水泥-瀝青-環(huán)氧樹脂復(fù)合膠結(jié)材料微結(jié)構(gòu)模型及形成機(jī)理研究＊

黃紹龍，金 帆，沈 凡，胡曙光

(1. 湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430062； 2. 武漢工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430205；3. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070)

水泥-瀝青-環(huán)氧樹脂復(fù)合膠結(jié)材料微結(jié)構(gòu)模型及形成機(jī)理研究＊

黃紹龍1，金 帆1，沈 凡2，胡曙光3

(1. 湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430062； 2. 武漢工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430205；3. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070)

水泥-瀝青-環(huán)氧樹脂(CAE)復(fù)合膠結(jié)材料具有很好的粘結(jié)性能、高溫穩(wěn)定性以及柔韌性，適于鋼箱梁橋面鋪裝材料的使用。通過(guò)路用性能研究及SEM微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果表明，CAE混凝土中瀝青與環(huán)氧樹脂形成相互交織的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)水泥聯(lián)接。提出CAE的形成包括機(jī)械分散、互相作用、網(wǎng)絡(luò)形成、強(qiáng)度發(fā)展4個(gè)過(guò)程。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的CAE微觀結(jié)構(gòu)和形成過(guò)程。

微結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)形成機(jī)理

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通建設(shè)的需要，大量的橋梁工程在建或計(jì)劃建設(shè)中。鋼箱梁由于其跨徑大、自重輕、架設(shè)方便、施工周期短、外形簡(jiǎn)潔優(yōu)美等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)跨越大型水面橋梁及大型城市立交工程。然而，在鋼箱梁瀝青鋪裝中，由于鋼板和普通瀝青混合料的粘結(jié)能力較弱以及鋼箱梁鋼板面的高溫，使得瀝青路面容易出現(xiàn)推移、坑槽、擁包、車轍、開裂等路面病害。鋼箱梁鋼橋面鋪裝技術(shù)和材料的研究成為近幾年的重點(diǎn)研究方向之一。改性瀝青的使用和環(huán)氧瀝青的使用在一定程度上緩解但并未從根本上解決鋼橋面鋪裝所急需解決的兩大難題。

水泥(cement)、乳化瀝青(emulsified asphalt)、環(huán)氧樹脂(epoxy resin)復(fù)合膠凝材料(CAE)，綜合利用了3種原材料的優(yōu)點(diǎn)：利用水泥水化產(chǎn)物同時(shí)與乳化瀝青和環(huán)氧樹脂的粘結(jié)性能好的特點(diǎn)，將于鋼板粘結(jié)性能強(qiáng)且熱穩(wěn)定性好的水性環(huán)氧樹脂與柔韌的乳化瀝青相互混合在一起，水泥使得乳化瀝青破乳并利用破乳產(chǎn)生水分及水性環(huán)氧樹脂所含水分水化，形成一種與鋼板粘結(jié)力強(qiáng)、高溫性能好、韌性高的復(fù)合膠凝材料。

由于CAE包括水泥、乳化瀝青、環(huán)氧樹脂三種物質(zhì)，在CAE強(qiáng)度形成的過(guò)程中包括了水泥的水化、乳化瀝青破乳、環(huán)氧樹脂固化3部分，3個(gè)部分間存在復(fù)雜的相互作用，這使得CAE有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理。本文對(duì)非常適宜鋼箱梁橋面鋪裝的CAE混凝土的微觀形貌用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析，根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建了其微觀結(jié)構(gòu)模型，提出了CAE形成過(guò)程的假說(shuō)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種假設(shè)。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

采用華新P.O42.5水泥(性能見表1)、改性陽(yáng)離子型慢裂乳化瀝青(性能見表2)，實(shí)驗(yàn)室自制非離子自乳化型固化劑水性環(huán)氧樹脂(性能見表3)。CAE混凝土所用集料為符合《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004》所規(guī)定的石灰?guī)r集料。

表1 P.O42.5水泥的性能

1.2 配合比

采用水泥(簡(jiǎn)稱C)、乳化瀝青(簡(jiǎn)稱A)、環(huán)氧樹脂(簡(jiǎn)稱E)制備CAE膠漿，采用控制A∶C值，A∶E值兩個(gè)參數(shù)用于控制原材料用量，以保證所制備CAE混凝土有合適的與鋼板粘結(jié)性能、耐高溫性能及韌性和剛度，本文所使用的CAE膠漿配比為A∶C=2，A∶E=5∶3的CAE膠漿。用CAE膠漿作為膠凝材料與集料拌置CAE混凝土，CAE膠漿用量為25%，集料的級(jí)配曲線如圖1所示。

表2 乳化瀝青性能

表3 環(huán)氧樹脂及固化劑性能

Table 3 Performance of epoxy resin and its curing agent

名稱類型不揮發(fā)分含量/%乳液顆粒平均粒徑/μm乳液離心穩(wěn)定性環(huán)氧樹脂固化劑E51非離子型100%40<1(0.1)2000r/min,30min不分層

圖1 CAE混凝土集料級(jí)配曲線

Fig 1 Aggregate gradation CAE concrete

2 CAE混凝土在鋼橋面路用性能

為了更好的表征CAE混凝土的路用性能，分別對(duì)CAE混凝土與改性瀝青SMA、環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行路用測(cè)試，結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，CAE混凝土與鋼板粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)1.13 MPa，80 ℃動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)22738次·mm-1，-10 ℃彎拉應(yīng)變2 874με，凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)90.9%。

表4 CAE混凝土路用性能

注：在測(cè)試3種材料與鋼板粘結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)鋼板表面做了不同的界面處理，CAE、環(huán)氧瀝青混凝土、SMA分別使用水性環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青、SBS改性瀝青對(duì)鋼板表面做了預(yù)處理。

其與鋼板的粘結(jié)性能和高溫抗車轍能力均接近環(huán)氧瀝青混凝土，而水穩(wěn)定性和低溫韌性接近SMA，因而可以說(shuō)明，CAE混凝土是一種與鋼板粘結(jié)性能好、高溫穩(wěn)定性極佳、韌性強(qiáng)、水穩(wěn)定性好的路面材料，適宜鋼箱梁橋面鋪裝。

3 CAE微觀形貌及結(jié)構(gòu)形成過(guò)程推測(cè)

使用SEM對(duì)CAE膠漿的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖2所示，在1 000倍與2 000倍的SEM照片下，連續(xù)光滑并且顏色較暗的為瀝青，顏色較亮部分為環(huán)氧樹脂的固化產(chǎn)物，而表面褶皺的突起部分為被瀝青與環(huán)氧樹脂固化物所裹附的水泥水化產(chǎn)物。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，SEM照片上并未見到明顯的水泥顆粒，全部被另外兩種材料所包裹；瀝青與環(huán)氧樹脂形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其中瀝青的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更為連續(xù)；兩種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)互相穿插交織，并通過(guò)水泥水化產(chǎn)物粘結(jié)在一起，被裹附的水泥的水化產(chǎn)物填充著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空隙形成緊密的結(jié)構(gòu)。這種交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得CAE能具有非常好的彈性力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性；水泥水化產(chǎn)物的粘結(jié)與填充作用，不僅僅使得瀝青與環(huán)氧樹脂能夠良好的相溶，并且使得材料的水穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。

圖2 CAE膠漿SEM照片

根據(jù)CAE膠漿的微觀形貌、結(jié)合陽(yáng)離子乳化瀝青的破乳機(jī)制、環(huán)氧樹脂的固化機(jī)制、水泥的水化過(guò)程、瀝青與環(huán)氧樹脂較差的相容性及水泥水化產(chǎn)物與二者良好的吸附性，本文提出了CAE的形成分為：機(jī)械分散、互相作用、網(wǎng)絡(luò)形成和強(qiáng)度發(fā)展4個(gè)階段：

機(jī)械分散階段：在攪拌作用下，水泥、乳化瀝青、水性環(huán)氧樹脂形成均勻的漿體，漿體內(nèi)部，由于較大水泥與尺寸較小的乳化瀝青和水性環(huán)氧樹脂顆粒吸附性較好，水泥顆粒被小顆粒額裹附并延緩了其水化，更避免了水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)而引起漿體塑性的降低，在該階段混合漿體具有較好的流動(dòng)性，其結(jié)構(gòu)模型如圖3(a)所示。

互相作用階段：被水泥顆粒吸附的乳化瀝青小顆粒在水泥的作用下開始破乳，水泥與破乳產(chǎn)生的水分與環(huán)氧樹脂中所含水分反應(yīng)水化，破乳后的瀝青與水泥水化產(chǎn)物形成結(jié)構(gòu)瀝青；同時(shí)，水性環(huán)氧樹脂的極性親水基團(tuán)與在水泥水化過(guò)程中與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生鍵合，與水泥水化產(chǎn)物良好的固定在一起；漿體中存在的自由的乳化瀝青和環(huán)氧樹脂小顆粒，也逐漸向被吸附在水泥顆粒表面的瀝青和樹脂移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，由于瀝青與環(huán)氧樹脂的極性差異導(dǎo)致相容性較差，兩者同時(shí)被吸附在水泥表面的同時(shí)具有選擇性排斥和吸附作用，瀝青與瀝青、環(huán)氧樹脂與環(huán)氧樹脂在水泥水化產(chǎn)物表面分別相吸引膠結(jié)，漿體的流動(dòng)性開始下降，其結(jié)構(gòu)模型圖如圖3(b)所示。

網(wǎng)絡(luò)形成階段：隨著互相作用階段的水泥水化產(chǎn)物對(duì)瀝青和樹脂的吸附以及瀝青與瀝青之間的粘結(jié)、樹脂與樹脂間的膠結(jié)，瀝青與樹脂的空間結(jié)構(gòu)開始延長(zhǎng)，并以水泥為結(jié)合點(diǎn)互相穿插交織，最終形成空間網(wǎng)架互穿結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)形成階段的后期，漿體徹底失去流動(dòng)性，并初步產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)模型如圖3(c)所示。

強(qiáng)度形成階段：隨著瀝青的破乳的結(jié)束、樹脂與固化劑的交聯(lián)反應(yīng)的完成， 空間互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，CAE形成較高的初期強(qiáng)度。但是水泥的水化過(guò)程將持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間，并在此過(guò)程中使得CAE內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈加致密，因此，CAE的后期強(qiáng)度會(huì)持續(xù)增加較長(zhǎng)時(shí)間。

圖3 CAE形成過(guò)程中結(jié)構(gòu)模型

Fig 3 Structure model of CAE hardening progress

4 CAE微結(jié)構(gòu)模型和形成過(guò)程驗(yàn)證

在CAE的SEM照片中，由于不能直接觀測(cè)到水泥水化顆粒的存在，因而不能確定水泥水化產(chǎn)物對(duì)瀝青和樹脂的聯(lián)結(jié)作用，以及瀝青與樹脂互穿交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不能被直觀的觀察到。因此，本節(jié)擬使用汽油浸泡CAE，溶解去除CAE膠漿中的瀝青部分，暴露出水泥，同時(shí)，瀝青與樹脂的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形貌也可以被直接觀察到。具體實(shí)驗(yàn)方法為：

按照配比為A∶C=2，A∶E=5∶3配置CAE膠漿，于玻璃板上澆筑成厚約1～2 mm的圓形，自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，于105 ℃烘干脫水至質(zhì)量不發(fā)生變化為止。

稱取烘干CAE膠漿試塊重量m0后將試塊完全浸入汽油中24 h，取出后在105 ℃下烘干下2 h后稱重，然后重復(fù)在汽油中浸泡、烘干稱重操作，直至試塊質(zhì)量無(wú)變化為止，稱取試塊質(zhì)量m1，按照以下公式計(jì)算浸泡后試件質(zhì)量損失率Lr值

Lr=(m0-m1)/m0

對(duì)多個(gè)試塊采取上述操作，將浸泡試塊用的汽油稱重后于105 ℃下烘干，收集殘留物體(不小于10 g)，測(cè)量殘留物質(zhì)的燒失量LOI值，結(jié)果如表5所示。

表5 CAE膠漿汽油浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 5 Experimental results of CAE concrete after gasoline immersion

m1/gm0/gLr/%LOI/%CAE中瀝青含量/%0.5110.82337.999.0241

對(duì)經(jīng)過(guò)汽油浸泡-烘干循環(huán)操作至質(zhì)量變化的試塊進(jìn)行SEM掃描，結(jié)果如圖4所示。已知瀝青易溶于汽油，而環(huán)氧樹脂的固化物難溶于汽油，由表5可以看到，汽油殘留物燒失量達(dá)99.02%，Lr值為37.9%，而CAE中瀝青的含量為CAE中瀝青含量為41%，這說(shuō)明，絕大部分瀝青溶解于汽油中，此時(shí)的CAE膠漿主要只含有樹脂和水泥；汽油殘留物的燒失量高達(dá)99.02%，這說(shuō)明其主要成分為瀝青，無(wú)水泥顆粒，CAE膠漿的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有因?yàn)闉r青的溶解而發(fā)生破壞導(dǎo)致水泥顆粒剝落。

在圖4中浸泡后CAE照片中，可以清晰的觀察到，顏色較亮的環(huán)氧樹脂固化物網(wǎng)絡(luò)中，有被半包裹、半裸露的水泥水化顆粒存在；環(huán)氧樹脂固化物與水泥顆粒聯(lián)接非常緊密；環(huán)氧樹脂固化物成絲裝空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中有大量的聯(lián)通的孔洞與空隙。對(duì)比未浸泡的CAE照片，可知，水泥水化顆粒裸露的部分原本是被瀝青所包裹的，樹脂中的孔洞與空隙原本為瀝青所填充。

這說(shuō)明了，瀝青與樹脂分別覆蓋部分水泥水化產(chǎn)物表面，環(huán)氧樹脂所構(gòu)成的網(wǎng)架裝結(jié)構(gòu)可以清晰被觀察到，而其中聯(lián)通的孔洞與空隙說(shuō)明瀝青同樣呈連續(xù)的樹根般的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂與瀝青互相交雜、穿插，并通過(guò)作為介質(zhì)的水泥結(jié)合成一個(gè)整體。這印證了本文所提出的CAE微觀結(jié)構(gòu)的正確性。同時(shí)，這種微觀結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程也與之前的推論相吻合。

圖4 浸泡后CAE膠漿微結(jié)構(gòu)圖

Fig 4 Microstructure of CAE Mortar after gasoline immersion

5 結(jié) 論

(1) CAE膠漿具有良好的與鋼板粘結(jié)能力、耐高溫性能、韌性和水穩(wěn)定性，是一種非常適宜鋼橋面路面鋪裝用的材料。

(2) 在CAE膠漿中，瀝青與環(huán)氧樹脂通過(guò)水泥作為連接介質(zhì)呈空間網(wǎng)絡(luò)形式交雜、互穿，形成致密的整體，這種結(jié)構(gòu)使得CAE的強(qiáng)度、韌性、致密性都非常良好。

(3) 水泥-瀝青-環(huán)氧樹脂復(fù)合膠結(jié)體系微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中包括機(jī)械分散、互相作用、網(wǎng)絡(luò)形成與強(qiáng)度形成四個(gè)階段，只有在這種過(guò)程中，才有可能形成如CAE微觀結(jié)構(gòu)般的構(gòu)型。

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Research on microstructure model and structure formation mechanism of CAE

HUANG Shaolong1, JIN Fan1, SHEN Fan2, HU Shuguang3

(1. School of Material Science and Technology, Hubei University, Wuhan 430070, China;2. School of Material Science and Technology, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China;3. School of Material Science and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

CAE meet requirement for paving in steel bridge deck pavement materials, which possessing cohesiveness to steel plate, good flexibility and high temperature stability. This paper used SEM to investigate the micro morphology of CAE: asphalt and epoxy present hydration net structure connected by cement. It inferred that the formation of CAE including four processes: dispersion, reaction, net structure forming, strength development, which was validated by proper experiment.

CAE; microstructure model; structure formation mechanism

1001-9731(2016)12-12025-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51372184)

2015-11-25

2016-05-23 通訊作者：黃紹龍，E-mail: huangsl@hubu.edu.cn

黃紹龍 (1980-)，男，河北廊坊，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫G色多功能建筑材料及先進(jìn)鋪裝材料。

TQ635.55

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.005