高早強(qiáng)水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青-水泥快速修復(fù)材料性能研究*

郝肖雨，田耀剛，趙 成，黃顯龍，紀(jì) 括，齊 琳，賈 侃

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064；2.西北民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075)

0 引 言

瀝青路面因具有良好的行車舒適性、耐磨性和易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路建設(shè)之中，但其在服役過程中頻繁遭受環(huán)境因素和車輛荷載的綜合作用，極易過早出現(xiàn)坑槽等病害。坑槽病害易在行車荷載的作用下進(jìn)一步發(fā)展，不僅會(huì)加速路面的破壞、縮短路面服役壽命，還會(huì)影響行車安全，所以需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行快速修補(bǔ)[1]。

坑槽病害一般在雨季集中爆發(fā)，此類病害規(guī)模較小且比較分散，加之環(huán)境降水的影響，常用的熱拌瀝青混合料等修復(fù)材料難以取得預(yù)期修復(fù)效果、且易在短期內(nèi)出現(xiàn)二次破壞等現(xiàn)象[2-4]。針對(duì)以上問題，有學(xué)者[5]利用水泥復(fù)配乳化瀝青制備了瀝青路面坑槽快速修復(fù)材料，發(fā)現(xiàn)其具有良好的路用性能、耐久性能，修復(fù)后沒有出現(xiàn)坑槽、剝落等二次破壞現(xiàn)象。為進(jìn)一步縮短維修等待時(shí)間，Jiusu等[6]研究了乳化瀝青改性磷酸鎂水泥快速修復(fù)材料，發(fā)現(xiàn)其與原路面的黏結(jié)性良好，且具有良好路用性能。然而，水泥乳化瀝青修復(fù)材料仍然存在剛度大、邊角無法充分壓實(shí)等問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)[7-8]。水性環(huán)氧樹脂具有良好的黏結(jié)性且與水泥、乳化瀝青的適應(yīng)性良好?；诖擞袑W(xué)者采用水性環(huán)氧樹脂、水泥與乳化瀝青復(fù)配制備了快速修復(fù)材料，研究了水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青-水泥(EAC)復(fù)合材料的配合比組成和結(jié)構(gòu)對(duì)其界面黏結(jié)性及耐久性的影響，并初步應(yīng)用于橋面鋪裝及瀝青路面的修復(fù)[9-11]。然而，目前還缺乏對(duì)EAC修復(fù)材料力學(xué)和路用性能的系統(tǒng)研究。

鑒于此，本文利用水性環(huán)氧樹脂、乳化瀝青和膠凝材料三者進(jìn)行復(fù)合，制備一種高早強(qiáng)、穩(wěn)定性優(yōu)良的EAC快速修復(fù)材料,研究不同水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)其力學(xué)性能和路用性能的影響，并采用XRD、SEM和IR對(duì)其微觀特性進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：本文以P·O 42.5水泥為基礎(chǔ)材料，并添加具有高早強(qiáng)的特種水泥和激發(fā)組分制備膠凝材料，其主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 膠凝材料的物理性質(zhì)

水性環(huán)氧樹脂：采用HA型水性環(huán)氧樹脂及其配套HB型固化劑混合均勻復(fù)配而成，其主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 水性環(huán)氧樹脂與固化劑的性能參數(shù)

乳化瀝青：采用慢裂型陽離子乳化瀝青，其主要性能如表3所示。

表3 乳化瀝青的主要性能

集料：采用5～15 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r作為粗集料，壓碎值為12.6%；細(xì)集料為河砂，表面潔凈，質(zhì)地堅(jiān)硬，細(xì)度模數(shù)為2.7。

纖維：采用聚丙烯纖維，長度為6 mm，直徑為20 μm，抗拉強(qiáng)度大于358 MPa，密度為0.91 g/cm3。

外加劑：采用萘系高效減水劑，減水率為25.2%；消泡劑和膨脹劑分別為磷酸三丁酯消泡劑和UEA膨脹劑。

1.2 配合比

為探究水性環(huán)氧樹脂對(duì)EAC快速修復(fù)材料力學(xué)性能的影響，采用砂漿試件進(jìn)行測試。水性環(huán)氧樹脂摻量分別為0 g(EAC-Ⅰ)、12 g(EAC-Ⅱ)、24 g(EAC-Ⅲ)和36 g(EAC-Ⅳ)。配合比如表4所示。

表4 砂漿與混凝土試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

抗壓、抗折強(qiáng)度依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)進(jìn)行測試。

高低溫性能、水穩(wěn)定性依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行測試，試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

采用X射線衍射儀對(duì)不同齡期試件各相組成的結(jié)晶情況進(jìn)行掃描測試，掃描范圍為5～70°；采用日立S-4800掃描電子顯微鏡對(duì)試件的微觀形貌進(jìn)行觀測；采用傅立葉紅外光譜儀對(duì)試件的分子結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行測試。XRD和紅外光譜所用試樣均為粒徑小于75 μm的研磨粉末，SEM試樣為力學(xué)試驗(yàn)破碎后的塊狀樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)EAC快速修復(fù)材料2 h和28 d齡期抗壓、抗折強(qiáng)度的影響如圖1、2所示。由圖可知，在2 h齡期，EAC-Ⅱ、EAC-Ⅲ和EAC-Ⅳ的抗壓、抗折強(qiáng)度略低于EAC-Ⅰ，且隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，強(qiáng)度有所降低；但28 d齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度較2 h時(shí)有顯著提高。這是由于水性環(huán)氧樹脂吸附于膠凝材料的表面，使其不能與水充分接觸，延緩了膠凝材料的水化，且摻量越大延緩效果越明顯；另一方面，膠凝材料水化生成了CH,使pH值較高，呈堿性環(huán)境，促進(jìn)了水性環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，形成的固化薄膜裹附于膠凝材料表面，同樣使水化產(chǎn)物的生成速率降低，進(jìn)而導(dǎo)致該修復(fù)材料的早期強(qiáng)度有些許降低[12]。但隨著齡期的增長，膠凝材料的水化程度顯著增加，生成的水化產(chǎn)物為該修復(fù)材料提供了一定的強(qiáng)度；此外，水性環(huán)氧樹脂的固化也逐漸完成，水性環(huán)氧樹脂的固化薄膜與瀝青薄膜和膠凝材料水化產(chǎn)物連接形成較為穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大了各組分之間的黏結(jié)性，進(jìn)而提高了EAC快速修復(fù)材料的強(qiáng)度[13]。

圖1 水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)2 h抗壓、抗折強(qiáng)度的影響

圖2 水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)28 d抗壓、抗折強(qiáng)度的影響

2.2 路用性能

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)EAC快速修復(fù)材料動(dòng)穩(wěn)定度的影響如圖3所示。由圖可知，EAC-Ⅰ的動(dòng)穩(wěn)定度為28 801次/mm，摻加水性環(huán)氧樹脂的修復(fù)材料動(dòng)穩(wěn)定度高于EAC-Ⅰ，且隨其摻量提高表現(xiàn)出增大的趨勢。EAC-Ⅱ和EAC-Ⅲ的動(dòng)穩(wěn)定度分別為30 257和31 496次/mm，與EAC-Ⅰ相比，分別提高了5%和9%；EAC-Ⅳ的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了最大值31 890次/mm，比EAC-Ⅰ的動(dòng)穩(wěn)定度提高了11%。水性環(huán)氧樹脂為熱固性材料，具有良好的耐高溫性能[14]；此外，水性環(huán)氧樹脂固化后形成的固化產(chǎn)物與乳化瀝青、膠凝材料水化產(chǎn)物等形成了復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使空隙率下降，增加了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，從而提高了高溫抗車轍變形的能力[11]。

圖3 水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)EAC快速修復(fù)材料高溫性能的影響

2.2.2 低溫抗裂性

水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)EAC快速修復(fù)材料極限彎拉應(yīng)變和彎拉勁度模量的影響如圖4所示。由圖可知，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增大，混合料的極限彎拉應(yīng)變表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，而彎拉勁度模量呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。EAC-Ⅰ的極限彎拉應(yīng)變和彎拉勁度模量分別為1905 με、4361 MPa；與EAC-Ⅰ相比，EAC-Ⅱ和EAC-Ⅲ的極限彎拉應(yīng)變分別提高了2.5%和4.5%，彎拉勁度模量分別降低了5%和9.4%。EAC-Ⅳ的極限彎拉應(yīng)變和彎拉勁度模量分別為1 895 με、4 311 MPa，較EAC-Ⅰ分別下降了0.5%和1.1%。水性環(huán)氧樹脂摻量較小時(shí)，其固化產(chǎn)物可與破乳后的瀝青、膠凝材料水化產(chǎn)物形成相互穿插的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生類似纖維的加筋作用，共同抵抗溫度應(yīng)力，從而使修復(fù)材料在低溫下不會(huì)過早開裂[15]。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量過多時(shí)，其固化后的低溫硬脆特性逐漸顯現(xiàn)，降低了修復(fù)材料的低溫抗裂性[16]。因此，水性環(huán)氧樹脂的摻量適宜時(shí)可提高EAC快速修復(fù)材料的低溫抗裂性，摻量過大時(shí)反而使其低溫性能下降。

圖4 水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)EAC快速修復(fù)材料低溫性能的影響

2.2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)EAC快速修復(fù)材料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同水性環(huán)氧樹脂摻量下，EAC快速修復(fù)材料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度如圖5所示。由圖5(a)可知，EAC-Ⅰ、EAC-Ⅱ、EAC-Ⅲ和EAC-Ⅳ的浸水殘留穩(wěn)定度分別為91.1%、92.9%、95%和98.7%，即隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增大，浸水殘留穩(wěn)定度隨之增大；由圖5(b)可知，凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)比表現(xiàn)出與浸水殘留穩(wěn)定度相同的變化規(guī)律。綜合浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，該修復(fù)材料的水穩(wěn)定性良好。這主要是由于水性環(huán)氧樹脂經(jīng)過固化反應(yīng)后穩(wěn)定性優(yōu)良，且與乳化瀝青和膠凝材料水化產(chǎn)物緊密連接，提高了結(jié)構(gòu)的致密性，對(duì)連通孔隙有封堵作用，使水分難以進(jìn)入混合料內(nèi)部，增強(qiáng)了抵抗水侵蝕的能力[11]。

圖5 水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)EAC快速修復(fù)材料水穩(wěn)定性的影響

2.3 微觀分析

2.3.1 XRD結(jié)果分析

采用X射線衍射儀對(duì)EAC-Ⅰ和EAC-Ⅲ進(jìn)行XRD分析，測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，在2 h齡期，EAC-Ⅲ中AFt和CH的衍射峰強(qiáng)度均低于EAC-Ⅰ，表明水性環(huán)氧樹脂的摻入延緩了膠凝材料早期水化進(jìn)程，這是因?yàn)樗原h(huán)氧樹脂中的羥基、酯基等親水基吸附于膠凝材料表面，進(jìn)而延緩了膠凝材料的水化；另一方面，水性環(huán)氧樹脂中的羥基和酯基水解的羧酸在環(huán)氧樹脂固化初期可與Ca2+形成配位絡(luò)合物，使水性環(huán)氧樹脂吸收了部分Ca2+，抑制了CH的結(jié)晶，這是EAC快速修復(fù)材料早期力學(xué)性能降低的主要原因。隨著齡期的增加AFt和CH的衍射峰強(qiáng)度增大，這是因?yàn)樗笃?，水性環(huán)氧樹脂中的羥基和酯基水解的羧酸與Ca2+的相互作用達(dá)到了飽和狀態(tài)，被水性環(huán)氧樹脂包裹的膠凝材料繼續(xù)水化，AFt和CH的生成量隨之增多，表明水性環(huán)氧樹脂只能延緩膠凝材料的水化，不能阻止水化進(jìn)程。

圖6 EAC-Ⅰ和EAC-Ⅲ的XRD對(duì)比分析

2.3.2 SEM結(jié)果分析

通過掃描電鏡測試分析EAC-Ⅰ、EAC-Ⅲ試樣2 h和28 d齡期的微觀形貌，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。由圖7(a)可知，2 h齡期的EAC-Ⅰ微觀形貌表現(xiàn)為乳化瀝青與膠凝材料水化產(chǎn)物相互搭接的結(jié)構(gòu)，針棒狀的AFt和絮狀成團(tuán)的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物穿插于乳化瀝青之間，內(nèi)部孔隙較大。由圖7(b)可知，2 h齡期的EAC-Ⅲ中僅有少量針棒狀A(yù)Ft，表明水性環(huán)氧樹脂的摻入在一定程度上延緩了膠凝材料的水化。圖8(a)表現(xiàn)出，28 d齡期的EAC-Ⅰ中沒有明顯的針棒狀A(yù)Ft和絮狀成團(tuán)的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物，而有大量的不規(guī)則凸起形態(tài)，這是由乳化瀝青薄膜裹附于膠凝材料水化產(chǎn)物之上形成的，且此時(shí)的孔隙較2 h齡期時(shí)有所減少，這是因?yàn)殡S著水化齡期的增長，水化產(chǎn)物不斷填充孔隙，使結(jié)構(gòu)更加致密。圖8(b)表現(xiàn)出，有連續(xù)薄膜形成，孔隙數(shù)量和孔徑都明顯下降，且此時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)較2 h齡期時(shí)更加致密。這是由于隨著膠凝材料水化、乳化瀝青破乳及水性環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，膠凝材料水化產(chǎn)物、破乳后的瀝青、固化后的環(huán)氧樹脂相互搭接，形成彼此交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了整體結(jié)構(gòu)的致密性，故對(duì)提高EAC快速修復(fù)材料的路用性能具有積極的作用[17]。

圖7 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的2 h SEM圖

圖8 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的28 d SEM圖

2.3.3 紅外光譜分析

分別對(duì)EAC-Ⅰ和EAC-Ⅲ進(jìn)行紅外光譜分析，測試結(jié)果如圖9、10所示。從紅外光譜中可以看出EAC-Ⅰ和EAC-Ⅲ所共有的特征：在520 cm-1處是β-C2S的伸縮振動(dòng)吸收峰，用于判斷C-S-H凝膠的形成過程；在1 111 cm-1處是[SO4]的伸縮振動(dòng)吸收峰，用于判斷AFt的形成過程；在1 428 cm-1處是C-O的伸縮振動(dòng)吸收峰，這是由于試樣放置于空氣中，吸收了空氣中的CO2造成的；在2 852、2 923 cm-1處是-CH2-和-CH3-的伸縮振動(dòng)吸收峰。從圖9可看出，隨著水性環(huán)氧樹脂的摻入，1 111和520 cm-1伸縮振動(dòng)吸收峰有所下降，即膠凝材料水化產(chǎn)物AFt和C-S-H凝膠的產(chǎn)量降低，這說明水性環(huán)氧樹脂的摻入在一定程度上阻礙了膠凝材料的水化進(jìn)程，導(dǎo)致水化產(chǎn)物的數(shù)量有所減少。從圖10可看出，隨著齡期的增長，1 111和520 cm-1伸縮振動(dòng)吸收峰有所升高，即水化產(chǎn)物AFt和C-S-H凝膠的產(chǎn)量不斷增多，水化程度加強(qiáng)，表明水性環(huán)氧樹脂的摻入只能延緩膠凝材料的水化，不能阻止水化進(jìn)程，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了XRD的測試結(jié)果。

圖9 EAC-Ⅰ和EAC-Ⅲ的2 h紅外光譜測試結(jié)果

圖10 EAC-Ⅲ的2 h、28 d紅外光譜測試結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)在2 h齡期，EAC-Ⅱ、EAC-Ⅲ和EAC-Ⅳ的抗壓、抗折強(qiáng)度略低于EAC-Ⅰ，并且隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，該修復(fù)材料的強(qiáng)度逐漸降低。然而，隨著齡期的增長，水性環(huán)氧樹脂的摻入對(duì)后期強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較為顯著。

(2)水性環(huán)氧樹脂的摻入可以改善EAC快速修復(fù)材料的高、低溫性能以及水穩(wěn)定性。與EAC-Ⅰ相比，EAC-Ⅲ的動(dòng)穩(wěn)定度提高了9%、極限彎拉應(yīng)變提高了4.5%、彎拉勁度模量降低了9.4%；EAC-Ⅲ的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度分別為95%和92.2%。

(3)微觀分析表明，水性環(huán)氧樹脂在一定程度上延緩了膠凝材料的水化，但不能阻止水化進(jìn)程；摻加的水性環(huán)氧樹脂固化后可與膠凝材料水化產(chǎn)物、破乳后的瀝青形成連續(xù)薄膜，提高EAC快速修復(fù)材料的致密性，進(jìn)而改善其力學(xué)性能及路用性能。