水性环氧树脂掺量对CAE砂浆微观性能的影响

2021-04-26兰富才汪凯旋丁文海石福周刘晓佩

山西建筑 2021年9期

兰富才汪凯旋丁文海石福周刘晓佩

(1.甘肃交通职业技术学院，甘肃兰州 730070； 2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050； 3.甘肃省公路交通建设集团有限公司，甘肃兰州 730000)

截止2018年年底，我国高速公路的总里程已跃居世界第一，已经达到14.26万km，远高于1988年的147 km，年均增长26.6%[1]。我国高速公路的路面形式主要为沥青混凝土路面，在实际服役过程中，由于受气候、温差等自然条件和交通荷载的反复作用，沥青混凝土路面容易形成各种损伤，降低其安全性和行车舒适性[2,3]。我国沥青道路将迎来养护与维修的高峰期，开发性能优异的沥青路面修补材料逐渐成为研究热点。

水性环氧树脂是一种常见的乳化沥青改性剂，它具有粘附性能优异、抗渗性好和强度生成快等特点[4]，已经被应用于高性能桥面铺装粘结层、冷补沥青混合料、微表处等道路工程材料领域[5-7]。在水性环氧树脂和乳化沥青的共混物中加入水泥，将三者作为胶凝材料制备出的水泥—乳化沥青—环氧树脂复合砂浆(CAE砂浆)是一种可以兼顾强度、黏韧性、粘附性和抗渗性的有机—无机复合材料。沈凡[9]将CAE胶浆用作钢箱梁桥面铺装层材料，并依据水稳定性、高低温性、粘附性和回弹模量等性能研究结果，完成CAE胶浆的最佳组成设计。胡曙光[10]研究了CAE砂浆的力学性能、界面粘结性能、抗压回弹模量、高低温稳定性能、耐久性能等，制备出了新型的道路修补材料。李洪军[11]研究了CAE混凝土的路用性能和力学性能，分析了不同乳化沥青、水泥、水性环氧树脂掺量对其性能的影响，结果表明，CAE混凝土的路用性能优于SMA-13沥青混合料。目前，关于CAE路用性能、力学性能等宏观性能的研究较多，但对其微观机理的研究较少。

鉴于此，本文基于制备不同水性环氧树脂掺量下的CAE砂浆的微观测试试验，研究环氧树脂掺量对CAE砂浆微观结构及作用机理的影响规律，为CAE砂浆在沥青路面养护与修补的应用提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥采用永登祁连山水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，性能参数见表1。通过自制慢裂快凝型阳离子乳化剂来制备乳化沥青，采用BZ160阳离子沥青乳化剂对中海90号基质沥青进行乳化，性能参数见表2。环氧树脂及固化剂分别采用苏州梅果望生产的128型水性环氧树脂和WG828型多元胺固化剂，两者的质量比以1∶1混合并搅拌均匀后使用，性能参数见表3。砂采用单级配中砂，粒径范围0.15 mm～0.3 mm；拌合水采用实验室饮用水；外加剂采用有机硅液体消泡剂和聚羧酸高效减水剂。

表1 水泥的性能参数

表2 乳化沥青的性能参数

表3 环氧树脂及固化剂的性能参数

1.2 试验配比设计

CAE砂浆作为沥青路面养护材料应具有一定的粘韧性，应保证沥青与环氧树脂共混物中沥青成为连续相，二者密度相近，因此，CAE砂浆中环氧树脂组分与沥青组分的质量比(E/A)应小于1，本文分别采用E/A=0.2，0.4，0.6，0.8进行CAE砂浆的微观性能测试。水泥组分与沥青组分的质量比(A/C)是决定CAE砂浆力学性能的重要因素，当A/C值约为0.3时，CAE砂浆与沥青混合料的弹性模量相近[12]，本文以水泥乳化沥青(CAE砂浆)为参考，固定CAE砂浆中A/C为0.3。经过多次试验尝试，CAE胶浆中水用量为沥青和环氧树脂组分质量总和的1.6倍时，砂浆具有较好的流动度和密实度，本文固定水的质量与环氧树脂、沥青组分质量和的比例W/(A+E)=1.6。砂在CAE砂浆中起到骨架作用，合理的砂用量还可以起到节约成本的作用，本文固定CAE砂浆中砂与其他组分的质量比为1∶1。外加剂的用量视实际情况而定。实验配方见表4。

表4 CAE砂浆的试验配方

1.3 试验方法

1)CAE砂浆的制备与养护。依据表4中的实验配方，在水泥胶砂搅拌机中将按量加入的乳化沥青、环氧树脂、外加剂和水快速搅拌3 min，然后在30 s内加入水泥、砂子等干料并慢速搅拌，等慢搅均匀后切换至快速搅拌，历时2 min，结束后切换至慢速搅拌，历时30 s用来消除较大气泡。将搅拌完成后的CAE砂浆倒入CA砂浆分离度试模中，放入标准水泥养护箱(温度保持在20 ℃±1 ℃，湿度大于90%)养护至规定龄期后拆模使用。

2)X射线衍射(XRD)测试方法。X射线衍射谱(XRD)是首先在德国Bruker X射线衍射仪上进行采集，再采用铜靶( =0.154 2 nm)进行辐射测试，采集速率为21 min，采集范围为5～90。将养护7 d后的CAE砂浆研磨为100目的粉末进行测试。

3)红外吸收光谱测试方法。仪器采用德国布鲁克斯公司生产的傅里叶变换红外光谱仪(型号为MAGNA-IR760)对样品的基团结构进行测试，测试前需保证样品干燥并磨细均匀，采用KBr压片，波数设置范围为400 cm-1～4 000 cm-1。将养护7 d后的CAE砂浆研磨为100目的粉末进行测试。

4)SEM扫描电镜测试方法。扫描电镜形貌分析仪器使用的是Zeiss Merlin SEM，并备有加速电压为5 kV的英国Oxford公司生产的X射线能谱仪。将养护28 d龄期的CAE砂浆分别研磨为100目和200目的粉末喷金处理后进行观察。

2 CAE砂浆微观测试结果分析

2.1 XRD分析

对E/A=0.2，0.4，0.6，0.8四种环氧树脂掺量的CAE砂浆在7 d龄期时进行XRD测试，测试的结果如图1所示。

由图1可知，CAE砂浆在7 d龄期时的水化产物主要包括未水化的C3S，C2S，Ca(OH)2,SiO2和Ca络合物等[12]。其中C3S,C2S和Ca(OH)2是水泥的主要水化产物，由图1a)～图1d)可知，环氧树脂掺量增加的同时，C3S，C2S对应衍射峰的强度逐渐增强，Ca(OH)2对应衍射峰的强度逐渐减弱，C3S，C2S是水泥未水化的产物，Ca(OH)2是水泥水化后的产物，说明环氧树脂掺量的增加对水泥的水化过程起到抑制作用。环氧基是环氧树脂中包含的一种高活性基团，它与固化剂发生固化反应(环氧基开环)并生成环氧固化物，然后覆盖在水泥颗粒表面，从而减缓了水泥的水化反应速度。水泥水化产生的OH-形成强碱环境，而强碱条件会促进环氧树脂的固化反应进程，从而影响Ca(OH)2结晶体的生成。

由图1也可以看出，环氧树脂掺量增加的同时，CAE砂浆内生成的Ca络合物的衍射峰强度逐渐增加，钙矾石的衍射峰强度很弱。这是由于养护初期，环氧树脂中的醇羟基、酯基会与水化产物中的钙矾石及Ca(OH)2中的Ca离子以离子键的形式结合，生成Ca络合物，因此，7 d龄期时，CAE砂浆的水化产物中没有大量的钙矾石。Ca络合物属于亚稳态物质，会随着养护龄期的增长逐渐转化和分解。

2.2 红外光谱分析

对E/A=0.2,0.4,0.6,0.8四种环氧树脂掺量CAE砂浆在14 d龄期时进行红外光谱测试，测试结果如图2所示。

由图2还可以看出，当E/A由0.2增加到0.8，874 cm-1与1 510 cm-1波长对应的谱峰逐渐增强，3 640 cm-1波长对应的谱峰逐渐减弱，说明随着环氧树脂掺量的增加，环氧树脂与水泥颗粒表面基团的反应程度增加，一定程度减缓了水泥水化反应，导致水泥的未水化产物逐渐增多。

2.3 SEM分析

对E/A=0.2，0.4，0.6，0.8四种环氧树脂掺量的CAE砂浆在28 d龄期时进行SEM扫描测试，测试的结果如图3,图4所示。

3 CAE砂浆强度形成机理及微结构模型

根据CAE砂浆XRD图谱、红外光谱图和SEM图等微观测试结果，结合水泥的水化过程、乳化沥青的破乳过程和环氧树脂的固化过程，对CAE砂浆的强度形成机理及微观结构进行推测，CAE砂浆强度形成机理可总结为如图5所示的3个阶段。

机械分散阶段：水泥、水性环氧树脂、固化剂、乳化沥青、砂子和其他外加剂在机械搅拌作用下均匀分散，水泥、环氧树脂固化物和沥青三者组成的CAE胶浆作为砂颗粒之间的胶凝材料共同组成CAE砂浆体系。CAE胶浆体系内部，颗粒较小的沥青颗粒和环氧树脂颗粒与较大的未水化水泥颗粒均有较好的粘附性，较小颗粒的包裹延缓了水泥的水化过程，CAE砂浆的流动性损失较小，该阶段的CAE砂浆的微观结构模型如图5a)所示。

相互作用阶段：水泥发生水化反应生成水化产物。沥青破乳后，与水泥水化产物共同组成结构沥青，同时，水性环氧树脂中的醇羟基、酯基等亲水基团会与水泥水化产物发生键合，与水泥水化产物固定成整体。由于极性差异，沥青和环氧树脂之间的吸附性较差，浆体中存在的自由的乳化沥青和环氧树脂的小颗粒在向水泥颗粒表面移动的过程中产生排斥，二者之间各自吸引，并胶结在水泥颗粒表面，CAE砂浆流动性开始下降，该阶段的CAE砂浆的微观结构模型如图5b)所示。

强度形成阶段：CAE胶浆体系中，水泥作为连接介质，沥青和环氧树脂形成交叉互穿的空间网状结构，填充于水泥颗粒之间，三者共同组成结构致密的CAE胶浆。CAE胶浆作为胶凝材料砂颗粒之间胶结固定，CAE砂浆的强度形成，彻底失去流动性，养护龄期增加的同时，CAE砂浆的强度在不断增加，此阶段CAE砂浆的微观结构模型如图5c)所示。