環氧瀝青自愈合抗拉伸性能試驗研究

摘要：為研究酸酐組分對環氧瀝青自愈合性能的影響，探討優化酸酐與環氧樹脂、固化劑等材料摻配比例，文章采用拉伸試驗分析酸酐組分、養護參數等對環氧瀝青斷裂自愈合性能的影響。試驗結果表明：隨環氧瀝青中酸酐組分的不斷增加，拉伸強度也相應增加，拉伸應變逐漸劣化，環氧瀝青斷裂的自愈合能力顯著下降，酸酐成分增加1倍，其拉伸性能恢復能力下降約50%；隨養護時間的延長，環氧瀝青的斷裂自愈合拉伸強度、拉伸應變均顯著增加，且養護8 h樣品的拉伸應變能恢復到原樣的90%以上；隨養護溫度提高，環氧瀝青自愈合能力改善效果越顯著，養護溫度50 ℃條件下，其拉伸強度、拉伸應變能夠恢復到80%左右；拉伸強度受溫度影響較小，拉伸應變的溫度敏感性更強；環氧瀝青的自愈合能力與環氧樹脂固化行為、瀝青自身結構存在密切關系，通過優化降低酸酐組分比例，能夠改善環氧瀝青的自愈合能力，為工程應用提供新的思路。

關鍵詞：環氧瀝青；自愈合能力；拉伸性能；酸酐組分

中圖分類號：U416.03A040133

0引言

隨著我國在跨河、跨海橋梁建設方面的不斷突破，環氧瀝青因其優越的力學性能得到了廣泛的推廣應用，占橋面鋪裝材料的35%。但在橋面鋪裝層正常運營中發現傳統的環氧瀝青屬熱固性材料產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，大量試驗表明其不具備自愈合的能力或自愈合能力微弱。因此，針對環氧瀝青鋪裝層的問題開展了相應的研究，如荊儒鑫等［1］分析了固化溫度、剪切速率及組分比例對環氧瀝青黏度特性的影響，提出剪切速率過快會破壞固化結構組成，適量增加基質用量能夠降低其工程成本，并結合工程應用標準，提出了環氧瀝青合理的工程施工參數。周橙琪等［2］采用微觀手段對國產環氧瀝青的微觀固化形態、固化行為及力學性能進行研究，發現固化溫度、升溫速率均影響環氧瀝青的固化放熱量，且基質瀝青不參與環氧樹脂的固化反應，僅具有稀釋功能作用。廖義鵬等［3］針對環氧瀝青改性劑的柔韌性、低溫抗裂及相容性問題的應用現狀開展了調研分析，結合不同類型環氧瀝青的最新研究成果，圍繞在實體工程中應用情況，提出了需要在改善改性劑固化行為、力學性能方面開展進一步研究，著重強調了簡單改性工藝與復合改性的發展趨勢。黃紅明等［4］研究了不同組分比例的環氧瀝青N-EA的固化反應以及從熱塑性到熱固性的玻璃化轉變溫度。提出了最佳摻配比例下的容留時間、容留溫度及彎拉模量，為N-EA施工現場提前開放交通提供了基礎數據。李款等［5］對石油瀝青與環氧樹脂的相容性展開了相關調研，提出酸酐化改性、優化增溶劑和固化劑等是改善基質瀝青與環氧樹脂相容性的關鍵材料，并明確了鋼橋面鋪裝過程中的關鍵缺陷問題，為后續研究提供了方向。

綜上所述，環氧瀝青材料在我國橋面結構中得到了良好推廣，但對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。本文依據前期研究成果，分析了酸酐組分、養護參數對環氧瀝青自愈合拉伸性能的影響，為后期推廣應用提供借鑒。

1原材料及試驗方案

1.1原材料

試驗選擇殼牌A級90#基質瀝青，丁烯二酸酐（MAH）和環氧樹脂E-51為張家港雅瑞化工有限公司產品，促進劑為常州山峰化工有限公司生產DMP-30產品。相關試驗結果見表1～3。

1.2試驗方案

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

（1）環氧瀝青配合比設計。環氧瀝青A組分為90#基質瀝青、MAH和DMP-30，B組分為E-51環氧樹脂。在120 ℃烘箱中均勻加熱各材料2～3 h，按照試驗制定比例均勻混合A、B組分，調整攪拌器轉速為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模具，在烘箱120 ℃下養護相應的時間后取出模具，即得到拉伸試驗樣品。本文環氧瀝青配合比優化主要為基質瀝青與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）拉伸試驗設計。拉伸試驗主要依據《硫化或熱塑性橡膠拉伸應力應變特性的測定》（GB/T 528-2009/ISO 37：2005）中的相關要求，分析指標為拉伸強度、斷裂伸長率、恢復率。酸酐組分能夠調節環氧瀝青力學性能，如延長固化時間、提高力學強度等。研究其組分、養護時間、養護溫度等參數變化對環氧瀝青性能的影響，主要通過建立拉伸應變-拉伸強度之間的關系進行辨析，判斷不同組分對其性能影響的優劣，以下是試驗步驟：

①通過對澆筑良好的環氧瀝青樣品（標準啞鈴形狀）在中間進行垂直切斷，樣品總長為75 mm，其中拉伸細頸部分長度為25 mm、寬度為4 mm、厚度為2 mm。

②將樣品放至室內24 h（標準室內溫度），從拉伸細頸中間部位切斷樣品，并完整對接（無外力作用）養護。分析不同養護溫度（30 ℃、50 ℃、60 ℃）和不同養護時間（2 h、6 h、8 h、10 h）下的拉伸力學性能。

2組分變化對自愈合性能的影響分析

不同組分比例的環氧瀝青中間垂直切斷后在60 ℃環境下養護10 h，然后進行拉伸試驗（拉伸速率為100 mm/min），試驗結果見圖1。同時，為對比環氧瀝青斷裂自愈合后拉伸性能恢復情況，原樣瀝青拉伸試驗結果見圖2。

由圖1、圖2可知：

（1）無論是原樣環氧瀝青樣品還是自愈合環氧瀝青樣品，隨拉伸應變的增加，拉伸強度均呈增加趨勢，且自愈合環氧瀝青樣品的應力集中現象更顯著。對于原樣環

氧瀝青樣品，不同組分比例的斷裂拉伸強度值存在顯著差異，3種樣品的斷裂拉伸強度值大小規律為100∶4.5＞100∶3.0＞100∶1.5，斷裂拉伸應變關系為100∶1.5＞100∶3.0＞100∶4.5。由此說明，組分變化對環氧瀝青拉伸性能存在顯著影響，隨環氧瀝青中酸酐成分的增加，環氧瀝青的拉伸性能也增加，但拉伸應變能力逐漸劣化。

（2）自愈合環氧瀝青樣品的拉伸性能呈下降趨勢變化，且不同組分比例樣品的變化幅度也不同。3種樣品拉伸強度和拉伸應變的斷后自愈合恢復情況見圖3，隨環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度恢復率分別為24.3%、51.0%、75.9%，伸長率的恢復率分別為28.5%、58.1%、64.1%。說明酸酐能夠增強環氧瀝青的固化能力，酸酐含量越多，在環氧瀝青內部形成的密集網絡結構越顯著，其斷裂拉伸強度越大。但網絡結構也束縛了環氧瀝青的拉伸應變能力，造成拉伸應變逐漸下降。在不影響其力學性能情況下，環氧瀝青的組分變化應以酸酐含量為主要控制指標，保證其自愈合能力。

綜上所述，酸酐成分有利于改善環氧瀝青的拉伸強度，但降低了抗變形能力。組分100∶3、100∶4.5環氧瀝青的最大拉伸強度分別提高約71.4%、179.5%，而拉伸應變分別下降了8.6%、18.5%（與100∶1.5相比）。當酸酐成分比例增加1.5%，拉伸強度改善效果遠大于拉伸應變的劣化效果。但拉伸應變也是評價環氧瀝青抗變形能力關鍵指標之一，表征了環氧瀝青混合料在橋面鋪裝層中抗疲勞性能的優劣。同時，根據以上3種環氧瀝青斷裂自愈合后的拉伸強度、拉伸應變恢復率也說明酸酐成分對環氧瀝青存在不同性能影響，由于100∶4.5環氧瀝青兩項恢復率分別為24.3%和28.5%，綜合考慮MAH能夠顯著改善環氧瀝青的力學強度及對拉伸應變的劣化作用，因此折中選擇基質瀝青：MAH為100∶3作為環氧瀝青A組分最佳比例。

3養護時間對自愈合性能的影響分析

依據前述分析結果，選擇基質瀝青與MAH的組分比例為100∶3的環氧瀝青樣品進行研究，分析養護時間變化對其斷裂自愈合拉伸性能的影響，養護溫度為60 ℃，試驗結果見圖4～5。

由圖4～5可知，養護時間對樣品的自愈合拉伸性能影響顯著，隨養護時間延長，斷裂自愈合拉伸強度、拉伸應變呈增加趨勢。其中，養護2 h樣品的拉伸性能急劇下降，斷裂拉伸強度、拉伸應變分別為0.46MPa和125.7%，其二者的恢復率分別為46.9%和59.4%。說明環氧瀝青樣品斷裂后，在沒有外力的作用下其內部固化行為持續進行，瀝青分子間的運動隨時間的延長逐漸擴散，養護時間越長，在斷裂處形成的交聯網絡更均勻。如養護8 h的樣品，拉伸應變能夠恢復到90%以上，斷裂拉伸強度、拉伸應變分別為0.78MPa和192.7%，其二者的恢復率分別為79.6%和91.1%，顯示了環氧瀝青具備自愈合能力。

4養護溫度對自愈合性能的影響分析

對于養護溫度變化對環氧瀝青斷裂后自愈合拉伸性能影響（養護時間為10 h），試驗結果見圖6～7。

由圖6～7分析可知：

（1）養護溫度的升高有利于環氧瀝青自愈合能力的提升，養護溫度30 ℃和50 ℃樣品的拉伸強度恢復率分別為65.4%和79.6%，伸長率恢復率分別為51.9%和82.6%。說明養護溫度越高，越有利于瀝青、酸酐及環氧樹脂的固化行為，能夠加速固化進程，在斷裂面形成較多交聯結構，提高其自愈合能力。

（2）養護溫度30 ℃和50 ℃下的環氧瀝青拉伸強度、伸長率的恢復率呈相反關系，在30 ℃的拉伸強度恢復率顯著高于伸長率恢復率，而50 ℃的拉伸強度恢復率較伸長率恢復率低，說明環氧瀝青的拉伸強度性能受溫度影響較小，而拉伸應變的溫度敏感性更為顯著。如養護溫度30 ℃和50 ℃的拉伸強度恢復率相差14.2%，而應變伸長率恢復率相差30.7%。同時，從應力-應變曲線可知，養護溫度50 ℃和60 ℃的樣品曲線變化幾乎相一致，僅在破壞時的最大拉伸強度、拉伸應變值不同。

5結語

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

（2）隨養護時間的延長，環氧瀝青的斷裂自愈合拉伸強度、拉伸應變呈顯著增加趨勢。當養護時間＜6 h，其斷裂強度力學性能恢復率僅為65%；養護8 h后的伸長率力學性能恢復到90%以上。隨養護溫度的升高，環氧瀝青自愈合能力改善效果越顯著，養護溫度在50 ℃時，其拉伸強度、拉伸應變能夠恢復到80%左右。

（3）不同溫度下環氧瀝青自愈合后的拉伸強度受溫度影響較小，而拉伸應變的溫度敏感性更強。養護溫度30 ℃和50 ℃應變伸長率恢復率相差達到30.7%；養護溫度50 ℃和60 ℃的拉伸強度-拉伸應變曲線變化幾乎一致，而養護8 h、10 h的曲線變化差異顯著，說明養護溫度、養護時間對環氧瀝青自愈合能力的影響并不一致，且溫度影響更為顯著。

參考文獻

［1］荊儒鑫，PANOS APOSTOLIDIS，劉學巖.環氧瀝青固化過程中的粘度特性［J］.重慶大學學報，2022，45（3）：83-87.

［2］周橙琪，曹東偉，青健，等.國產高溫拌合型環氧瀝青的固化行為與性能［J］.高分子材料科學與工程，2019，35（10）：102-107，114.

［3］廖義鵬，李高，葉流穎，等.環氧瀝青改性劑研究進展［J］.應用化工，2019，48（1）：202-205.

［4］黃紅明，曾國東，徐偉，等.環氧瀝青固化反應機理及施工控制性能研究［J］.建筑材料學報，2020，23（4）：941-947.

［5］李款，潘友強，張輝，等.鋼橋面鋪裝用環氧瀝青相容性研究進展［J］.材料導報，2018，32（9）：1 534-1 540.

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