張恒龍，賀求生

(1.湖南大學(xué) 綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082；2.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410205)

0 引言

目前國內(nèi)外大跨徑橋梁多采用正交異性鋼橋面板，其與鋼筋混凝土橋面板相比，能大幅減輕自重并改善橋梁的受力狀況，但結(jié)構(gòu)本身的特殊性及鋼材不同方向剛度的較大差異，使其在各個(gè)方向產(chǎn)生不均勻變形，使橋面鋪裝較普通路面結(jié)構(gòu)更難設(shè)計(jì)。常用的鋼橋面鋪裝材料有環(huán)氧瀝青混凝土、瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)及澆注式瀝青混凝土，其中環(huán)氧瀝青混凝土以高強(qiáng)度、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和良好的黏結(jié)性能等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用。自從20世紀(jì)60年代殼牌環(huán)氧瀝青鋪裝在San Mateo-Hayward大橋首次應(yīng)用以來，現(xiàn)已成為美國大跨徑鋼橋面鋪裝的主要形式，累計(jì)使用量超過22 500 t，總面積達(dá)到了11 km2。我國是世界上采用環(huán)氧瀝青鋪裝最主要的國家之一，有百余座大型鋼箱梁橋采用該類方案，比較著名的有南京長江二橋、虎門大橋、蘇通長江大橋等。此外，世界上其他國家如日本、泰國、德國也有大量應(yīng)用。

環(huán)氧瀝青是環(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生固化反應(yīng)并與基質(zhì)瀝青及其他添加劑混合形成的高性能材料。隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)氧瀝青逐漸形成以環(huán)氧樹脂為連續(xù)相、瀝青為分散相的三維網(wǎng)絡(luò)體系，這種體系從根本上改變了基質(zhì)瀝青的熱塑性，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性好、抗老化性能佳的熱固性復(fù)合物[1]。相較于傳統(tǒng)鋪裝材料，環(huán)氧瀝青混凝土無可比擬的優(yōu)勢使其在更高要求的鋼橋面鋪裝中極具競爭力，逐漸成為鋼橋面鋪裝的主要材料。

在諸多工程案例中，環(huán)氧瀝青鋪裝層在使用過程中易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，一旦裂縫未能及時(shí)修復(fù)，雨水滲入橋面板，將銹蝕鋼材，帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失。眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青混凝土固化后彈性模量變大、變形協(xié)調(diào)能力變差，在低溫條件或重復(fù)荷載作用下易產(chǎn)生裂縫[2]，因而，改善環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性(變形能力、抗疲勞能力)能從材料上降低鋪裝層開裂的幾率，延長橋梁的使用壽命。通過對鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青研究成果進(jìn)行分析，指出了當(dāng)前環(huán)氧瀝青應(yīng)用中出現(xiàn)的柔韌性問題、綜述了環(huán)氧瀝青增柔增韌技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1 鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青柔韌性問題

鋪裝層直接鋪筑在鋼橋面板上，在復(fù)雜的車輛荷載、溫度荷載、風(fēng)荷載等共同作用下，橋面板常處于大變形和恢復(fù)交替出現(xiàn)的狀態(tài)，這就需要鋪裝材料具有很好的變形協(xié)調(diào)能力和抗疲勞性能，以避免鋪裝層與橋面板產(chǎn)生錯動、剪切或疲勞破壞。固化完成后的環(huán)氧瀝青混凝土模量特別大，在低溫環(huán)境下產(chǎn)生較大應(yīng)力，容易發(fā)生低溫開裂，并且由于與鋼橋面的模量差異很大，在受到外荷載時(shí)，鋼橋面板與鋪裝層不能很好地協(xié)調(diào)變形，易引起黏結(jié)層失效而引發(fā)脫層現(xiàn)象。此外，環(huán)氧瀝青屬于熱固性材料，韌性比較差，吸收能量的能力欠缺，但鋼橋面在車輛荷載的作用下會產(chǎn)生反復(fù)的撓曲變形，鋪裝層在隨橋面板一起變形的過程中易產(chǎn)生疲勞開裂。

王建偉等[3]、徐寧等[4]、陳治宇等[5]對國內(nèi)外部分環(huán)氧瀝青鋪裝病害進(jìn)行了調(diào)查(見表1)，發(fā)現(xiàn)鋪裝層最常見的破壞形式是裂縫和脫層。Nishizawa等[6]對日本東京附近不同類型鋼橋面進(jìn)行病害調(diào)查，結(jié)果顯示縱向裂縫是大部分橋梁鋪裝最嚴(yán)重的破壞形式。上述病害使得環(huán)氧瀝青在鋼橋面鋪裝上的應(yīng)用受到很大限制，如何提高環(huán)氧瀝青的柔韌性，使其適應(yīng)鋼橋面復(fù)雜多變的受力條件，成為很多研究者探索的方向。

表1 環(huán)氧瀝青鋼橋面鋪裝病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)[3-5] Tab.1 Survey and statistics on diseases of epoxy asphalt steel deck pavements[3-5]

2 鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青增柔增韌技術(shù)

環(huán)氧瀝青是環(huán)氧樹脂體系與瀝青通過一定的方法混合，在適宜溫度下，環(huán)氧樹脂體系發(fā)生固化反應(yīng)而形成以環(huán)氧樹脂為連續(xù)相、瀝青為分散相的熱固性材料。在鋼橋面鋪裝的應(yīng)用中，環(huán)氧瀝青作為結(jié)合料與集料拌和成為混凝土攤鋪在鋼橋面板上。本研究從環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青結(jié)合料、環(huán)氧瀝青混合料3個(gè)層面論述鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青柔韌性改善方法的研究現(xiàn)狀。

2.1 環(huán)氧樹脂柔韌性改善方法

2.1.1 柔韌性評價(jià)方法

沖擊試驗(yàn)是用來評價(jià)環(huán)氧樹脂柔韌性最常用的方法之一，主要包括基于ISO 179-1的夏比沖擊試驗(yàn)和基于ASTM D 256的伊佐德沖擊試驗(yàn)。其柔韌性評價(jià)指標(biāo)是沖擊強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度越大，材料的柔韌性越好。夏比沖擊試驗(yàn)的沖擊強(qiáng)度表達(dá)式為：

σi-Ec/(h×b),

(1)

式中，σi為夏比沖擊強(qiáng)度；Ec為修正后試樣破壞吸收的能量；h和b分別為試樣的厚度和寬度。

伊佐德沖擊試驗(yàn)的沖擊強(qiáng)度表達(dá)式為：

IS=E/w，

(2)

式中，IS為伊佐德沖擊強(qiáng)度；E為試樣破壞吸收的能量；w為試樣的寬度。

2.1.2 固體顆粒增柔增韌環(huán)氧樹脂

橡膠顆粒在較大溫度范圍內(nèi)能夠呈現(xiàn)出高彈性及良好的變形能力，是一種輕質(zhì)的可逆變形柔性材料，加入到環(huán)氧樹脂體系中能有效改善柔韌性等力學(xué)性能。Verma等[7]將橡膠顆粒加入到環(huán)氧樹脂中來研究該復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠顆粒摻量為1%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，比普通環(huán)氧樹脂增加26.65%，沖擊能提高67.6%，表明合適摻量的橡膠顆粒對環(huán)氧樹脂的柔韌性提升很大。這是由于部分橡膠能夠溶于樹脂中，增加柔性，而橡膠顆粒周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使環(huán)氧樹脂基體產(chǎn)生剪切屈服或出現(xiàn)微裂縫以吸收沖擊能，增加韌性。Huang等[8]和Ma等[9]利用納米級橡膠體對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，結(jié)果表明，改性劑明顯提高了彎拉強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度，即增加了環(huán)氧樹脂的韌性，但其他性能如玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度、延展性等有所降低。Le等[10]研究發(fā)現(xiàn)，55 nm橡膠顆粒能夠增韌環(huán)氧樹脂，并且不會降低玻璃的轉(zhuǎn)換溫度、拉伸強(qiáng)度。根據(jù)透射電鏡的圖片顯示，納米粒子之間距離很短，比表面積大，這會使納米粒子更有效地引發(fā)增韌機(jī)制，如基體的剪切屈服。

蒙脫土是一種結(jié)構(gòu)呈2∶ 1型的層狀硅酸鹽，用有機(jī)陽離子置換蒙脫土中的吸附水合陽離子，即可得到與樹脂相容性較好的有機(jī)蒙脫土(OMMT)，特有的片狀結(jié)構(gòu)使其能被插層或剝離，均勻分散在環(huán)氧樹脂中。Lim等[11]用單刃缺口試驗(yàn)來研究制備環(huán)氧有機(jī)蒙脫土，如圖1所示，當(dāng)OMMT摻量達(dá)到5%時(shí)，復(fù)合物的韌性為2.02 MPa·m1/2，韌性增加了80%。Liu等[12]通過直接拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，向環(huán)氧樹脂中添加3%摻量的OMMT后，改性環(huán)氧樹脂的韌性得到提高，繼續(xù)增加改性劑摻量，韌性則逐漸降低。這是因?yàn)镺MMT結(jié)構(gòu)周圍出現(xiàn)的微裂縫能夠有效抑制裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)含量過大時(shí)，顆粒容易積聚，減少微裂縫，使增韌效果減弱。

圖1 OMMT/環(huán)氧瀝青的斷裂韌性[11]Fig.1 Fracture toughness of OMMT/epoxy asphalt[11]

2.1.3 熱塑性彈性體增柔增韌環(huán)氧樹脂

聚氨酯是主鏈上含有重復(fù)氨酯基團(tuán)的大分子化合物的統(tǒng)稱。其具有強(qiáng)度高、斷裂伸長率大、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在材料復(fù)合改性中應(yīng)用較多。Harani等[13]研究發(fā)現(xiàn)，異氰酸酯封端的聚氨酯能與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)，使環(huán)氧樹脂的斷裂韌性大幅提高。Bakar等[14]通過使用不同異氰酸酯含量的聚氨酯對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性,發(fā)現(xiàn)異氰酸酯含量越高，環(huán)氧樹脂的韌性越好。當(dāng)聚氨酯摻量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率及韌性達(dá)到最大值，同時(shí)，復(fù)合材料發(fā)生了軟化效應(yīng)，彈性模量和玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)降低，柔性增強(qiáng)。

有機(jī)硅材料是一種以Si-O-Si鍵為主鏈，硅原子連接有機(jī)基團(tuán)，相互交聯(lián)的半無機(jī)聚合物，具有優(yōu)異的耐高低溫和柔韌性。Yu等[15]以共混的方式將柔性Si-O鍵引入環(huán)氧樹脂中來增加韌性，用UV照射固化改性環(huán)氧樹脂。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)復(fù)合體中的有機(jī)硅含量為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度基本不變，斷裂伸長率提高了19.2%，柔韌性變好。Murias等[16]采用活性低分子量硅氧烷對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性環(huán)氧樹脂的儲存模量和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度降低，但沖擊強(qiáng)度提高，柔韌性有所改善。

2.1.4 小結(jié)

表2是環(huán)氧樹脂柔韌性改善方法的小結(jié)。多數(shù)研究者采用了沖擊試驗(yàn)作為環(huán)氧樹脂柔韌性的評價(jià)方法，還有部分文獻(xiàn)利用斷裂韌性試驗(yàn)或直接拉伸試驗(yàn)來表征。從表2中可以看出，固體顆粒的柔韌性改善幅度都超過了50%，是良好的增韌改性劑，其中橡膠顆粒的來源廣泛、綠色環(huán)保，得到大量的研究和應(yīng)用。相較于有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂，聚氨酯的柔韌性提升效果明顯，最大提高了635%，具有較大的應(yīng)用潛力。

表2 環(huán)氧樹脂柔韌性改善方法總結(jié)

2.2 環(huán)氧瀝青結(jié)合料柔韌性改善方法

2.2.1 柔韌性評價(jià)試驗(yàn)

直接拉伸試驗(yàn)因簡單、易操作且與其他力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性較好，在環(huán)氧瀝青結(jié)合料柔韌性研究中得到廣泛應(yīng)用。ATSM D 638和ISO 527是國際上常用的2種直接拉伸試驗(yàn)的測試標(biāo)準(zhǔn)。Yin等[17]、Yu等[18]等根據(jù)ATSM D 638標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)溫度保持(23 ±2) ℃，試驗(yàn)速度選擇500 mm/min，測試了5組以上環(huán)氧瀝青試件的力學(xué)性能。Bakar等[14]、Tang等[19]根據(jù)試樣的類別，將試驗(yàn)速度設(shè)定為1 mm/min或5 mm/min以得到拉伸性能數(shù)據(jù)。Giannakopoulos等[20]依據(jù)ISO 527標(biāo)準(zhǔn)，選定溫度為21 ℃、試驗(yàn)速度為1 mm/min的控制條件對環(huán)氧瀝青進(jìn)行測試。在進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)后，直接由斷裂伸長率或采用應(yīng)力應(yīng)變曲線下方的面積(斷裂能)來評價(jià)環(huán)氧瀝青結(jié)合料的柔韌性。

2.2.2 固體顆粒增柔增韌環(huán)氧瀝青結(jié)合料

環(huán)氧瀝青結(jié)合料的優(yōu)異性能主要來自于環(huán)氧樹脂體系，其增柔增韌技術(shù)原理與環(huán)氧樹脂的類似。目前固體顆粒改善環(huán)氧瀝青結(jié)合料柔韌性的方法有橡膠粉改性、OMMT改性和天然纖維凹凸棒石(ATT)改性。

孔慶磊等[21]把80目橡膠粉按不同摻量加入到環(huán)氧瀝青中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%改性環(huán)氧瀝青的斷裂伸長率提高了46.3%，此外，改性環(huán)氧瀝青的黏度因橡膠粉溶脹而增加。Liu等[22]則先將橡膠粉末與瀝青混合得到橡膠瀝青，然后再把橡膠瀝青和環(huán)氧樹脂混合攪拌制備得到橡膠改性環(huán)氧瀝青。結(jié)果表明，該橡膠改性環(huán)氧瀝青的斷裂伸長率比普通環(huán)氧瀝青的小，這可能是由于橡膠瀝青在環(huán)氧體系中分散性差，并且橡膠瀝青的存在還會大大增加環(huán)氧瀝青的黏度，降低了施工適用性。

肖新顏等[23]采用熔融共混法制得OMMT/環(huán)氧樹脂改性瀝青試樣，通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果顯示(圖2)，環(huán)氧樹脂在瀝青中分布更均勻，力學(xué)性能有較大提高且施工性良好，但柔韌性增加效果不明顯。OMMT特殊的片狀結(jié)構(gòu)使瀝青和環(huán)氧樹脂界面作用增強(qiáng)，相容性得到改善，拉伸強(qiáng)度增加但斷裂伸長率減少。

圖2 OMMT摻量對OMMT/環(huán)氧瀝青力學(xué)性能的影響[23]Fig.2 Influence of OMMT content on mechanical properties of OMMT/epoxy asphalt[23]

2.2.3 熱塑性彈性體增柔增韌環(huán)氧瀝青結(jié)合料

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)由剛性苯乙烯分散相和柔性丁二烯連續(xù)相物理交聯(lián)形成，特殊的兩相結(jié)構(gòu)使其能有效改善瀝青的高低溫性能及抗老化性能等。Liu等[24]采用SBS改性瀝青(SBA)制備了SBS改性環(huán)氧瀝青(ESBA)，并對比了環(huán)氧瀝青(EA)和ESBA的微觀形態(tài)和力學(xué)性能。2者中環(huán)氧樹脂與瀝青都發(fā)生了相分離，當(dāng)瀝青含量達(dá)到60%時(shí)，EA的環(huán)氧樹脂相從連續(xù)相變成了分散相，而ESBA并沒有出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變。從圖3中可以看出，隨著SBS的加入，EA的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都得到提高，其韌性與柔性得到改善。綜合考慮各個(gè)指標(biāo)，40%瀝青含量(SBS摻量1.8%)的改性效果最佳。

圖3 環(huán)氧瀝青和SBS改性環(huán)氧瀝青的拉伸性能[24]Fig.3 Tensile properties of epoxy asphalt and SBS modified epoxy asphalt[24]

Si等[25]研究了環(huán)氧樹脂(ER)，EA，ESBA的力學(xué)性能，結(jié)果如圖4所示。ER的拉伸強(qiáng)度(3.13 MPa)遠(yuǎn)大于EA(1.28 MPa)和ESBA(0.81 MPa)。這是由于瀝青和SBS本身的強(qiáng)度比ER低，再加上這2者的加入降低了ER的交聯(lián)度密度，從而使ESBA的拉伸強(qiáng)度大幅降低。但斷裂伸長率的試驗(yàn)結(jié)果與之不同，EA(85.7%)和ESBA(77.2%)較ER(70.5%)略有增加，加入SBS后的EA斷裂伸長率反而降低了，這可能是由ER與SBS改性瀝青較差的相容性引起。

圖4 環(huán)氧樹脂、環(huán)氧瀝青和SBS改性環(huán)氧瀝青的力學(xué)性能[25]Fig.4 Mechanical properties of epoxy resin,epoxy asphalt and SBS modified epoxy asphalt[25]

Jiang等[26]研究了SBS摻量為2%、S/B不同的ESBA的力學(xué)性能。結(jié)果表明(圖5)，SBS能夠提升環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度，最大提升幅度可達(dá)26%，也會降低斷裂伸長率，不過仍滿足鋼橋面鋪裝技術(shù)要求。除了S/B為30/70的ESBA的柔韌性提高之外，其他組的韌性都降低了，這可能與SBS改性瀝青顆粒在環(huán)氧樹脂中的分布有關(guān)。由此可見，適當(dāng)含量和S/B比率的SBS能夠改善環(huán)氧瀝青的柔韌性。

圖5 環(huán)氧瀝青、SBS改性環(huán)氧瀝青和聚苯乙烯改性環(huán)氧瀝青的力學(xué)性能[26]Fig.5 Mechanical properties of epoxy asphalt, SBS modified epoxy asphalt and polystyrene modified epoxy asphalt[26]

曹東偉等[27]將有機(jī)硅樹脂和環(huán)氧樹脂混合作為A組分，瀝青和固化劑及其他添加劑為B組分，在60～150 ℃攪拌得到有機(jī)硅改性環(huán)氧瀝青。加入合適礦料后，通過拉伸試驗(yàn)，表明該材料的強(qiáng)度和韌性均得到提高，并且黏附性能、高溫性能也有一定改善。周慶月[28]將有機(jī)聚硅烷、異戊橡膠和聚四氟乙烯纖維混合加入環(huán)氧瀝青制備了復(fù)合型改性環(huán)氧瀝青，發(fā)現(xiàn)軟化點(diǎn)、斷裂伸長率有所提高。

2.2.4 超支化聚酯增柔增韌環(huán)氧瀝青結(jié)合料

超支化聚酯(HBP)具有高度支化的樹枝狀結(jié)構(gòu)，大量位于端部的官能團(tuán)能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)使未占用空間增大并發(fā)生應(yīng)力松弛，從而改善環(huán)氧體系的沖擊強(qiáng)度和韌性。固體顆粒能夠改善環(huán)氧瀝青的柔韌性，但會使黏度大幅增加，降低施工性。而Xu等[29]研究發(fā)現(xiàn)，具有端羥基的HBP能加速環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)速率，且改性環(huán)氧瀝青的黏度僅僅略微增加。通過直接拉伸試驗(yàn)比較了芳香族HBP(H102)和脂肪族HBP(H202)的改性效果。由圖6、圖7可知，2者都略微降低了改性環(huán)氧瀝青拉伸強(qiáng)度，但H102改性環(huán)氧瀝青的斷裂伸長率增加量(96.6%)遠(yuǎn)大于H202改性環(huán)氧瀝青(10.3%)。綜合判斷，芳香族HBP的增韌效果更好。

圖6 兩種類型HBP/環(huán)氧瀝青拉伸強(qiáng)度[29]Fig.6 Tensile strengths of 2 types of HBP/epoxy asphalt[29]

圖7 兩種類型HBP/環(huán)氧瀝青斷裂伸長率[29]Fig.7 Elongation at break of 2 types of HBP/epoxy asphalt[29]

低黏度是HBP改性的一大優(yōu)勢，然而大量的端羥基與環(huán)氧樹脂反應(yīng)還是會增大環(huán)氧瀝青的黏度。Xu等[30]選擇使用乙酰氯和長鏈烷基氯修飾HBP的端羥基，以避免HBP與環(huán)氧樹脂反應(yīng)。結(jié)果表明，這種新型改性環(huán)氧瀝青的黏度明顯降低，并在保證足夠拉伸強(qiáng)度的條件下極大提升了斷裂伸長率，柔韌性改善效果良好。張榮亮等[31]采用端烷基修飾的超支化聚磷酸酯對環(huán)氧瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性環(huán)氧瀝青的黏度降低，斷裂伸長率最大可提高3倍，韌性得到顯著改善，但拉伸強(qiáng)度有所下降。

2.2.5 新型固化劑增柔增韌環(huán)氧瀝青結(jié)合料

新型固化劑的增柔增韌作用近年來受到關(guān)注，柔性長鏈固化劑不僅可增加大分子的柔性骨架，而且能提高環(huán)氧樹脂與瀝青的相容性，進(jìn)而改善環(huán)氧瀝青的柔韌性。Li等[32]制備了一種柔性聚合脂肪酸環(huán)氧固化劑(PFA)，可以用來催化環(huán)氧開環(huán)和水解。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著PFA含量的上升，環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度不斷降低，斷裂伸長率提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線無屈服點(diǎn)，呈現(xiàn)明顯的柔性特性。在PFA與環(huán)氧樹脂的摻量為混合物的20%時(shí)，拉伸強(qiáng)度滿足橋梁鋪裝技術(shù)要求，斷裂伸長率提升較大。PFA固化劑中含有多個(gè)羧基和柔性烷基鏈基團(tuán)，能夠提供足夠的固化活性，并賦予環(huán)氧體系非常高的柔韌性。此外，通過微觀形態(tài)和動態(tài)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)PFA能夠使瀝青分散更均勻，相容性變好。

Kang等[33]則是利用馬來酸酐作為短鏈分子來增強(qiáng)瀝青的強(qiáng)度，利用己二酸和甲基六氫鄰苯二甲酸酐作為柔性長鏈固化劑來增加環(huán)氧瀝青的柔韌性。該新型環(huán)氧瀝青復(fù)合材料的斷裂伸長率高達(dá)150%～260%，韌性提高1倍以上。Hu等[34]和Jiang等[35]發(fā)現(xiàn)具有酰胺基團(tuán)封端的己二酰胺或癸二酰胺能夠改善環(huán)氧樹脂和瀝青的相容性，并進(jìn)一步提高拉伸強(qiáng)度。通過掃描電鏡觀察該環(huán)氧樹脂體系中形成了“海島結(jié)構(gòu)”，瀝青粒子成為了應(yīng)力集中中心，通過形變吸收能量，提高了環(huán)氧瀝青的柔韌性。

2.2.6 小結(jié)

基于環(huán)氧樹脂柔韌性改善手段并結(jié)合環(huán)氧瀝青自身特性，用固體顆粒、熱塑性彈性體、超支化聚酯、新型長鏈固化劑等來改善環(huán)氧瀝青結(jié)合料的柔韌性，研究成果匯總于表3?？傮w而言，固體顆粒改性效果良好，但會使環(huán)氧瀝青結(jié)合料的黏度大幅增加，從而降低施工性能，此外，還應(yīng)避免因固體顆粒的團(tuán)聚而降低環(huán)氧瀝青的韌性。SBS改性環(huán)氧瀝青提升柔韌性的幅度不大，但其能有效改善環(huán)氧瀝青其他性能，如強(qiáng)度、高低溫性能等。超支化聚酯及新型長鏈固化劑在提升斷裂伸長率方面優(yōu)勢巨大，且由于本身黏度較小，基本不會增加環(huán)氧瀝青的黏度。

表3 環(huán)氧瀝青結(jié)合料柔韌性改善方法總結(jié)

2.3 環(huán)氧瀝青混凝土柔韌性改善方法

2.3.1 柔韌性評價(jià)試驗(yàn)

環(huán)氧瀝青混凝土在低溫環(huán)境下的脆性表現(xiàn)更明顯，以低溫彎曲試驗(yàn)來測定勁度模量，并把勁度模量作為評價(jià)柔性的指標(biāo)較為合理。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，Qian等[36]、李凱[37]將完全固化的環(huán)氧瀝青混凝土車轍板切割成30 mm× 35 mm× 250 mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體小梁試件，在-10 ℃以50 mm/min的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)，得到荷載-撓度曲線后計(jì)算得到破壞時(shí)的勁度模量。Luo等[38]在不同的溫度下以1 mm/min的加載速度對標(biāo)準(zhǔn)小梁試件加載，研究了勁度模量與溫度的關(guān)系。Yang等[39]也進(jìn)一步證實(shí)了低溫彎曲試驗(yàn)評價(jià)環(huán)氧瀝青混合料柔性的有效性。

鋪裝層的受力特點(diǎn)與梁的彎曲理論相似，并且需要與鋼板一起反復(fù)撓曲，因而可以采用小梁彎曲疲勞試驗(yàn)評價(jià)環(huán)氧瀝青混凝土的韌性。通過輪碾成型瀝青混合料車轍板，并切割為380 mm×50 mm×63 mm的小梁試件，將標(biāo)準(zhǔn)測試溫度定為15 ℃，采用連續(xù)偏正弦加載，應(yīng)變可根據(jù)不同種類瀝青進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在勁度模量降低到初始勁度模量的50%時(shí)，終止試驗(yàn)。該方法建議鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青混合料的應(yīng)變選擇在1 000 με以上，Zhang等[40]將控制應(yīng)變設(shè)定為3 500 με，徐偉等[41]則將目標(biāo)應(yīng)變分別設(shè)置為800，1 000，1 250 με以研究環(huán)氧瀝青的韌性。

2.3.2 固體顆粒增柔增韌環(huán)氧瀝青混凝土

橡膠改性環(huán)氧瀝青混凝土受到外界荷載時(shí)，均勻散布的橡膠顆粒會承受較大部分應(yīng)力而產(chǎn)生形變，但良好的彈性恢復(fù)能力及在環(huán)氧體系下形成的特殊相分離微結(jié)構(gòu)，使其能吸收大量能量而不至于斷裂破壞，從而增加環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性。張爭奇等[42]用干法向環(huán)氧瀝青混合料中摻入4種摻量(1.5%，1.8%，2.1%，2.4%)的橡膠顆粒，如表4所示，試樣的勁度模量隨改性劑摻量的增加而降低，當(dāng)摻量為2.1%時(shí)，其彎拉強(qiáng)度最大，不易出現(xiàn)拉裂破壞，且疲勞壽命最長。當(dāng)改性劑摻量繼續(xù)增加時(shí)，疲勞性能下降。橡膠顆粒作為一種柔性材料加入到硬脆性瀝混凝土中，降低了模量，且通過銀紋作用使該混合體系的韌性得到提高，過量則會降低強(qiáng)度和疲勞性能。薛永超等[43]發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒體積摻量為5%的環(huán)氧瀝青混合料的勁度模量比普通環(huán)氧瀝青降低了31.6%，應(yīng)變能密度也得到提高，柔韌性改性效果顯著。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明,體積摻量合適的橡膠顆粒不僅可顯著改善環(huán)氧瀝青混合料的柔韌性，且對環(huán)氧瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性幾乎沒有影響。由此可以看出，橡膠顆粒在増柔方面作用明顯，且對韌性也有改善，是良好的環(huán)氧瀝青混凝土柔韌性改性劑。

表4 不同橡膠顆粒摻量的環(huán)氧瀝青混凝土低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果[42]

Sun等[44]不僅從環(huán)氧瀝青結(jié)合料層面探究了ATT對環(huán)氧瀝青柔韌性改善的效果，還通過低溫彎曲試驗(yàn)研究了ATT改性環(huán)氧瀝青混凝土的低溫柔性。結(jié)果表明，當(dāng)ATT的摻量為0.5%時(shí)，改性環(huán)氧瀝青混凝土的彎曲應(yīng)變能密度為3 020 J/m3，比普通環(huán)氧瀝青混凝土的高20%，在低溫環(huán)境下柔韌性大幅提高，抗開裂性增強(qiáng)，這與結(jié)合料試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3.3 纖維增柔增韌環(huán)氧瀝青混凝土

纖維的來源廣泛、價(jià)格便宜，在復(fù)合材料改性方面作用明顯。許多學(xué)者利用纖維提高瀝青混合料的拉伸強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性，并有效減少裂縫。此外，纖維也常用作環(huán)氧體系的增韌劑。基于此，一些研究者考慮將纖維類材料添加至環(huán)氧瀝青混凝土中，以改善環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性。

Xue等[45]設(shè)計(jì)了一種礦物纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土(FEAC)，并通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同礦物纖維長度及含量對FEAC的性能影響。結(jié)果表明，礦物纖維對環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率有較大提高，纖維長度5 mm,含量為9%時(shí)，提升效率最大。對于FEAC來說，當(dāng)纖維含量不斷增加時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變也隨著不斷增加，摻量為9%時(shí)，達(dá)到峰值，而彎曲剛度也略微增大，說明纖維的加入使柔性有所降低，但疲勞壽命增加較多，韌性增幅大。礦物纖維可在環(huán)氧瀝青混凝土中形成三維網(wǎng)絡(luò)，以抵抗界面處的裂紋擴(kuò)展和滑動，降低集中應(yīng)力，從而提升總體拉伸強(qiáng)度。纖維還具有橋接、傳遞荷載的作用，能夠串聯(lián)混凝土的微小裂縫，使其不至于形成宏觀完整裂縫，增加混凝土的韌性。

錢振東等[46]研究了短切玄武巖纖維(BFCS)對環(huán)氧瀝青性能的影響，進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，在摻量不超過6%時(shí)，改性環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均提高，其中4%摻量的提升幅度最大，此時(shí)相應(yīng)混凝土的彎曲應(yīng)變能密度臨界值是普通環(huán)氧瀝青混凝土47.1%，柔韌性得到較大提升。除了纖維本身的橋接、增韌作用外，BFCS能使最佳油石比提高，從而改善環(huán)氧瀝青混凝土的柔性。

聚酯纖維的柔韌性好，且化學(xué)組成與瀝青較為接近，親和性好，是用來改善環(huán)氧瀝青混凝土各項(xiàng)性能的優(yōu)良改性劑。汪林等[47]考慮某公路大橋鋼橋面受力情況，研究摻加不同含量聚酯纖維的改性效果，試驗(yàn)組勁度模量略有下降，而最大疲勞壽命比未摻加聚酯纖維提高了3倍。王水[48]發(fā)現(xiàn)聚酯纖維摻量為2%～3%時(shí)，改性環(huán)氧瀝青的低溫開裂性能和疲勞性能最佳，即柔韌性最好。李華平[49]則向環(huán)氧瀝青混合料當(dāng)中添加0.2%聚酯纖維，利用落錘法抗沖擊試驗(yàn)得到纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土的沖擊功為71.83 J，是普通環(huán)氧混凝土的1.6倍，韌性極大加強(qiáng)。

鑒于纖維改性環(huán)氧瀝青混凝土可提高韌性，但對柔性提升不大，一些研究者考慮了纖維和橡膠顆粒復(fù)合改性。張爭奇等[50]將摻量0.3%聚酯纖維和摻量2.1%橡膠顆粒同時(shí)加入到環(huán)氧瀝青中，在-10 ℃ 進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。從表5可以看出，在彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均有增大情況下，勁度模量為6 310.8 MPa，比添加0.3%聚酯纖維環(huán)氧瀝青混凝土和普通環(huán)氧瀝青混凝土分別減少3 220.06，3 448.84 MPa，復(fù)合型改性劑極大改善了柔性，而疲勞次數(shù)達(dá)到了22 682次，幾乎是普通混凝土的3倍，是2.1%聚酯纖維改性瀝青混凝土的2倍，韌性也比只添加其中1種改性劑好很多。

表5 不同環(huán)氧瀝青混凝土低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果[50]

2.3.4 聚氨酯増柔增韌環(huán)氧瀝青混凝土

如前所述，聚氨酯在改善環(huán)氧樹脂柔韌性方面效果明顯，一些學(xué)者嘗試將聚氨酯柔性鏈段枝接交聯(lián)到環(huán)氧樹脂上，并與瀝青混合制備得到聚氨酯環(huán)氧瀝青，以改善環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性。卜鑫德等[51]使用剪切共混法制備了聚氨酯環(huán)氧瀝青，并進(jìn)行了力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)聚氨酯的最佳摻量為30%，此時(shí)結(jié)合料的斷裂伸長率為378%，混合料的最大應(yīng)變?yōu)槠胀ōh(huán)氧瀝青混合料的1.5倍，柔韌性有了較大提高，但其他路用性能略有降低。陳利東等[52]研制出一種聚氨酯環(huán)氧瀝青混凝土，并與美國、日本環(huán)氧瀝青混凝土進(jìn)行性能對比，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料不僅在路用性能優(yōu)于后者，疲勞壽命也勝過后者，柔韌性得到了很好的改善，且成本還略低。聚氨酯在提高環(huán)氧瀝青混凝土柔韌性方面的研究較少，改性機(jī)理還需進(jìn)一步探究。

2.3.5 小結(jié)

環(huán)氧瀝青混凝土的增柔增韌研究主要集中在國內(nèi)，分為固體顆粒改性、纖維改性、聚氨酯改性3類。由表6可知，橡膠顆粒對環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性提高幅度較大，而纖維類能大幅提高環(huán)氧瀝青混凝土的韌性，但不利于材料的柔性。這是由于纖維主要起橋接、傳遞荷載作用，阻礙了微小裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展形成宏觀裂縫，提高混凝土的疲勞性能。纖維與橡膠顆粒復(fù)合改性能充分發(fā)揮2者的優(yōu)勢，但由于橡膠顆粒改性和纖維改性都會增加黏度、減少容留時(shí)間，對施工要求較高。此外，聚氨酯在改善環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性方面具有一定效果，但會降低路用性能，且成本相對較高，應(yīng)用受到限制。

表6 環(huán)氧瀝青混凝土柔韌性改善方法總結(jié)

3 結(jié)論

環(huán)氧瀝青混凝土因優(yōu)越的路用性能在我國鋼橋面鋪裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在使用過程中出現(xiàn)的柔韌性問題使其進(jìn)一步推廣受到一定阻礙，眾多研究者相繼提出的增柔增韌技術(shù)使得橋梁鋪裝層脫層、開裂問題得到很大改善?？偨Y(jié)鋼橋面鋪裝用環(huán)氧瀝青出現(xiàn)的柔韌性問題，并對目前國內(nèi)外改善環(huán)氧體系柔韌性的方法進(jìn)行了綜述。

(1)環(huán)氧瀝青是一種熱固性材料，其混合料與鋼板的模量差較大、吸收能量的能力較差，即變形協(xié)調(diào)能力與疲勞性能不好，這使得鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層經(jīng)常出現(xiàn)開裂和脫層病害。

(2)橡膠顆粒、OMMT、聚氨酯對環(huán)氧樹脂的柔韌性改善幅度超過了50%，而有機(jī)硅的改性效果不顯著。

(3)固體顆粒對環(huán)氧瀝青結(jié)合料改性效果良好，但會使黏度大幅增加，降低施工性。SBS改性環(huán)氧瀝青結(jié)合料提升柔韌性的幅度不大，其優(yōu)勢在于綜合改性效果好。超支化聚酯與新型固化劑在提升環(huán)氧瀝青結(jié)合料斷裂伸長率方面優(yōu)勢巨大，是未來重點(diǎn)研究的方向。

(4)橡膠粉對環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性提高幅度較大，并且價(jià)格低廉、綠色環(huán)保，是良好的改性劑。纖維具有橋接、傳遞荷載作用，能夠串接微小裂縫，增韌效果較好，但會略微降低柔性，而橡膠顆粒和纖維復(fù)合改性環(huán)氧瀝青混凝土具有良好的増柔增韌效果。聚氨酯改性環(huán)氧瀝青混凝土有一定的效果，但會降低路用性能，并且成本相對較高，應(yīng)用受到限制。