環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料的制備及性能研究

環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料的制備及性能研究

熱固性環(huán)氧樹脂青城材料將環(huán)氧樹脂添加到瀝青路，通過物理混合，形成以瀝青路為分散相和環(huán)氧樹脂為連續(xù)相的穩(wěn)定體系，然后與硬化反應(yīng)形成不可逆轉(zhuǎn)的硬化物。熱固性環(huán)氧瀝青共混物中還包括了增韌劑、增容劑、促進(jìn)劑、表面活性劑、消泡劑、偶聯(lián)劑等助劑,其固化反應(yīng)使共混物從熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦?因此熱固性環(huán)氧瀝青材料具有比普通瀝青優(yōu)異得多的性能,如高強(qiáng)度、優(yōu)良的抗疲勞性、良好的耐久性及抗老化性等。20世紀(jì)90年代,Gallagher首次在專利中提出用環(huán)氧化合物制備“熱固性瀝青”的概念。近些年來,對(duì)于環(huán)氧瀝青體系相容性和固化劑固化性能的研究不斷深入。國內(nèi)研究者中,亢陽等用馬來酸酐改性瀝青,提高了瀝青和環(huán)氧樹脂的相容性,并大大提高了環(huán)氧瀝青的強(qiáng)度。為了避免馬來酸酐高溫升華帶來的不良影響,賈輝等采用加入脂肪族多元醇的方法,中和改性瀝青中過量的馬來酸酐。黃衛(wèi)等采用脂肪族二元酸和脂肪族多聚酸酐固化環(huán)氧瀝青材料。王治流等使用改性長鏈脂肪族二元酸如改性桐酸和改性蓖麻油酸作為固化劑,加入芐胺作為反應(yīng)促進(jìn)劑,用低分子質(zhì)量聚醚作為消泡劑制備環(huán)氧瀝青固化物。熱固性環(huán)氧瀝青材料的出現(xiàn)是對(duì)鋪裝材料改性研究的一項(xiàng)重大突破。環(huán)氧瀝青材料在歐美等發(fā)達(dá)國家特別是在美國,應(yīng)用較早且技術(shù)先進(jìn),在道橋工程中應(yīng)用廣泛。在我國,南京長江二橋首先使用了這類材料,隨后廈門跨海大橋、上海青浦大橋、天津沽口大橋、江蘇潤揚(yáng)大橋、江蘇錫澄高速江陰段、蘇通大橋等工程均成功地使用了環(huán)氧瀝青路面材料。從實(shí)際道橋工程應(yīng)用來看,環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料主要使用于鋼橋面鋪裝,隨著人們對(duì)于環(huán)氧瀝青防水材料優(yōu)異的防水粘結(jié)特性的不斷認(rèn)識(shí),目前,環(huán)氧瀝青防水粘結(jié)材料開始逐漸在水泥混凝土橋梁中使用。作為一種新型高性能材料,環(huán)氧瀝青正越來越多地受到國內(nèi)研究者的重視,開展這方面的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文以石油瀝青和環(huán)氧樹脂為主要原料制備環(huán)氧樹脂改性瀝青材料,通過對(duì)配方進(jìn)行調(diào)整,研究了固化劑、增容劑、增韌劑、環(huán)氧樹脂的選擇和配比對(duì)于環(huán)氧瀝青材料離析、黏度、拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率的影響,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論,提出了優(yōu)化配比。1實(shí)驗(yàn)1.1固化組分和b組分制備熱固性環(huán)氧瀝青的原料主要有石油瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑和助劑(包括增韌劑、增容劑、促進(jìn)劑、表面活性劑、消泡劑、偶聯(lián)劑等)。固化組分也稱A組分,包括石油瀝青、固化劑和助劑;環(huán)氧樹脂也稱B組分。當(dāng)兩組分相混合時(shí),環(huán)氧樹脂兩端的活性環(huán)氧基團(tuán)被固化劑的活性基團(tuán)打開,進(jìn)而形成了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)不溶于任何溶劑,也不會(huì)發(fā)生熔化,是一種極其穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu),從而賦予瀝青優(yōu)良的物理力學(xué)性能。1.2主要原材料70#瀝青(性能見表1)、環(huán)氧樹脂E-51(性能見表2)、固化劑、助劑(增韌劑、增容劑、促進(jìn)劑、表面活性劑、消泡劑、偶聯(lián)劑等)。1.3拉伸斷裂性能試驗(yàn)道橋用環(huán)氧樹脂改性瀝青材料的制備工藝流程見圖1。1)A組分原料的準(zhǔn)備:將瀝青、固化劑、助劑(增韌劑、增容劑、促進(jìn)劑、表面活性劑、消泡劑、偶聯(lián)劑)按照一定的順序和配比在100～140℃溫度下高速剪切混合60～120min,得到A組分;2)將預(yù)熱至80℃的B組分環(huán)氧樹脂按照一定的比例加入到A組分中,在120～140℃溫度下共混10～15min;3)在120℃烘箱中固化4h,即得到環(huán)氧改性瀝青材料。按照GB/T528—1998測(cè)試方法,測(cè)定環(huán)氧改性瀝青材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率。按照J(rèn)TJ052—2000測(cè)試方法,用布氏黏度計(jì)測(cè)定混合料在120℃試驗(yàn)條件下黏度增加至1Pa·s的時(shí)間(min)。按照SH/T0740—2003測(cè)試方法,通過測(cè)定環(huán)氧瀝青的離析程度來表征其相容性。1.4基本組成道橋用環(huán)氧樹脂改性瀝青材料的基本配方見表3。2結(jié)果與討論2.1增容劑的用量環(huán)氧樹脂和石油瀝青由于在化學(xué)結(jié)構(gòu)、極性、表面張力、分子量(黏度)上的巨大差異,兩者混合時(shí)相容性較差,從而使環(huán)氧樹脂在瀝青中易離析,導(dǎo)致其力學(xué)性能降低。因此為了制備性能均一和穩(wěn)定的環(huán)氧瀝青混合料,改善環(huán)氧樹脂與瀝青的分散性,提高二者的相容性能,就需要在體系中加入一定比例的增容劑。本研究使用了自制的增容劑加入到環(huán)氧瀝青中,考察了增容劑的不同配比對(duì)環(huán)氧瀝青性能的影響,見圖2。圖2表明,當(dāng)體系中未加入增容劑時(shí),密度較大的環(huán)氧樹脂由于與瀝青相容性差而在高溫儲(chǔ)存過程中沉降到底部,而環(huán)氧樹脂的軟化點(diǎn)比瀝青的小,致使底部軟化點(diǎn)遠(yuǎn)小于頂部,產(chǎn)生了較大的離析。而隨著增容劑的加入,環(huán)氧瀝青的相容性明顯改善,當(dāng)增容劑的添加量增加到1.5%時(shí)離析減小至8.5℃。圖2還表明,隨著增容劑用量的增加,環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度也隨之增加,在增容劑用量為1.5%左右時(shí)出現(xiàn)最大值,此后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵鋈輨┛梢愿纳骗h(huán)氧樹脂在瀝青中的分散性,同時(shí)具有增塑劑的作用,所以過多地加入增容劑,反而使環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度減小。因此,增容劑的配比應(yīng)該為環(huán)氧瀝青總質(zhì)量的1.5%左右。2.2采用3種固化劑的體系環(huán)氧瀝青最大的優(yōu)勢(shì)就是從根本上改變了瀝青本身的熱塑性,使得材料最終具有熱固性產(chǎn)物的種種特性。而熱固性材料的性能優(yōu)劣取決于材料與固化劑發(fā)生固化之后所得到的產(chǎn)物,因此固化劑的選擇尤為重要。固化劑的選取要考慮固化產(chǎn)物的性能、固化溫度和時(shí)間,以及固化體系的相容性和黏度等。通常使用的固化劑為脂肪族多胺、脂環(huán)族多胺、芳香族多胺、酸酐類等。本研究中使用3種固化劑(胺類固化劑A,環(huán)狀酸酐B,長鏈脂肪族酸酐C),研究了分別使用這3種固化劑的體系在120℃固化時(shí)黏度增至1Pa·s的時(shí)間,見圖3。從圖3中可以看出,使用酸酐固化劑B和C時(shí),體系在120℃固化時(shí)黏度增至1Pa·s的時(shí)間要明顯長于胺類固化劑A,固化劑B和C都超過了40min,而固化劑A約為10min;而比較固化劑B和C我們可以看出,固化劑C的時(shí)間要長于固化劑B,約為60min。經(jīng)過試驗(yàn),我們還發(fā)現(xiàn)固化劑C與體系相容性較好,并且可以有效地增加固化產(chǎn)物的柔韌性?；谝陨显?本研究中使用了固化劑C,并考察了固化劑的不同配比對(duì)環(huán)氧瀝青性能的影響,見圖4。從圖4中看出,隨著固化劑用量的增加,環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度先緩慢上升;當(dāng)比例大于50%后,環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度迅速增大;而當(dāng)比例超過70%后,環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度又迅速減小。這是因?yàn)?當(dāng)體系中固化劑不足時(shí),環(huán)氧樹脂上的環(huán)氧基反應(yīng)效率低;而當(dāng)體系中固化劑過量時(shí),導(dǎo)致固化劑反應(yīng)效率降低。這都導(dǎo)致體系交聯(lián)密度降低,使固化物未能形成理想的網(wǎng)狀交聯(lián)狀態(tài),從而使環(huán)氧瀝青拉伸斷裂強(qiáng)度受到影響。因此,固化劑的配比應(yīng)為環(huán)氧樹脂的70%左右。2.3聚合物改性瀝青的協(xié)同改性環(huán)氧樹脂固化物較脆,因此國內(nèi)外研究人員對(duì)其進(jìn)行了大量的增韌改性研究;改性用彈性體主要是丁腈和聚硫橡膠,另外還有端胺基、端羥基、端乙烯基丁腈橡膠。近年來,采用聚氨酯、聚硅氧烷、聚丙烯酸酯類彈性體增韌環(huán)氧樹脂的研究也在深入開展。此外,還有采用改性用熱塑性樹脂如聚砜、聚碳酸酯的。通過聚合物改性劑的使用,可以改善環(huán)氧樹脂的柔韌性,從而提高環(huán)氧改性瀝青的變形適應(yīng)能力。但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中,隨著聚合物改性劑的加入,反應(yīng)體系的黏度明顯增加,這給反應(yīng)體系的后續(xù)操作帶來了困難。本研究使用了一種液態(tài)活性增韌劑,考察了不同配比增韌劑對(duì)環(huán)氧瀝青性能的影響,見圖5。圖5表明,增容劑的加入可以顯著提高環(huán)氧瀝青的斷裂延伸率,但過量的增韌劑反而會(huì)使延伸率降低。當(dāng)增容劑的添加量為15%時(shí),環(huán)氧瀝青的斷裂延伸率達(dá)到了最大值;此后隨著增容劑添加量的增加,環(huán)氧瀝青的斷裂延伸率呈下降趨勢(shì)。原因是:液態(tài)活性增韌劑分子結(jié)構(gòu)中含有高密度的活性反應(yīng)基團(tuán),可以使固化物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中醚網(wǎng)絡(luò)的比例明顯增加,固化過程中自行相分離,形成與主相連接緊密的“海島”結(jié)構(gòu),從而增加固化物的柔韌性。而過量的增韌劑會(huì)影響環(huán)氧瀝青的固化效果,致使其斷裂延伸率降低。因此,增韌劑的配比應(yīng)為環(huán)氧樹脂的15%左右。2.4影響料性能的因素環(huán)氧瀝青材料是將環(huán)氧樹脂加入瀝青中,使瀝青和環(huán)氧樹脂經(jīng)過物理共混,形成以瀝青為分散相、環(huán)氧樹脂為連續(xù)相的穩(wěn)定體系,環(huán)氧樹脂的摻量對(duì)環(huán)氧瀝青材料的性能有很大的影響。本研究在環(huán)氧瀝青中加入了不同比例的環(huán)氧樹脂,考察了環(huán)氧樹脂的配比對(duì)環(huán)氧瀝青性能的影響,見圖6。圖6表明,環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加而增大。環(huán)氧樹脂摻量低于30%時(shí),拉伸強(qiáng)度隨環(huán)氧樹脂摻量的變化較小,當(dāng)摻量高于30%時(shí),拉伸斷裂強(qiáng)度隨環(huán)氧樹脂摻量的增加而明顯增大。而隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加,環(huán)氧瀝青的斷裂延伸率逐漸減小,當(dāng)摻量高于30%時(shí),斷裂延伸率隨環(huán)氧樹脂摻量的增加而明顯減小。3固化劑、增強(qiáng)材料對(duì)環(huán)氧瀝青性能的影響1)增容劑可顯著提高環(huán)氧樹脂與瀝青的相容性,使分散在瀝青中的環(huán)氧樹脂顆粒更小、分布更為均勻,從而減小環(huán)氧瀝青的離析;同時(shí),適量的增容劑還可以提高環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度,而過量的增容劑則使環(huán)氧瀝青的拉伸斷裂強(qiáng)度有所減小。2)固化劑對(duì)于環(huán)氧瀝青的性能有著至關(guān)重要的作用。當(dāng)體系中固化劑不足或過多時(shí)都將導(dǎo)致體系交聯(lián)密度降低,使固化物不能形成理想的網(wǎng)狀交聯(lián)狀態(tài),從而使環(huán)氧瀝青的性能受到影響。其中,長鏈脂肪族酸(酐)類固化劑的黏度較低,在常溫下多為液態(tài),適宜與瀝青拌和。這類固化劑與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)可操作時(shí)間較長,而且加入促進(jìn)