青进行了比较，用荧光显微镜追踪微观结构的发展过程，并用扫描电子显微镜观察了在-40 ℃时环氧沥青的裂纹轮廓。结果表明：环氧沥青的蠕变是基质沥青的10-7～10-2倍，是SBS改性沥青的10-6～10-2倍。蠕变恢复试验发现，环氧沥青经过100次装卸载后具有完全弹性，这意味着环氧沥青有显著的抗车辙的潜能。CONG Peiliang等用动态剪切流变仪测试了环氧树脂含量对环氧沥青流变性能的影响，结果发现在高温条件下，沥青粘合剂的性能显著提高，随着环氧树脂含量的增加环氧沥青的弹性性能提高；当添加环氧树脂后，环氧沥青的粘性也得到提高。YAO Bo等通过模型模拟了环氧沥青混凝土的流变特性，对环氧沥青混凝土样品在不同温度和加载频率条件下进行了复合模量测试，试验结果显示，环氧沥青混凝土呈现出典型的流变特性，其动态模量随温度的增加而减小，随频率的增加而增加，并且相位角随着频率的降低和温度的升高而增加。丛培良等在30 ℃～100 ℃范围内，用Arrhenius方程和WLF方程描述环氧沥青的流变特性，由于环氧树脂的加入可以提高沥青的高温粘弹性能，用Burgers模型可以较好地评价环氧沥青的粘弹性能，环氧树脂可以改善沥青的高温变形能力，从而提高混合料的抗车辙能力。曾靖等采用Brookfield旋转粘度计测试了不同温度下环氧沥青随时间增长的粘度值，得到了各温度下的粘度-时间增长和增长率曲线，同时发现环氧沥青粘度预估模型可以较好地预估粘度增长、粘度增长率曲线与粘度增长曲线形式相似[5-6]。endprint

可见，环氧沥青的化学流变性能能改善环氧沥青混合料的高温性能，满足工程高温使用性能的要求，减少工程养护费用[7]。

2.2 环氧沥青的固化特性

环氧沥青的固化特性属于化学反应，掌握好其固化反应特征对保证铺装质量及使用性能有重要作用。环氧沥青固化特征是分析环氧沥青固化机理的理论基础，为指导施工及确定最终开放交通时间提供了依据。

ZHANG Yanjun等研究了环氧树脂和环氧沥青的固化特性，测定了不同环氧树脂体系和环氧沥青体系的固化时间及粘度，结果表明：在纯环氧体系中，固化时间随着固化剂及促进剂含量的增加而降低，并随稀释剂的增加而增加；加入沥青体系制备成环氧沥青后，粘度随固化时间及促进剂含量的增加而增加；随着促进剂含量的增加，容留时间缩短；随着更多沥青的加入，系统粘度增长缓慢，环氧沥青的固化也受到了一定的影响。WANG Zhiliu等研究了进口环氧树脂和含有固化剂的沥青在固化温度为120 ℃时组分的变化，并用FT-IR谱研究了固化时间分别为0、5、15、35、75、240 min时，羰基（C=O）和环氧基的特征吸收峰的变化，推导了羚酸型化合物和环氧化合物之间的固化反应机理。WANG Jianwei等研究发现国产环氧沥青混合料的强度随着固化时间和温度的增加而增强。黄明等研究发现高温固化剂比低温固化剂更易使环氧沥青形成高强度，并采用几种不同的固化剂分析了时间、温度和拌和工艺对固化效果的影响。YU Jianying等用FE-IR谱分析了环氧沥青的固化过程，发现当温度为120 ℃、固化时间小于70 min时，环氧沥青的固化反应速率保持不变；时间超过70 min后，固化速率降低；在初始固化阶段，粘度及抗拉强度增加缓慢，随后增加较快[8-9]。

环氧沥青固化反应产物相互叠加、交织，形成了一种立体交互的聚合物网络状结构。由于固化物分子中含有较多的芳环，可提供较大的强度；通过某种方式调整其交联程度，使其形成强度和弹性都满足要求的环氧沥青。新型热固性环氧沥青浇筑体拉伸强度和断裂伸长率均优于现有的各种环氧沥青，并有较好的相容性和储能模量。混合料的容留时间长达3～5 h，是一种可用于高荷载、复杂交通作用下的高性能、低成本环氧沥青桥面铺装材料[10]。

2.3 环氧沥青混合料的抗剪性能

车辙是路面常见病害，大量车辙的出现会影响行车的安全，研究发现，沥青混合料的抗车辙性能与抗剪性能有良好的相关性。因此，研究混合料的抗剪性能对减轻路面车辙有重要意义，而采用新型特殊沥青材料是解决车辙病害的突破口之一[11]。

Edoardo等采用两种技术调查桥面沥青路面的抗剪切性能，第一种技术是环氧沥青既作为结合涂层也作为上层沥青层的粘合剂；第二种技术是在普通热拌沥青混合料覆盖前要在钢板上使用增强沥青膜，研究不同类型界面的剪切阻力及温度和压力对其的影响。在之前研究的基础上，比较了沥青涂层界面的抗剪切性能，结果发现环氧沥青可以保证高温抗剪切性能。YANG Jianjun等研究发现，表层显著受压及结合层的高剪切应力是桥面铺装材料不良性能的原因。LIU Yun等研究发现剪切应力随相位角张开度的增加而增大，相位角最大可达85°。钱振东等采用正交试验法对不同沥青混合料抗剪性能进行了研究对比，发现环氧沥青混合料的抗剪性能比一般沥青混合料的性能好，对其影响较大的因素是油石比及475 mm筛孔通过率。

在路面及桥面结构中，剪切应力主要分布在表面层和中面层，而下面层受剪切应力的影响很小。由莫尔理论可知，抗剪强度受黏聚力和内摩阻角的影响。抗剪强度随黏聚力和内摩阻角的增大而增大，因此，沥青混合料的类型、公称最大粒径、沥青用量对抗剪强度影响较大。为了保证环氧沥青混合料的抗剪强度，应合理地选择集料类型及沥青用量[12]。

温度对抗剪强度亦有一定程度的影响，高温作用下，沥青混合料会保持较高的抗剪强度，但塑性变形过大，稳定值将会不满足要求。此外，现行沥青混合料设计方法和设计标准缺乏一定的合理性也是影响抗剪强度的因素之一[13]。

2.4 环氧沥青混合料的水损坏特性

水损坏是沥青路面常见的一种病害，路面、桥面大部分破坏都与水的作用有关，如何控制并减少路面、桥面的水损坏，对保证其服务能力有重要意义。

水损坏机理研究对环氧沥青混合料的影响较为复杂。首先，水的作用使混合料的强度降低，在车辆荷载的作用下极易出现各种破坏；其次，由于集料的化学特性和热力学性质使沥青砂浆对水的吸附性小于集料的吸附性。因此，水分会使集料与沥青砂浆的粘结作用减弱直至使其剥离[14]。

ZHANG Xuesong等研究发现结合料的水损坏主要是由于水的作用削弱了集料之间的粘结力，从而使沥青膜从集料表面脱离，造成水损坏。LIU Yan等研究了结构内部水的来源、结构的水损坏及其影响因素，用劈裂试验进行验证，提出相应的防控措施以改善其实用价值。XIAO Qingyi等提出了混合料水损坏模型并制作4个不同的HMA，之后对4个混合物进行了测试并排序，发现可用化学热力学理论方法代替HMA水敏感性评价，此方法简单、快捷且设备易操作。胡靖等模拟环氧沥青混合料在水分渗透过程中集料与沥青砂浆界面裂缝的发生、扩展过程，发现环氧沥青混合料的力学性能受含水率的影响很大，剥落主要发生在不规则的集料周围，剥落随混合料含水率的增加而加剧，且在混合料薄弱界面极易发生水损坏。ZHANG Yingxue等研究发现早期水损坏是引起唧泥、剥落、松散、车辙、坑槽等路面病害的首要原因，分析了水损坏与各种病害之间的关系并提出了相应的治理措施。WANG Fazhou等研究发现沥青混凝土在水和压力耦合作用下破坏更为严重，因此，及时采用环氧树脂修补防止进一步水侵蚀，是提高路面、桥面使用寿命的重要方法。

因此，掌握水损坏机理，有助于在设计初期采取措施，降低工程造价，对改善工程质量有关键性的作用。endprint

3 结 语

综上可见，环氧沥青与其混合料的性能研究及应用正日趋成熟，由于环氧沥青能从宏观、微观两个方面改变沥青的性能，因此可以大幅度改善沥青的性能。然而，不同组分的环氧沥青及国内外的环氧沥青对沥青性能的改善各有侧重。例如，美国的双组分环氧沥青力学性能好，使用寿命长，但对拌和温度和施工效率要求高；国产双组分环氧沥青力学性能好，但混合料铺装时间要求严格；日本三组分环氧沥青黏度增长缓慢，但施工工艺要求苛刻。毫无疑问，环氧沥青及混合料的应用仍有很大的发展空间，因此，一方面应根据中国的实际情况继续深入研究环氧沥青及其混合料的性能，另一方面应根据环氧沥青的特性有针对性的改善其性能。此外，环氧沥青的寿命成本分析及不同温度下黏弹塑性材料参数仍会是研究的重点。

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[责任编辑：高 甜]endprint