环氧沥青混合料微观结构研究

许龙

广州市市政工程维修处

摘要：空隙率是混合料压实关键控制指标，为评价较大空隙率对环氧沥青混合料性能影响，研究了空隙率偏高时（＞3%），环氧沥青混凝土在冻融循环试验条件下的损坏机理。通过荧光显微镜、扫描电子显微镜观察分析了冻融循环处理前后环氧沥青的微观结构的变化。并且通过环氧沥青拉伸试验、冻融劈裂试验，研究冻融循环处理对环氧沥青及其混合料性能的影响。研究表明，混合料空隙率较大时，不利于环氧沥青混凝土的水稳定性，因此，环氧沥青铺装混合料宜控制空隙率低于3%。

关键词：空隙率；环氧沥青混凝土；微观结构；拉伸试验

环氧沥青的热固性特点，其固化过程是不可逆的化学固化反应过程。它从根本上改变了普通基质沥青的热塑性，使得沥青混合料力学性能和路用性能有了质的改变和提升。吴伟等[1]，通过高速摄像系统和扫描电子显微镜（SEM）研究环氧聚合物的破坏机理。周威等[2]，研究了实验室配置的环氧沥青水损害的破坏机理。环氧沥青混合料空隙率一般低于3%，处于不透水状态，如果空隙率偏高，对环氧沥青混合料的水稳性的影响尚不明确，本文主要研究环氧沥青以及环氧沥青混合料的微观结构，以及经过冻融处理后，环氧沥青组分是否会发生性能和结构的破坏，以及破坏程度和破坏发生的机理。

1、材料组成及试验条件

本文研究中采用的环氧沥青胶结料为日本近代化成株式会社生产的KD-BEP（原名TAF）环氧沥青，环氧树脂配比为主剂：固化剂=56：44；沥青为A-70基质沥青，环氧沥青配比为：基质沥青：环氧树脂=50：50。采用三种微观试验方案分别研究冻融循环前后，环氧沥青微观结构的变化情况，以及产生这种变化的原因，五种试验方案见表2-1所示。参考试验T0729-2000将其经过3次冻融循环处理。采用三氯乙烯刻蚀制备好的环氧沥青试件和经过冻融处理后的环氧沥青试件。在此基础上分析环氧沥青微观结构及水损害机理，并结合性能试验验证微观表现。

表1三种微观研究试验方案简介

2.环氧沥青在荧光显微镜下的微观形貌

参考文献：[4]的试验方法，环氧沥青在荧光显微镜下的图像如下图。

图1冻融前荧光显微镜照片

图2冻融后荧光显微镜照片

图1与2显示，经过3次冻融循环处理后，环氧沥青仍然保持着空间网状的结构，但是，图2中出现较多的蝌蚪状的沥青颗粒，不再是图1中圆形的颗粒，表明沥青有明显的移动、变形发生。其原因分析是由于冻融循环的过程中，水份进入环氧沥青体系中，使得环氧沥青形成的空间网状结构产生形变。

3.环氧沥青混合料在SEM下的微观形貌

试验采用Quanta200环境扫描电子显微镜（简称SEM）参考文献：[5]中的试验方法，查看环氧沥青及其混合料的微观形貌。

环氧沥青的SEM照片见图3-6。参考黄红明[4]的研究成果可知，图3环氧沥青形成了环氧树脂包裹基质沥青的空间网状结构。比较环氧沥青冻融前后的SEM照片发现：经过冻融后的环氧沥青看不到图4中沥青的球形形状，看到的是椭圆形的沥青，结合之前的荧光显微镜照片，可以发现环氧包裹沥青的网状结构没有发生本质变化，但是沥青颗粒间由于冻融循环的处理发生了团聚现象。比较环氧沥青刻蚀前后的SEM照片，也进一步验证了环氧沥青形成了环氧树脂包裹基质沥青的空间网状结构。比较刻蚀后冻融与未冻融的环氧沥青SEM照片，同时比较冻融后的环氧沥青刻蚀前后的SEM照片，冻融后的环氧沥青样品经过刻蚀后，环氧树脂的空间网状结构不明显，看不到图5中沥青被刻蚀掉的明显凹槽。可以说明环氧沥青经过冻融循环处理后，沥青颗粒发生了团聚现象，并且部分沥青从环氧树脂连续相中析出，环氧沥青的空间网状结构出现破坏迹象。

图3环氧沥青样品1000×时SEM照片图4冻融后样品1000×时SEM照片

图5环氧沥青刻蚀样品1000×时SEM照片图6冻融+刻蚀样品1000×时SEM照片

4性能试验

4.1拉伸试验

通过拉伸试验测定胶结料的抗拉强度和破坏时的断裂伸长率，通过这两个指标能够评价胶结料的性能好坏，其试验结果如表2。

表2拉伸试验结果（试验温度25℃）

表4数据表明冻融前后，环氧沥青混凝土的疲裂强度下降了30.2%。可以认为，空隙率较大的环氧沥青混凝土容易受到水的损坏。

5结论

本文观察分析了冻融循环处理前后环氧沥青的变化，从微观上分析了环氧沥青的水损害机理。同时通过性能试验验证了冻融循环处理对环氧沥青及其混合料性能的影响。环氧沥青的荧光显微镜照片表明，环氧沥青经过有水条件下冻融循环处理后，环氧沥青空间网状结构受到影响，其中沥青颗粒发生明显的移动、团聚的迹象，并且严重时，沥青颗粒从环氧沥青的网状结构中析出。环氧沥青的SEM试验照片同样也能表明，经过冻融循环处理后，环氧包裹沥青的空间结构受到影响，沥青颗粒发生团聚现象，甚至从环氧树脂分离出来。通过拉伸性能试验直观反映了冻融循环前后环氧沥青拉伸试验指标的影响，表明空隙率过大，水分容易进入环氧沥青混凝土中，更加容易产生水损破坏，而当空隙率小于3%，水分不能进入环氧沥青混合料中，不会产生由水引起的破坏。因此，钢桥面铺装环氧沥青混合料推荐使用空隙率低于3%的密实性混合料。

参考文献：

[1]WuWei，MaGuowei.Failuremechanismofepoxypolymer：transitionfromductiletobrittlefailure.FourthInternationalConferenceonExperimentalMechanics，Proc.ofSPIEVol.7522，2010

[2]周威，赵辉，文俊，蔡芳昌，蒋涛.环氧沥青混凝土的水损坏机理研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2015，01：54-59.

[3]XJia，BHuang.InvestigationintoTackCoatFailureCaseinOrthotropicSteelBridgeDeckOverlay：Survey，Analysis，andEvaluation.TransportationResearchRecordJournaloftheTransportationResearchBoard.2014（2444）

[4]黄红明.热拌环氧沥青钢桥面铺装材料评价与应用研究[D].华南理工大学，2013.

[5]王勋.高比例RAP厂拌热再生沥青混合料微观机理与性能试验研究[D].华南理工大学，2014