環(huán)氧樹(shù)脂瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂瀝青相容性研究

環(huán)氧樹(shù)脂瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂瀝青相容性研究

近年來(lái)，正交公平鋼橋的優(yōu)良性能在大型跨徑鋼橋的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。由于大跨徑鋼橋梁所處的特殊環(huán)境,橋面溫度變化跨度大,對(duì)鋪裝材料的要求苛刻,普通改性瀝青難以滿足其鋪裝要求。環(huán)氧瀝青是一種熱固性的鋪裝材料,從根本上改變了普通改性瀝青熱塑性的特點(diǎn),與普通改性瀝青相比,有著更好的路用性能,如較好的高溫抗車轍和低溫抗開(kāi)裂能力,優(yōu)良的抗疲勞性及耐老化等。因此,環(huán)氧瀝青被廣泛的應(yīng)用于大跨徑鋼橋面的鋪裝。而環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青的溶解度參數(shù)相差較大,導(dǎo)致兩者相容性較差,直接混合易發(fā)生離析。要制備性能優(yōu)異的環(huán)氧瀝青鋪裝材料,需要改善環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的相容性,目前主要有2種途徑:一是在環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青混合物中加入與兩者相容性都較好的第三相,降低兩者界面張力,從而促進(jìn)瀝青的分散;二是在瀝青分子上接枝極性基團(tuán),減小環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的溶解度參數(shù)差,以使兩者混容。本文研究了在環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青混合物中加入十二烷基苯磺酸鈉和通過(guò)在瀝青分子上引入極性基團(tuán)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青相容性的影響,以期獲得相容性較好的環(huán)氧瀝青混合物。十二烷基苯磺酸鈉是一種陰離子表面活性劑,與極性較強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂和極性較弱的瀝青都有較好的相容性,能夠降低兩者的界面張力,使瀝青分散更均勻。馬來(lái)酸酐一方面有碳碳雙鍵,具有參與自由基和光化學(xué)反應(yīng)的能力;另一方面其酸酐基團(tuán)可以和含有活潑氫的一些分子反應(yīng),可以接枝到聚合物鏈上。用馬來(lái)酸酐對(duì)瀝青進(jìn)行改性,將極性的酸酐基團(tuán)接枝到瀝青分子上,提高瀝青的極性,降低環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的溶解度參數(shù)差別,改善兩者的相容性。1實(shí)驗(yàn)部分1.1化學(xué)試劑及試劑基質(zhì)瀝青,中海AH-90,中海瀝青股份有限公司;秦皇島AH-90,中石油燃料油秦皇島廠;環(huán)氧樹(shù)脂E51,藍(lán)星化工新材料股份有限公司無(wú)錫樹(shù)脂廠;十二烷基苯磺酸鈉,AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;伊朗抽出油,上海博琪科貿(mào)有限公司;馬來(lái)酸酐,AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。1.2改性瀝青設(shè)備1.2.1環(huán)氧瀝青混合物的制備向中海AH-90瀝青中加入質(zhì)量百分比(外摻)分別為0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的十二烷基苯磺酸鈉,在135±5℃的溫度下高速剪切30min,然后將環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青按1∶3的質(zhì)瀝青比混合,高速剪切5min,制得環(huán)氧瀝青混合物。1.2.2瀝青的制備反應(yīng)在三口燒瓶中進(jìn)行,分別接入機(jī)械攪拌器,回流冷凝器(75~85℃溫水回流)和通氮?dú)?。將瀝青(秦皇島AH-90與伊朗抽出油按質(zhì)量比1∶1混合,在130~140℃攪拌30min)加熱到反應(yīng)溫度(120~160℃),加入適量的馬來(lái)酸酐恒速攪拌反應(yīng)4~6h。再將環(huán)氧樹(shù)脂與MAH瀝青按1∶1的質(zhì)量比混合并在135±5℃攪拌30min,制得順酐化環(huán)氧瀝青。1.3環(huán)保瀝青路的適應(yīng)性1.3.1樣品固化和固化稱取加熱到流動(dòng)狀態(tài)的改性瀝青(50±0.5)g,注入豎立的鋁管中,在(163±5)℃的烘箱中靜置24h,取出盛樣管豎立置于溫度低于-2℃的冰箱中冷凍不少于4h至樣品完全固化。然后將盛樣管切成相等的3截,取上端和下端的試樣分別放入(163±5)℃的烘箱中至樣品充分流動(dòng),按GB/T06062011分別測(cè)試上下段試樣軟化點(diǎn),從而得到上下端軟化點(diǎn)差。1.3.2熒光顯微鏡分析將制備好的改性瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂在一定溫度下按特定比例混合攪拌均勻,用玻璃棒將熱的試樣滴在載玻片上,蓋上蓋玻片,待試樣冷卻凝固成膜后置于熒光顯微鏡下,觀測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂在瀝青中的分散情況。實(shí)驗(yàn)所用熒光顯微鏡為OLYMPUSBX51。2結(jié)果與討論2.1增容劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂混合的適應(yīng)性的影響2.1.1增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青的協(xié)同性表1為不同摻量的增容劑對(duì)環(huán)氧瀝青混合物離析實(shí)驗(yàn)的影響。從表1可以看出未加入增容劑時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青離析較嚴(yán)重;加入增容劑后,環(huán)氧瀝青混合物上下端軟化點(diǎn)之差明顯降低,離析減少。表明的增容劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青的相容性有較明顯的改善作用。當(dāng)增容劑摻量達(dá)到1%后,繼續(xù)增大增容劑的摻量,上下端軟化點(diǎn)之差減小較少,對(duì)兩者相容性的進(jìn)一步改善作用不明顯。2.1.2增容劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的結(jié)構(gòu)特征用熒光顯微鏡觀察環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青混合物時(shí),選擇藍(lán)色光作為激發(fā)光。在藍(lán)光區(qū)段,環(huán)氧樹(shù)脂有黃綠色熒光被激發(fā)出來(lái),而瀝青很少有被激發(fā)的熒光出現(xiàn)。觀察的結(jié)果是環(huán)氧樹(shù)脂相為黃綠色,瀝青相為黑色,同時(shí)由于是反射光場(chǎng),聚合物在瀝青中的形態(tài)不會(huì)被破壞,可以真實(shí)地觀測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂在瀝青中的形態(tài)結(jié)構(gòu)。圖1為加入不同摻量的增容劑的環(huán)氧瀝青混合物的熒光顯微鏡照片。圖中白色顆粒為環(huán)氧樹(shù)脂,黑色連續(xù)相為瀝青。由圖1可以看出,當(dāng)未加入增容劑時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂相疇粗大,顆粒尺寸跨度大,分散不均勻。加入增容劑后,環(huán)氧樹(shù)脂顆粒尺寸明顯變小,團(tuán)聚減少,分散變得均勻,且隨著增容劑摻量的增加,環(huán)氧樹(shù)脂顆粒尺寸減小,同時(shí)分散更均勻。說(shuō)明增容劑能夠減小環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青兩相的界面張力,提高環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的相容性。當(dāng)增容劑摻量達(dá)到1%(圖1(c))時(shí),環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青表現(xiàn)出很好的相容性。增容劑十二烷基苯磺酸鈉是一種表面活性物質(zhì),極性較弱的烷基鏈與瀝青分子互相吸引,而極性較強(qiáng)的磺酸基團(tuán)與環(huán)氧樹(shù)脂互相吸引,從而使環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青能夠較好的融和在一起,增強(qiáng)兩者的相容性。當(dāng)增容劑十二烷基苯磺酸鈉濃度增加到一定程度(達(dá)到臨界膠束濃度),其烷基鏈締合形成膠束,進(jìn)一步增容作用降低。2.2順?biāo)釋?duì)環(huán)氧樹(shù)脂條件下混合胺的影響2.2.1離析試驗(yàn)結(jié)果表2為環(huán)氧樹(shù)脂與不同MAH摻量瀝青的離析結(jié)果。由表2可知,環(huán)氧樹(shù)脂與未順酐化的瀝青混合物經(jīng)離析后上下端軟化點(diǎn)之差較大,這主要是因?yàn)閮烧邩O性相差大,導(dǎo)致兩者相容性差,同時(shí)在25℃時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂E51的密度大于瀝青的密度(ρ隨著馬來(lái)酸酐摻量的增加,混合物離析試驗(yàn)后上下端軟化點(diǎn)之差略有增大。推測(cè)是因?yàn)轳R來(lái)酸酐的密度(ρ2.2.2增容劑對(duì)瀝青的分散相顆粒尺寸的影響圖2是環(huán)氧樹(shù)脂與不同摻量馬來(lái)酸酐瀝青的熒光顯微鏡照片。環(huán)氧樹(shù)脂與順酐化瀝青按質(zhì)量比1∶1混合,形成以瀝青為分散相,環(huán)氧樹(shù)脂為連續(xù)相的兩相結(jié)構(gòu)。未順酐化的瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂形成的混合物結(jié)構(gòu)中,瀝青顆粒尺寸較大且分散不均一,經(jīng)順酐化的瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂形成的混合物瀝青顆粒尺寸明顯減小并且分散更均勻,表明環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青相容性得到明顯改善。當(dāng)馬來(lái)酸酐摻量達(dá)到4%后,環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青已達(dá)到很好的相容性,繼續(xù)增大馬來(lái)酸酐摻量,對(duì)兩者相容性的改善沒(méi)有明顯的作用。這可能是因?yàn)楫?dāng)馬來(lái)酸酐摻量達(dá)到一定比例后,其在瀝青分子上的接枝率達(dá)到最大值,繼續(xù)增加馬來(lái)酸酐摻量,馬來(lái)酸酐不能再與瀝青分子反應(yīng)。通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知,在瀝青中加入增容劑十二烷基苯磺酸鈉或采用順酐化的方法都對(duì)改善環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青的相容性有一定效果。但是加入增容劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和瀝青的混合物的離析降低更明顯,同時(shí)從熒光微觀鏡照片來(lái)看,加入增容劑后環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青分散更加均勻,并且分散相顆粒更小。因而,在瀝青中加入一定量的增容劑對(duì)改善環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青的相容性的改善優(yōu)于將瀝青順酐化的方法。3對(duì)瀝青的分散性能(1)增容劑能夠減少環(huán)氧瀝青的離析,使分散相顆粒尺寸減小,同時(shí)分散均勻,改善環(huán)氧樹(shù)脂與瀝青的