环氧沥青自愈合抗拉伸性能试验研究

摘要：为研究酸酐组分对环氧沥青自愈合性能的影响，探讨优化酸酐与环氧树脂、固化剂等材料掺配比例，文章采用拉伸试验分析酸酐组分、养护参数等对环氧沥青断裂自愈合性能的影响。试验结果表明：随环氧沥青中酸酐组分的不断增加，拉伸强度也相应增加，拉伸应变逐渐劣化，环氧沥青断裂的自愈合能力显著下降，酸酐成分增加1倍，其拉伸性能恢复能力下降约50%；随养护时间的延长，环氧沥青的断裂自愈合拉伸强度、拉伸应变均显著增加，且养护8 h样品的拉伸应变能恢复到原样的90%以上；随养护温度提高，环氧沥青自愈合能力改善效果越显著，养护温度50 ℃条件下，其拉伸强度、拉伸应变能够恢复到80%左右；拉伸强度受温度影响较小，拉伸应变的温度敏感性更强；环氧沥青的自愈合能力与环氧树脂固化行为、沥青自身结构存在密切关系，通过优化降低酸酐组分比例，能够改善环氧沥青的自愈合能力，为工程应用提供新的思路。

关键词：环氧沥青；自愈合能力；拉伸性能；酸酐组分

中图分类号：U416.03A040133

0引言

随着我国在跨河、跨海桥梁建设方面的不断突破，环氧沥青因其优越的力学性能得到了广泛的推广应用，占桥面铺装材料的35%。但在桥面铺装层正常运营中发现传统的环氧沥青属热固性材料产生裂缝后易造成永久性破坏，与沥青粘塑性材料存在较大差异，大量试验表明其不具备自愈合的能力或自愈合能力微弱。因此，针对环氧沥青铺装层的问题开展了相应的研究，如荆儒鑫等［1］分析了固化温度、剪切速率及组分比例对环氧沥青黏度特性的影响，提出剪切速率过快会破坏固化结构组成，适量增加基质用量能够降低其工程成本，并结合工程应用标准，提出了环氧沥青合理的工程施工参数。周橙琪等［2］采用微观手段对国产环氧沥青的微观固化形态、固化行为及力学性能进行研究，发现固化温度、升温速率均影响环氧沥青的固化放热量，且基质沥青不参与环氧树脂的固化反应，仅具有稀释功能作用。廖义鹏等［3］针对环氧沥青改性剂的柔韧性、低温抗裂及相容性问题的应用现状开展了调研分析，结合不同类型环氧沥青的最新研究成果，围绕在实体工程中应用情况，提出了需要在改善改性剂固化行为、力学性能方面开展进一步研究，着重强调了简单改性工艺与复合改性的发展趋势。黄红明等［4］研究了不同组分比例的环氧沥青N-EA的固化反应以及从热塑性到热固性的玻璃化转变温度。提出了最佳掺配比例下的容留时间、容留温度及弯拉模量，为N-EA施工现场提前开放交通提供了基础数据。李款等［5］对石油沥青与环氧树脂的相容性展开了相关调研，提出酸酐化改性、优化增溶剂和固化剂等是改善基质沥青与环氧树脂相容性的关键材料，并明确了钢桥面铺装过程中的关键缺陷问题，为后续研究提供了方向。

综上所述，环氧沥青材料在我国桥面结构中得到了良好推广，但对该类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。本文依据前期研究成果，分析了酸酐组分、养护参数对环氧沥青自愈合拉伸性能的影响，为后期推广应用提供借鉴。

1原材料及试验方案

1.1原材料

試验选择壳牌A级90#基质沥青，丁烯二酸酐（MAH）和环氧树脂E-51为张家港雅瑞化工有限公司产品，促进剂为常州山峰化工有限公司生产DMP-30产品。相关试验结果见表1～3。

1.2试验方案

环氧沥青一般用于桥面铺装层，与常规基质沥青的粘弹特性不同，环氧沥青属热固性材料，一旦发生裂缝破坏，其不具备自愈合的能力，故研究采用拉伸试验分析不同作用因素下环氧沥青的自愈合能力，具体方案如下：

（1）环氧沥青配合比设计。环氧沥青A组分为90#基质沥青、MAH和DMP-30，B组分为E-51环氧树脂。在120 ℃烘箱中均匀加热各材料2～3 h，按照试验制定比例均匀混合A、B组分，调整搅拌器转速为500 r/min，均匀搅拌5～6 min使其充分融合；将样品倒入提前制备的拉伸试验模具，在烘箱120 ℃下养护相应的时间后取出模具，即得到拉伸试验样品。本文环氧沥青配合比优化主要为基质沥青与MAH的组分变化，其配合比分别为100∶1.5、100∶3.0、100∶4.5，A、B组分比例为10∶30。

（2）拉伸试验设计。拉伸试验主要依据《硫化或热塑性橡胶拉伸应力应变特性的测定》（GB/T 528-2009/ISO 37：2005）中的相关要求，分析指标为拉伸强度、断裂伸长率、恢复率。酸酐组分能够调节环氧沥青力学性能，如延长固化时间、提高力学强度等。研究其组分、养护时间、养护温度等参数变化对环氧沥青性能的影响，主要通过建立拉伸应变-拉伸强度之间的关系进行辨析，判断不同组分对其性能影响的优劣，以下是试验步骤：

①通过对浇筑良好的环氧沥青样品（标准哑铃形状）在中间进行垂直切断，样品总长为75 mm，其中拉伸细颈部分长度为25 mm、宽度为4 mm、厚度为2 mm。

②将样品放至室内24 h（标准室内温度），从拉伸细颈中间部位切断样品，并完整对接（无外力作用）养护。分析不同养护温度（30 ℃、50 ℃、60 ℃）和不同养护时间（2 h、6 h、8 h、10 h）下的拉伸力学性能。

2组分变化对自愈合性能的影响分析

不同组分比例的环氧沥青中间垂直切断后在60 ℃环境下养护10 h，然后进行拉伸试验（拉伸速率为100 mm/min），试验结果见图1。同时，为对比环氧沥青断裂自愈合后拉伸性能恢复情况，原样沥青拉伸试验结果见图2。

由图1、图2可知：

（1）无论是原样环氧沥青样品还是自愈合环氧沥青样品，随拉伸应变的增加，拉伸强度均呈增加趋势，且自愈合环氧沥青样品的应力集中现象更显著。对于原样环

氧沥青样品，不同组分比例的断裂拉伸强度值存在显著差异，3种样品的断裂拉伸强度值大小规律为100∶4.5＞100∶3.0＞100∶1.5，断裂拉伸应变关系为100∶1.5＞100∶3.0＞100∶4.5。由此说明，组分变化对环氧沥青拉伸性能存在显著影响，随环氧沥青中酸酐成分的增加，环氧沥青的拉伸性能也增加，但拉伸应变能力逐渐劣化。

（2）自愈合环氧沥青样品的拉伸性能呈下降趋势变化，且不同组分比例样品的变化幅度也不同。3种样品拉伸强度和拉伸应变的断后自愈合恢复情况见图3，随环氧沥青中酸酐成分增加，其断裂后的自愈合能力显著下降，酸酐成分增加1倍，其拉伸性能恢复能力下降约50%，如样品100∶4.5、100∶3.0、100∶1.5的断裂自愈合拉伸强度恢复率分别为24.3%、51.0%、75.9%，伸长率的恢复率分别为28.5%、58.1%、64.1%。说明酸酐能够增强环氧沥青的固化能力，酸酐含量越多，在环氧沥青内部形成的密集网络结构越显著，其断裂拉伸强度越大。但网络结构也束缚了环氧沥青的拉伸应变能力，造成拉伸应变逐渐下降。在不影响其力学性能情况下，环氧沥青的组分变化应以酸酐含量为主要控制指标，保证其自愈合能力。

綜上所述，酸酐成分有利于改善环氧沥青的拉伸强度，但降低了抗变形能力。组分100∶3、100∶4.5环氧沥青的最大拉伸强度分别提高约71.4%、179.5%，而拉伸应变分别下降了8.6%、18.5%（与100∶1.5相比）。当酸酐成分比例增加1.5%，拉伸强度改善效果远大于拉伸应变的劣化效果。但拉伸应变也是评价环氧沥青抗变形能力关键指标之一，表征了环氧沥青混合料在桥面铺装层中抗疲劳性能的优劣。同时，根据以上3种环氧沥青断裂自愈合后的拉伸强度、拉伸应变恢复率也说明酸酐成分对环氧沥青存在不同性能影响，由于100∶4.5环氧沥青两项恢复率分别为24.3%和28.5%，综合考虑MAH能够显著改善环氧沥青的力学强度及对拉伸应变的劣化作用，因此折中选择基质沥青：MAH为100∶3作为环氧沥青A组分最佳比例。

3养护时间对自愈合性能的影响分析

依据前述分析结果，选择基质沥青与MAH的组分比例为100∶3的环氧沥青样品进行研究，分析养护时间变化对其断裂自愈合拉伸性能的影响，养护温度为60 ℃，试验结果见图4～5。

由图4～5可知，养护时间对样品的自愈合拉伸性能影响显著，随养护时间延长，断裂自愈合拉伸强度、拉伸应变呈增加趋势。其中，养护2 h样品的拉伸性能急剧下降，断裂拉伸强度、拉伸应变分别为0.46MPa和125.7%，其二者的恢复率分别为46.9%和59.4%。说明环氧沥青样品断裂后，在没有外力的作用下其内部固化行为持续进行，沥青分子间的运动随时间的延长逐渐扩散，养护时间越长，在断裂处形成的交联网络更均匀。如养护8 h的样品，拉伸应变能够恢复到90%以上，断裂拉伸强度、拉伸应变分别为0.78MPa和192.7%，其二者的恢复率分别为79.6%和91.1%，显示了环氧沥青具备自愈合能力。

4养护温度对自愈合性能的影响分析

对于养护温度变化对环氧沥青断裂后自愈合拉伸性能影响（养护时间为10 h），试验结果见图6～7。

由图6～7分析可知：

（1）养护温度的升高有利于环氧沥青自愈合能力的提升，养护温度30 ℃和50 ℃样品的拉伸强度恢复率分别为65.4%和79.6%，伸长率恢复率分别为51.9%和82.6%。说明养护温度越高，越有利于沥青、酸酐及环氧树脂的固化行为，能够加速固化进程，在断裂面形成较多交联结构，提高其自愈合能力。

（2）养护温度30 ℃和50 ℃下的环氧沥青拉伸强度、伸长率的恢复率呈相反关系，在30 ℃的拉伸强度恢复率显著高于伸长率恢复率，而50 ℃的拉伸强度恢复率较伸长率恢复率低，说明环氧沥青的拉伸强度性能受温度影响较小，而拉伸应变的温度敏感性更为显著。如养护温度30 ℃和50 ℃的拉伸强度恢复率相差14.2%，而应变伸长率恢复率相差30.7%。同时，从应力-应变曲线可知，养护温度50 ℃和60 ℃的样品曲线变化几乎相一致，仅在破坏时的最大拉伸强度、拉伸应变值不同。

5结语

（1）酸酐组分变化对环氧沥青力学拉伸性能具有显著影响，随MAH酸酐成分的增加，其拉伸强度呈逐渐增加趋势，而拉伸应变呈逐渐劣化状态。随MAH酸酐成分增加，环氧沥青断裂后的自愈合能力显著下降，酸酐成分增加1.5%，其拉伸强度、拉伸应变恢复率下降约50%，因此提出基质沥青与MAH的最佳比例为100∶3。

（2）随养护时间的延长，环氧沥青的断裂自愈合拉伸强度、拉伸应变呈显著增加趋势。当养护时间＜6 h，其断裂强度力学性能恢复率仅为65%；养护8 h后的伸长率力学性能恢复到90%以上。随养护温度的升高，环氧沥青自愈合能力改善效果越显著，养护温度在50 ℃时，其拉伸强度、拉伸应变能够恢复到80%左右。

（3）不同温度下环氧沥青自愈合后的拉伸强度受温度影响较小，而拉伸应变的温度敏感性更强。养护温度30 ℃和50 ℃应变伸长率恢复率相差达到30.7%；养护温度50 ℃和60 ℃的拉伸强度-拉伸应变曲线变化几乎一致，而养护8 h、10 h的曲线变化差异显著，说明养护温度、养护时间对环氧沥青自愈合能力的影响并不一致，且温度影响更为显著。

参考文献

［1］荆儒鑫，PANOS APOSTOLIDIS，刘学岩.环氧沥青固化过程中的粘度特性［J］.重庆大学学报，2022，45（3）：83-87.

［2］周橙琪，曹东伟，青健，等.国产高温拌合型环氧沥青的固化行为与性能［J］.高分子材料科学与工程，2019，35（10）：102-107，114.

［3］廖义鹏，李高，叶流颖，等.环氧沥青改性剂研究进展［J］.应用化工，2019，48（1）：202-205.

［4］黄红明，曾国东，徐伟，等.环氧沥青固化反应机理及施工控制性能研究［J］.建筑材料学报，2020，23（4）：941-947.

［5］李款，潘友强，张辉，等.钢桥面铺装用环氧沥青相容性研究进展［J］.材料导报，2018，32（9）：1 534-1 540.

作者简介：覃春娥（1989—），工程师，主要从事高速公路试验检测、资料管理等工作。