环氧沥青混合料低温抗裂性能研究进展

为保证桥面铺装层处于良好的工作状态，须保证桥面铺装层的路用性能足够优异，目前应用范围最广的钢桥面铺装层材料是环氧沥青混合料。

环氧沥青是指在浙青中加入环氧树脂及固化剂等形成的多相聚合物高分子材料，由于热固性的环氧树脂固化后再加压加热也不会再度软化或流动，使得环氧沥青与其它热塑性改性沥青相比具有更好的高温稳定性，但当温度下降到一定程度时，环氧沥青材料会变硬脆进而开裂，而一旦出现裂纹，由于热固性环氧沥青不能像其它改性沥青一样升温自愈合，从而会在各种载荷和水、雾等的作用下加速破坏，形成更大面积的病害，难以满足实际工程应用中钢桥面铺装对混合料性能的要求。

因此，在结合我国材料的特点和施工工艺的基础上，开展对环氧沥青铺装层的低温抗裂性能研究显得尤为重要。

通过对环氧沥青混合料低温抗裂性能的主要因素进行系统的分析和归纳，在不影响其本身优异高温性能的前提下，提出能改善环氧沥青低温抗裂性能的可行性建议，为目前环氧沥青混合料低温韧性较差的问题提供解决思路，以期能提高环氧沥青混合料的耐久性。

环氧沥青混合料应用现状

环氧沥青材料是指将环氧树脂加入沥青中，形成以沥青为分散相，环氧树脂为连续相的稳定体系，经与固化剂发生固化反应后，沥青分子分散于环氧树脂形成的 状结构中，形成不可逆的固化物，其固化反应使共混物从热塑性转变为热固性，从而赋予沥青以优良的物理、力学性能。与其他类型的沥青混合料相比，环氧沥青混合料在施工时间和施工温度、压实度等方面要求更为严格。

得出结论：低温时，相对于SMA与AC沥青混合料，环氧沥青混合料除具有较高的强度外，还具有较好的变形能力，也进一步说明环氧沥青混合料是钢桥面铺装的理想筑路材料。

在上世纪五十年代的末期，美国壳牌石油公司开发了环氧沥青。1967年，美国首次将环氧沥青用于洛杉矶的SanMato-Hyaward大桥的正交异性桥面板铺装。目前，世界上将环氧沥青混合料这种高性能材料应用于桥面铺装工程中的国家主要有美国、加拿大、荷兰、澳大利亚和中国等。其中美国应用最为广泛，日本还专门提出了环氧沥青的技术要求。

我国道桥行业对环氧改性沥青的研究始于20世纪90年代。2000年我国引入了环氧沥青材料用于铺筑南京长江第二大桥，随后，又相继用于润扬长江大桥试验桥、江阴长江大桥试验段、浙江舟山桃夭门大桥等国家重点工程。从南京长江二桥多年的桥面使用状况以及其他各桥的施工质量检测指标来看，环氧沥青混合料桥面铺装效果从总体上较为令人满意。

工程中要求桥面铺装材料的设计温度范围为-15%~+70%。环氧沥青特殊的交联体系使得其在高温下不会发生流淌，能表现出良好的高温稳定性能，因此，低温性能是环氧沥青混合料重要的研究方向之一。

环氧沥青混合料低温性能影响因素

环氧沥青混合料低温抗裂性能

低温下的环氧沥青混合料更接近弹性材料，其松弛模量比普通沥青混合料要高的多，温度应力也比普通沥青混合料大，因此极易出现低温开裂问题。为满足设计使用要求，避免桥面铺装层低温缩裂，有必要研究并改善环氧沥青混合料的低温性能。

张占军等指出环氧沥青混合料低温弯曲性能参数与温度、交联度之间具有较好相关性，可以建立环氧沥青混合料弯曲强度、弯曲模量、弯曲破坏应变及弯曲应变能密度与温度、交联度的函数关系，用于钢桥面环氧沥青混合料铺装的低温弯曲性能预测；闵召辉等采用动态热机械性能分析方法进行分析，将低温时的环氧沥青材料近似为线弹性材料，利用线弹性断裂力学理论计算断裂初度和断裂能以分析环氧沥青材料低温性能。

文献中将环氧沥青混合料制成半圆柱形试件进行弯曲试验，试验结果具有较好的可再现性，能很好地表征环氧沥青混合料的断裂韧性。

由于环氧沥青强度形成机理与其他热塑性树脂改性沥青不完全一致，为能更好地研究和评价环氧沥青混合料的低温抗裂性能，需找出影响其低温性能表现的主要因素，以此来改善环氧沥青材料组成设计，其目的在于提高环氧沥青混合料的低温抗裂性能。

环氧沥青混合料低温性能影响因素

交联度

环氧沥青的力学性能与环氧树脂交联度有关，当交联度较大时，交联点的分子链段较短，交联致密，形成的固化物强度和模量较高，变形性能和韧性较差；当交联度适中时，交联点之间的分子链段可以发生伸长与旋转，固化物表现出较高的强度、一定的变形能力和韧性；当交联度非常低时，大分子链段仅以有限的交联点连接，固化物表现出较低的强度，较大变形能力和韧性。若只考虑环氧沥青的低温性能，宜选择交联度低的材料，但交联度低的材料高温性能较差，因此，需考虑环氧沥青材料高低温两个方面的性能，确定其适宜的交联度。

环境温度

与沥青及改性沥青相同，环氧沥青也是一种粘弹性材料，其性能受到荷载作用时间和温度的影响较大。在实际钢桥铺装工程中，除铺装层自身温度变化外，钢桥结构的温度变化也严重影响铺装层的变形。在低温条件下，环氧沥青材料为玻璃态，分子链段受到交联制约，自由伸长与旋转受限，该区间模量随着温度变化较小，材料表观表现较硬、较脆，变形能力低。因此，需结合实际环境情况考虑环氧沥青混合料的耐低温抗裂性能。

沥青颗粒尺寸大小

固化后的环氧沥青主要由固化后的环氧树脂形成的空间 络结构连续相和近似球状颗粒形状分布其中的沥青分散相组成。张翔等指出：在这两相结构中，沥青颗粒起到增軔和增塑两种作用，当沥青颗粒较小时，沥青主要起到增靭作用，可以有效地降低荷载作用下环氧树脂的脆性，减缓裂缝的产生和增长，提高环氧树脂的韧性和弹性，减少环氧树脂因固化和低温条件下引起的收缩导致的开裂。

环氧树脂影响

环氧沥青中加入的环氧树脂对其低温性能也有一定影响。为研究环氧树脂与沥青的相容性对环氧游青及其混合料性能的影响，丛培良等对相同环氧树脂掺量条件下制备的2种环氧沥青进行性能实验对比，结果显示：与未掺加相容剂的环氧沥青相比，掺加相容剂的环氧沥青具有较高的断裂伸长率，表明其具有更好的柔韧性。

此外，文献指出，当环氧树脂掺量大于30%时，环氧沲青的延伸断裂率随环氧树脂含量增大而减小。由此可知，环氧树脂与沥青的相容性及其掺量能在一定程度上影响环氧沥青的力学性能。

环氧沥青混合料低温性能改进建议

合理选择固化剂及其含量

固化剂的性能对环氧沥青的性能起决定性的作用。固化剂的交联密度高会导致固化物强度较高，但延展性不足。含有柔性链段的大分子固化剂能增韧环氧树脂，其柔性链段能键合到致密的环氧树脂交联 络中，并在固化过程中产生微观相分离，形成紧密、疏松相间的两相 络结构，这种结构能使材料内部产生塑性变形，从而使环氧树脂軔性得到改善。此外，周威等采用一种长链脂肪族二元羧酸作为主体固化剂，通过试验发现：随着固化剂含量的增加，环氧沥青的断裂伸长率和低温收缩率随之增加，其原因是固化剂可以增加体系的交联密度，减少体系在低温收缩和高温膨胀中的形变。由此可见，合理选择环氧沥青固化剂及其剂量是提高环氧沥青低温性能的有效途径。

选择适宜的基质沥青

由环氧沥青的强度机理可知，对于沥青分散相和环氧树脂连续相结构，界面的结构和强度会对材料的物理和力学性能产生影响。首先，环氧浙青中沥青颗粒尺寸变化会引起表面积的变化，随着表面积的改变，进而影响表面能的改变以及表面应力的重新分布。其次是沥青的分散度，张书红等指出：沥青分散度越大，说明沥青相对分子质量分布越宽，其中有很多的小分子组成，小分子存在于大分子之间，起着增塑和增韧的作用，对沥青的低温抗裂性能越有利。因此在选择基质沥青时既要尽量使其颗粒直径较小还需考虑其分散度大小，选择适宜的基质沥青能有效降低环氧树脂的脆性，减缓环氧沥青混合料裂缝产生与发展。

环氧树脂増韧改性

向环氧树脂中添加橡胶、热塑性树脂、核壳聚合物粒子、热致液晶聚合物、纳米粒子等第二相粒子也可增軔改性。对环氧沥青混合料来说，张争其等指出：加入橡胶颗粒能显著提高混合料的柔性性能；而掺入聚酯纤维后，大大提高了混合料的韧性性能。但这种增韧方法在使用时必须将环氧沥青与改性剂混合均匀，给环氧沥青混合料的成型加工等操作带来了很多不便，且由于引人了新的粒子，还需再考虑这些粒子对环氧树脂和游青的相容性是否会造成影响，所以在实际工程中的应用效果不一定好。另一种常用的增軔方法是使环氧树脂与聚氨酯或聚丙烯酸酯等聚合物形成互穿 络结构，这种结构的特点是一种材料无规则地贯穿到另一种材料中去，使得体系中两组分产生协同效应，从而具有比一般共混物更加优异的性能。

采用合适的混合料类型

崔晓波等通过低温弯曲试验评价混合料低温时抵抗变形的能力，在原料相同的情况下，对比了浇筑式环氧沥青混合料和普通碾压式环氧沥青混合料的低温性嫩，由结果得知，浇筑式环氧沥青混合料的具有更好的低温性能。此外，文献提出一种在竖旋桥铺装中应用的轻骨料环氧沥青混合料，这种混合料能减轻桥本身自重，相关性能试验的结果表明轻骨料的替代率在0~70%时的环氧沥青混合料性能表现都较好且能满足钢桥面铺装的性能要求。在此基础上，需综合各方面考虑选择适合的混合料类型能使其具有良好的路用性能。

结语

在实际工程应用中环氧沥青混合料最主要的问题就是低温开裂问题。针对这一冋题，从沥青本身性能、混合料组成、施工技术等方面总结归纳了影响环氧沥青低温性能的主要因素，包括：环氧沥青交联度、环境温度、沥青颗粒大小和环氧树脂的影响等。同时指出能提高环氧沥青混合料的低温性能的一些建议，即：合理选择固化剂及其含量、选择适宜的基质沥青、对环氧树脂增韧改性、合理选用混合料类型等。分析指出，对环氧沥青及其混合料的低温抗裂性能研究是非常有必要的，通过对其成因及改善方法的调査研究，希望能将这些理论成果应用到实际工程中，这对于大跨径钢桥梁的铺设以及环氧沥青混合料的推广应用将具有重要意义。