（道路与铁道工程专业论文）环氧沥青结合料的试验研究.pdf

摘要 随着我国交通事业和国民经济的不断发展，公路建设规模逐渐扩大，交通量 迅速增加，车辆大型化和重载对沥青路面的质量提出了更高的要求，而且大跨径 桥梁的正交异性面板由于其受力和变形较为复杂，对其铺装层的路用性能要求也 较高，采用一般的重交沥青难以达到要求，越来越多的高等级路面和钢桥面铺装 采用了聚合物改性沥青。常用的聚合物改性沥青采用沥青和热塑性树脂或橡胶进 行共混，将改性剂分散形成颗粒状、丝状、网络状等形式以实现对基质沥青加劲 和增韧，这些分散形式在荷载以及温度作用下很容易发生破坏。本文采用热固性 树脂一环氧树脂对沥青进行改性，以获得一种不可逆的化学交联的空间网络实现 对沥青加劲，可以有效地抵抗外力和温度作用。 环氧沥青是指将环氧树脂加入沥青中，而后加入合适的硬化剂，在与硬化剂 反应后形成不可逆的热固性化合物。与其他改性沥青相比，环氧沥青的制备和使 用技术较为复杂，在制备和应用过程中还存在着许多难以解决的问题。我国在这 一领域还一直停滞不前，且由于国外此类技术的保密和专利限制，使得这方面研 究的进展更为缓慢。本文根据这一现状，立足国内现有技术，从环氧沥青的改性 剂选取、配制到环氧沥青混凝土的组成设计都做了大量工作，为今后研究做好准 备。 本文首先分析了单纯环氧树脂体系基本性能存在的优缺点和不足，根据环氧 树脂中温固化体系的基本特点及环氧树脂与沥青组成结合材料的限制，从环氧树 脂本身、相容剂、固化剂、增韧剂、促进剂、偶联剂、沥青等方面提出了对环氧 沥青进行改性的设计思路，分析了各种材料的改性机理，并通过研究酸酐类固化 剂与环氧树脂的反应机理，分析环氧树脂与沥青之间在化学结构、极性、表面张 力等方面的差异后，依据路用性能、施工性能等原则，选取了适合用于制备环氧 沥青的相容剂、固化剂等，最终确定了环氧沥青体系的基本配方和配制的基本方 法。 然后选择了双酚a 型环氧树脂及相应的酸酐类固化剂体系作为沥青改性剂， 将此体系添加到沥青中组成环氧沥青a 组分，环氧树脂单独作为b 组分。使用时 将a 、b 组分在规定的温度下混和搅拌均匀便构成了环氧改性沥青结合料。对设 计出的环氧沥青结合料性能进行评价，如相容性、抗剪强度、抗拉强度、弯曲变 形能力、拉伸性能等，并与其它类型的材料进行了对比；另外，根据钢桥面铺装 对粘结材料的要求，对自制环氧沥青进行了高温碾压性能测试，进一步了解此种 新材料的使用性能，提出了今后对材料具体的改进方向；根据自制环氧沥青的特 性及路用性质，利用旋转粘度计对其a 、b 组分混合后的粘度进行跟踪测量，利 用测出的粘时曲线来指导加料与摊铺时间；初步探讨了环氧沥青粘结层的施工工 艺及方法。 关键词：环氧树脂体系：环氧树脂沥青；环氧沥青混凝土：相容性：强度：粘度 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o na n de c o n o m i c ，r a p i d - i n c r e a s i n gt r a f f i ca n d o v e r l o a d ，d e s t r o yo fp a v e m e n to nh i g h w a yo ro r t h o t r o p i cd e c kc a u s e sm o r ea t t e n t i o n 0 nq u a l i t yo fa s p h a l tm i x t u r e s m o r ea n dm o r eh i g h l e v e la s p h a l tp a v e m e n ta n ds t e e l d e c kp a v e m e n ta d o p tp o l y m e r m o d i f i e da s p h a l t c o n v e n t i o n a lp o l y m e ra s p h a l ta d o p t s t h e r m a l - p l a s t i cp o l y m e ro rr u b b e ra sm o d i f i e r ，w h i c he x i s t si nf o r mo fp a r t i c l e ，t h r e a d o rn e t w o r k u n d e ra c t i o no fl o a d a n d t e m p e r a t u r e ，t h e s e n e t w o r k sw i l lb e d e s t o r y e d t h i st h e s i ss t u d i e do nak i n do fp o l y m e ra s p h a l tm o d i f i e dw i t ht h e r m o s e t 。 t i n gr e s i n e p o x yr e s i n t h ee p o x ya s p h a l ti st h a tp u tt h er e s i n e p o x yi n t oa s p h a l t ，t h e np u tt h es c l e r o s a n t i n t ot h em i x t u r ef o r m t h ei r r e v e r s i b l et h e r m o s e t t i n gc o m p o u n d c o n t r a s tt ot h eo t h e r m o d i f i e da s p h a l t ，t h ep r e p a r a t i o na n da p p l i e dt e c h n i q u eo fe p o x ya s p h a l ta r em o r e c o m p l e x , t h e r ea r em a n yp r o b l e m si nt h ec o u r s eo fp r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o bt h a t d i f f i c u i tt os o l v e n o wo u rc o u n t r ya r el a g g a r di nt h i sf i e l d ，a n dt h ea l l i e dt e c h n i q u ei n t h ef o r e i g nc o u n t r y sa r ec o n f i d e n t i a la n dp a t e n t ，m a k et h ep r o g r e s sm o r es l o w l y t h i s t h e s i si nl i g h to fc u r r e n ts i t u a t i o n ，s t a n do nt h ed o m e s t i ct e c h n o l o g yi nh a n d ，t a k et h e v a s tt a s kf r o mt h es e l e c tm o d i f i e r 、p r e p a r a t i o nt ot h ec o m p o n e n td e s i g no fe p o x y a s p h a l tc o n c r e t e ，t a k et h ep r e p a t a t i o n t of u t u r e f i r s t l y , t h i sp a p e ra n l y s i s t h ea d v a n t a g e sa n dl a c k s o fp u r e e p o x y 。r e s i n s v s t e m s , a c c o r d i n gt ot h eb a s i c f e a t u r e sa n db o n d e dm a t e r i a l l i m i t a t i o n ，f r o mt h er e s i n i t s e i f 、c o m p a t i b i l i z e r 、h a r d e n e r 、f l e x i b i l i z e r 、a c c e l e r a t o r 、c o u p l i n ga g e n t a n da s p h a l t e t cf r o mm a n ya s p e c t sa n a l y s i se v e r ym a t e r i a l s m o d i f i e dm e c h a n i s m a n d r e s i n , r e s e a r c ht h ed i f f e r e n c e so fc h e m i c a ls t r u c t u r e 、p o l a r i t y 、w o r k a b i l i t y , s e l e c t s u i t a b l ec o m p a t i b i l i z e r 、h a r d e n e ra n ds oo nt op r e p a r e ，u l t i m a t e l yd e t e r m i n et h eb a s i c f o r m u l aa n dm e t h o d s t h e nc h o o s et h eb i s p h e n 0 1 ae p o x y r e s i na n dc o r r e s p o n d i n ga c i d a n h y d r i d e h a r d e n e rs y s t e ma st h em o d i f i e r ，a d dt h i ss y s t e mt oa s p h a l tc o m p o s et h ec o m p o n e n t a 1 e tt h ee p o x y r e s i na st h ec o m p o n e n tb w h e nu s e d ，p u tt h ec o m p o n e n ta a n db s t i r r e du n i f o r m l yt of o r mt h ee p o x ym o d i f i e da s p h a l tb i n d e ru n d e rt h ep r e s c r i p t i v e t e m p e r a t u r e t a k et h ee v a l u a t eo nt h eb i n d e r sp e r f o r m a n c e ，s u c ha sc o m p a t i b i l i t y 、 s h e a rs t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h ，b e n d i n g d e f o r m a t i o nc a p a c i t y ，t e n s i l ep r o p e r t ya n d s oo n ，a l s oc o n t r a s tt ot h eo t h e rm a t e r i a l s ；a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t o fa d h e s i v e m a t e r i a l so ns t e e ld e c kp a v e m e n tc a r r i e do u t t h et e s to nt h eh i g ht e m p e r a t u r e p r o p e r t y ，i n v e s t i g a t e m o r ea b o u tt h i sn e wm a t e r i a l 7 s u s a g e ，p u t f o r w a r dt h e m i m p r o v e m e n td i r e c t i o ni nt h ef u t u r e t nl i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c eo fs e l f m a d ee p o x ya s p h a l t ，u s et h er o t a r yv i s c o m e t e rt a k et h et r a c k i n g m e a s u r e m e n to nt h em i x t u r e ，u s i n gt h ev i s c o s i t y - t i m ec u r v et og u i d et h ef e e d i n ga n d p a v i n g ，p r e l i m i n a r i l ye x p l o r et h ec o n s t r a c t i o nt e c h n i q u ea n dm e t h o do ne p o x y - a s p h a l t b i n d e r k e yw o r d s ：e p o x y - r e s i ns y s t e m ；e p o x y r e s i na s p h a l t ；e p o x y - r e s i na s p h a l t c o n c r e t e ；c o m p a t i b i l i t y ；s t r e n g t h ；v i s c o s i t y i v 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：划丸爿 日期：沙缉箩月业日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：到彻巨日期：矽。踔芗月业日 导师日期：年月日 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 在现代经济飞速发展的今天，人们的生活节奏不断加快，出行日益增多，经 济交往日益频繁，这就对日常生活中不可缺少的交通条件提出了越来越高的要求。 现阶段，交通条件很难满足社会的需求。目前交通通顺不能得以保证的主要原因 是道路的频繁翻修和重建。这一方面是由于车辆的超载现象较为严重；另一方面 也是因为道路材料的本身性能还有欠缺。为了解决这一问题，在整治超载现象的 同时，对于铺装材料的改性研究日益引起了交通和材料领域的广泛关注，成为当 今道桥研究方向的一大热点。 在公路建设中，沥青路面作为一种无接缝连续式路面，由于力学强度高、稳 定性好、行车平稳舒适、振动小、噪音低、适应面广以及便于维修养护等诸多优 点，一直受到世界各国的重视，并被广泛采用。我国应用沥青路面也相当广泛， 据不完全统计，在高级、次高级路面中所占的比例达到9 5 以上。随着现代公路 交通向着高速、重载、大流量和渠化明显的方向发展，加之我国地域广阔，气温 差别大，严酷的气候条件和荷载作用，使沥青路面出现不同形式的病害。沥青路 面最常见的病害有水损害、收缩开裂和车辙。水损害破坏是指沥青路面在存在水 分的条件下，经受交通荷载和温度应力的反复作用，水分逐渐侵入到沥青与集料 的界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜渐渐地从集料表面剥离，并导致集料 之间的粘结力丧失而发生路面破坏的过程。在季节性冰冻地区和多雨潮湿地区， 沥青路面更易产生松散、坑槽等水损害破坏形式。沥青路面低温裂缝普遍存在。 我国高速公路目前几乎全部采用半刚性基层，而半刚性基层材料收缩裂缝的反射 使沥青路面裂缝加剧，裂缝不仅影响路面的使用状况，而且从裂缝中进水，直接 影响基层乃至路基的强度和稳定性，从而影响路面的使用寿命。另外在高温季节， 特别是超载路段，车辙已成为沥青路面最严重的破坏形式。沥青路面在重载作用 下造成的车辙、推移、波浪、拥包等病害使得沥青路面的路用性能迅速下降，这 些车辙和拥包主要产生在行车道轮迹处，当车辆在行驶过程中，稍稍偏离行车方 向时就会引起车辆的左右晃动，给乘客带来不舒适的感觉。当车辙的深度达到一 定的程度，足以在轮迹带内积水，使得在其上快速行驶的车辆容易产生水漂。在 寒冷季节，积水结冰使得沥青路面的抗滑性能大大降低，影响行车安全。我国的 许多沥青路建成不久后就出现了表面性能低下、车辙与开裂等早期破损的严重问 题。而这些问题往往是在远未达到沥青路面的设计年限以前，与沥青路面的设计 理论中按反复荷载产生的疲劳破坏的次数相差甚远。在我国，高速公路及一级公 路沥青路面的设计寿命为1 5 年，而实际上我国目前的高速公路6 - - - 8 年、一级公 路2 3 年，就要大面积维修，这不得不引起我们的反思。 为了减轻沥青路面上述的病害，满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性， 必须改善和提高沥青混合料的路用性能。这些路用性能包括沥青路面的低温抗裂 性能、高温性能和表面性能。然而上述沥青混合料的性能要求往往相互矛盾，为 了提高高温抗车辙能力，尽量多采用粗集料，减少用油量，采用较稠沥青，但这 种混合料易产生低温开裂；而提高低温抗裂性能，则要求增加用油量，采用较密 级配集料，较稀的沥青，但其易出现车辙、泛油、拥包。所有这些病害都与路面 材料有很大的关系，是传统的路面材料难以解决的问题，这为开发新的路面材料 提出了期望。如何改善沥青混凝土路面的使用品质、延长沥青路面的使用寿命及 提高投资效益是我国道路部门所面临的重要课题。 沥青是一种同时具有粘性和弹性的材料，具体表现为它的流动性和抗流动性 共存。当温度较高时，沥青容易流动；当温度降低到一定程度以后则表现出完全 相反的抗流动性能，改变为弹性占主导地位。因此，在夏季高温条件时，沥青铺 面容易出现车辙，而在冬季寒冷季节则会出现温缩裂缝，这在很大程度上影响了 行车的安全性、舒适性和耐久性。沥青改性的主要目的是改善沥青的路用性能， 使其满足设计使用期间交通条件的要求，如减少高温时的永久变形或增加低温时 的抗疲劳性能，或者都有。此外，还可以改善结合料与矿料的粘附力、粘结强度 和结合料的抗氧化能力。结合沥青铺面可能出现的破坏情况，目前采用的沥青材 料需得到以下几个方面的改善： 首先，为了避免沥青铺面在高温天气行车荷载下出现种种破坏情况，必须保 证沥青材料在高温时具有足够的劲度模量。沥青混合料的高温性能的改善可以从 两个方面入手，一是改变级配，控制剩余空隙率；二是利用高分子聚合物来提高 沥青本身的性能，这也是目前的研究热点之一。 第二，为了适应降温收缩过程中的行车，要求沥青混合料在低温时具有良好 的应力松弛性能，不至于产生很大的应力积聚，进而不会出现疲劳开裂。当沥青 的稠度较低、温度敏感性较小时，其混合料的低温抗裂性能较好。但是，同时沥 青的老化将使得材料变脆，抗裂性能恶化。因此，要使这种情况得到根本的解决， 仍然需进行沥青材料的改性研究。 此外，沥青铺面的耐久性包括其抗老化性能、疲劳性能和水稳定性能都需要 从混和料的配比以及沥青原材料的改性上得以解决。 1 1 1 沥青常用的聚合物改性剂 聚合物改性沥青的研究和开发已有一百多年的历史。上世纪三十年代，国外 已经采用橡胶粉沥青铺筑干线公路和城市道路路面。六十年代进一步开展了树脂 沥青的研究和应用。七十年代末，我国开始探索聚合物改性沥青。现已从橡胶粉 2 沥青进入到热塑性橡胶沥青的研究和应用，并已铺设了大面积的聚合物改性沥青 路面。 目前应用于沥青改性的改性剂使用最多的是聚合物改性剂，一般可分为三类 1 2 j l ，1 ：( 1 ) 热塑性橡胶类：即热塑性弹性体，主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙烯 一丁二烯一苯乙烯( s b s ) 、苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯( s i s ) 、苯乙烯一聚乙烯 丁烯一聚乙烯( s e b s ) 等嵌段共聚物，由于它具有橡胶和树脂两类沥青改性剂 的结构和性质，故称为橡胶树脂类i4 1 。属于热塑性橡胶类的还有聚酯弹性体、聚 乙烯丁基橡胶浆聚合物、聚烯烃弹性体等，由于具有良好的弹性，已成为目前世 界上使用最为普遍的道路沥青改性剂。( 2 ) 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶 ( s b r ) 、氯丁橡胶( c r ) 、丁二烯橡胶( b r ) 、异戊二烯橡胶( i r ) 等。其中s b r 是世界上应用最为广泛的改性剂，尤其是它乳化形式的使用越来越广泛。( 3 ) 树脂 类。常用的树脂分为两类：热塑性树脂和热固性树脂。热塑性树脂如聚乙烯( p e ) 、 聚丙烯( p p ) 、聚苯乙烯( p s ) 、乙烯一乙酸乙烯酯共聚物( e v a ) 等；热固性树 脂如环氧树脂( e p ) 、酚醛树脂( p f ) 等。最常见的改性剂为s b s 、s b r 、p e 、 e v a 等。 ( 1 ) s b s s b s 是苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物，以丁二烯和1 ，3 苯乙烯为单 体，采用阴离子聚合制得嵌段共聚物，这种热塑性弹性体具有多相结构，每一 个丁二烯链段( b ) 的末端都连接一个苯乙烯嵌段( s ) ，若干个丁二烯链段偶联 成线型或星型结构。其中聚苯乙烯链段( s ) 在两端分别聚集在一起，形成物理 交联区域，即硬段，也称为约束相；而聚丁二烯链段( b ) 则形成软段，也可以 称为连续相，呈高弹性。 ( 2 ) s b r s b r 是通过苯乙烯和丁二烯聚合而成。尽管其结构中存在侧基，但是由于侧 基的数量极少，所以丁苯橡胶的分子链是相当柔顺的“- ，其链节的接触点很多， 且又相互绞结在一起，当橡胶分子被拉伸时，能顺着外力方向舒展开来，而当外 力消除后，便回复到卷曲状态，这样就形成橡胶的高弹性。 ( 3 ) p e 聚乙烯是由乙烯单体聚合而成，按照合成方式的不同，分为高压聚乙烯、中 压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯又称为低密度聚乙烯，在众多的聚乙烯牌号 中，只有低密度聚乙烯能够用于改性沥青。因为低密度聚乙烯其平均分子量很大， 可以达到3 0 万以上，主链上带有数量较多的烷基侧链和较短的甲基支链，成为一 种呈分枝的树枝状结构，导致其柔软性、伸长率、耐冲击性都较高密度聚乙烯好。 ( 4 ) e v a e v a 为乙烯一醋酸乙烯共聚物，常温下呈透明颗粒，由于乙烯支链上引入醋 3 酸基团，使e v a 较p e 富有弹性和柔韧性，尤其是能够较好地融于沥青中。e v a 的性能受到分子量及乙酸乙烯的含量支配。在e v a 中，聚乙烯紧密地组合在一起 形成所谓结晶区，体积大的乙酸乙烯基团破坏了聚乙烯的紧密排列成为非结晶区 或无定形似胶物的区域。聚乙烯结晶区具有相当的劲度，起到加劲的作用，乙酸 乙烯非结晶区起到类似橡胶的作用。因此，乙酸乙烯含量越高，或基团越大，则 似胶物的比例越大，相反结晶体的比例越少。 1 1 2 热固性树脂改性沥青 热固性树脂是一种分子链上具有活性基团的高分子树脂，在和固化剂反应后， 能够形成交联的空间网络。这种固化后的热固性树脂性能上表现为高温不熔化， 也不溶于任何溶剂而热塑性树脂是线型分子或者支链型线型分子，即使有交联， 交联度也比较低，在物理作用下可以适度的打开t 7 j 。常用的热固性树脂有四大类： 酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树酯和聚氨酯。这四种热固性树脂具有不同的 性能，在使用范围上也多有不同。酚醛树脂和环氧树酯多用于胶粘剂领域，而不 饱和聚酯树脂多用于胶粘剂、油漆、涂料等，聚氨酯多用于泡沫材料、弹性材料 等。这四种热固性树脂在实际中都有广泛的应用，但用于沥青改性，并满足路用 性能要求的较少。 对于聚氨酯，由于其采用异氰酸脂，极其容易与水结合反应而生成聚脲和二 氧化碳，所生成的二氧化碳可以作为发泡剂，这也是其作为泡沫材料( 如海绵) 原材料的原因t $ 1 1 。但是实际上，由于铺筑混凝土的集料不可避免地存在水分， 当这些水分和异氰酸脂发生反应时，就在混凝土中产生气泡，从而在混凝土中形 成大量的空隙，有的空隙甚至肉眼可以分辨。这些空隙的存在可以导致混凝土的 密度和强度的降低，增加水分的渗入渠道，降低混凝土的水稳定性。由于空隙的 存在，加快聚合物的老化进程，在环境和荷载作用下，混凝土的品质急剧下降。 在道路和桥梁工程中，聚氨酯改性沥青可以用在混凝土的填缝料、减震支座、桥 梁伸缩缝等。 不饱和聚酯树脂虽然通过选择合适的材料和工艺，可以调节其柔软度和强度， 并且可以采用单体引发交联成型，可以配制成单组分的材料，有利于材料的运输 和储存1 1 0 1 。但是由于不饱和聚酯树脂耐老化性能较低，在环境和行车荷载反复作 用下老化进程加剧，寿命缩短。相比酚醛树脂和环氧树脂而言，其与石料、钢板 等粘结力较低，水稳定性较差，也不宜作为热固性沥青改性剂。 酚醛树脂和环氧树脂两种材料，都是生产历史较长、用途极广的材料，而且 耐候性、稳定性、粘结性、强度等都很高，都可以作为沥青的热固性改性材料n “。 一般情况下，采用常规的固化剂，二者的玻璃化温度都较高，强度较高。其中酚 醛树脂玻璃化温度更高，超过2 0 0 ，多用于耐高温的领域，环氧树脂的玻璃化 温度相对低一些，一般为1 0 0 - - 2 0 0 。对于道桥工程，其使用温度一般都在1 0 0 4 以下，而且还要耐- 2 0 c 的低温，采用二者作为热固性改性沥青材料，均需要对 其进行改性，才能保证道路铺装层的高温和低温的要求。相比之下，最具有前景 的沥青改性热固性树脂就是环氧树脂。 1 2 国内外研究概况 环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生固化反应，形成不可逆 的固化物，这种材料从根本上改变了沥青的热塑性质，而赋予沥青全新的优良物 理力学性质。用环氧沥青拌制的沥青混凝土，其路用性能比普通的沥青混凝土优 异得多。 早在1 9 6 1 年，m i k a 等n 就第一次报道了一种环氧树脂改性沥青。，用松焦油 作共溶剂最终形成了一种不熔不溶的材料。此后，单组份1 1 + 1 1 ”，和三组分钉的环 氧树脂改性沥青材料不断涌现；同时也发明了其共溶剂1 1 1 01 9 7 9 年，h a y a s h i 等“ 提出了一种双组分的环氧树脂改性沥青，其中a 组分是一种环氧树脂，b 组分是 顺酐改性的沥青类物质加上胺类的环氧树脂固化剂。然而b 组分中的顺酐和胺类 容易相互反应而大大降低其稳定性。同年，d o i 等报道了另外一种双组分的环 氧改性沥青，其中a 组分是热的沥青，b 组分是一种环氧树脂和含有2 个活泼h 的胺类，但这个方法也未能保证b 组分的稳定性，而且由于环氧树脂和沥青之间 相容性很差还容易产生离析现象。g a l l a g h e r 等“明确提出了热固性沥青的概 念。然而，这些研究都把重心放在了作为涂料或者屋顶铺面材料，而不是作为道 路或桥梁铺装材料上。 日本北海道大学土木工学科的间山正一、营原照雄在7 0 年代就对环氧沥青混 凝土的配制、模量、应力松弛性能、破坏性能等进行了研究。环氧沥青混凝土作 为高性能材料，在国外工程中得到了较为广泛的应用，英国的壳牌石油公司、日 本的w a t a n a b e g u m i 公司、美国的c h e m c o s y s t e m s 公司也都已生产专利的环氧沥 青商品出售( 如壳牌石油公司的s h e l l g r i ps y s t e m ，w a t a n a b e g u m i 公司的w - e p o x y 等) 。由于环氧树脂价格较高，与普通沥青混合料相比，环氧沥青混合料要高出 1 0 2 0 倍，加之施工技术要求也较高，因而被认为是超高级的路面材料。 因为环氧沥青的性能优越，能够抵抗住在环形交叉口或接近红绿灯处等大多 数由汽车引起的路面内部的高应力。同时由于沥青中的环氧树脂使结合料因化学 反应而凝固变硬，其后不会因环境的高温而使沥青混凝土出现流动状态，所以环 氧沥青混凝土适用于超重载道路。 1 9 6 7 年环氧树脂沥青混凝土首次用做美国s a nm a t e o h a y w a r d 大桥正交异性 钢板桥面的铺装层，其中环氧沥青及固化剂由壳牌石油沥青公司提供。随着环氧 沥青混合料在s a nm a t e o h a y w a r d 大桥的应用成功，此后广泛应用于受力状况异 5 常复杂的正交异性钢桥面铺装。如美国加州的s a nd i e g oc o r o n d o 桥、路易斯安娜 州的l ul i n g 桥等。近三十年来使用这种材料进行钢桥面铺装的国家主要有美国、 加拿大、荷兰和澳大利亚，其中美国应用最为广泛。迄今为止，壳牌环氧沥青用 于桥面铺装层的数量已达到了1 0 0 0 0 0 吨，共计6 5 0 0 0 0 0 平方英尺n ”。 日本的w a s t a n a b e g u m i 公司生产的环氧沥青采用的是柔性沥青，外加的沥青 为直馏沥青，具有优良的抵抗车辙能力、优异的变形能力以及良好的耐久性和耐 候性“”。 文献乜3 ，采用0 2 1 2 份的带有环氧官能团聚合物、8 0 份沥青以及一种能够增 加沥青和环氧化物的粘结的酸性化合物共同组成的改性沥青，改性后的沥青表现 出动态剪切流变劲度显著地提高。 文献“采用1 0 0 份环氧树脂、1 0 - - 2 0 0 0 份马来酸酐化沥青及1 0 1 0 0 0 份的 环氧树脂的固化剂组成的环氧沥青。该研究采用石油沥青，为了增加石油沥青和 环氧树脂的相容性，将沥青和马来酸酐进行反应，其中沥青的用量为1 0 0 份，马 来酸酐的用量为0 2 , - - - 2 0 份，反应在1 3 0 - 2 6 0 环境下，并施加1 - 3 0 个大气 压，以形成马来酸酐化沥青。采用该种方法可以大大提高沥青和环氧树脂的相容 性。 环氧沥青在道路工程的应用始于欧洲。早在1 9 7 4 年，法国在b l o i s 公路、1 9 7 5 年英国伦敦在f i l m e r 路上铺筑了环氧沥青混凝土，使用状况良好。1 9 8 6 年，英国 斯塔福德郡的基尔m 6 高速公路上铺筑了一段用热压式沥青混合料中掺加环氧树 脂改性剂的全面试验路，至1 9 9 0 年，试验工作还在继续进行，而混合料的路用性 能仍然表现良好。 国内环氧沥青的研究最早主要应用于防腐涂装行业，将煤焦油沥青和环氧树 脂、固化剂及其它辅剂共混后制成环氧沥青涂料涂覆于管道、钢桥、屋顶、码头、 水泥混凝土构件等表面防腐i l s l 。环氧沥青涂料的防腐性能优越，能抵抗微生物的 侵蚀，耐久性也好，有关这方面的产品和专利较多。但是由于煤焦油沥青种含有 苯、葸、萘等对人体健康有害的物质，从而限制其作为道路铺装材料的大规模使 用。 国内道桥行业对环氧沥青的研究起步较晚。最初与环氧沥青相关的也是环氧 煤焦油沥青，主要应用于路面裂缝的修补。上海市政工程管理处和同济大学于 1 9 9 2 年至1 9 9 5 年期间研究了环氧沥青混凝土的配制原理、配制方法、热拌、冷 拌环氧沥青混凝土的物理力学性质，对环氧沥青混凝土的物理力学性能进行了综 合评价，提出了热拌、冷拌环氧沥青混凝土的设计和施工指南，并在上海龙吴路 滩铺了一段2 0 0 m 2 的试验路。由于经费原因，这项研究没有延续下去。而其研究 成果又因为环氧沥青材料本身较高的成本，也没有在国内得到实际工程应用1 2 0 - 2 1 ，。 1 9 9 8 年长沙交通学院路桥工程系在同济大学研究成果的基础上也开展了环 6 氧沥青混凝土的试验研究，并初步分析了环氧沥青的改性机理，其研究成果已成 文发表”，。 从实际道桥工程运用方面来看，我国在环氧沥青混凝土方面的研究较少，用 其铺装正交异性钢桥面板才刚刚起步。但作为一种新型高性能材料，环氧沥青正 越来越多地受到国内研究者的重视，开展这方面的研究具有重要的理论意义和应 用价值。 1 3 环氧沥青的制备和应用过程中的主要问题 c a ) 环氧树脂与沥青的相容性问题 该问题一直是开发研究环氧沥青工作的一个主要难题。我们知道，环氧树脂 是一种极性物质，而沥青本身是一种非极性物质，所以将环氧树脂直接加入到沥 青中去且具有良好的相容性是完全不可能的。为了使最终产物在具有环氧树脂带 来的热固性的同时又不失沥青本身良好的延展性，就必须找到一种中间介质使两 者稳定混溶。这种中间介质的寻找和确定是一个非常复杂的物理化学问题，也是 环氧沥青配制过程中的主要问题，需要专门从事化学工业的研究人员进行大量的 工作来完成。 ( b ) 固化剂的选择 环氧沥青最大的优势就是从根本上改变了沥青本身的热塑性，使得材料最终 具有热固性产物的种种特性。而热固性材料的性能优劣取决于材料与固化剂发生 固化之后所得到的产物的性能，因此固化剂的选择尤为重要。 选择固化剂的时候需要充分考虑固化物的性能要求，诸如脆性、抗拉强度等； 同时，为了保证施工过程的可行性，还必须了解固化剂发生固化反应时的温度和 速度；此外，固化剂与环境的友好性也是考虑因素之一。所以，配制完成环氧沥 青后距离其实际应用还有很大的距离。 如上所述，整个环氧沥青体系主要是由环氧树脂、沥青、中间介质和恰当的 固化剂所构成，其最终优异的性能则需要各组成部分之间的优化组合。因此，确 定各组分之间的最佳配合比也是成功配置环氧沥青的过程中不可缺少的一个环 节，这同样需要经过大量的实验来获得。 c o ) 施工工艺问题 使用环氧沥青作为铺装材料时，对施工工艺的要求相对比较严格。这是因为， 环氧沥青混凝土在工艺上与一些水泥混凝土类似，存在一个初凝时间，在拌制完 成之后，必须在初凝时间之内完成运输、摊铺和压实等一系列的工序，否则就会 出现材料的硬化而使整个过程无法继续下去。于是，在整个施工过程中要求各个 工序之间衔接紧密，配合密切，必须保证没有一个环节出错。故而在研制材料的 7 时候需要对材料本身作更进一步的改进，并进行环氧沥青混凝土与普通沥青混凝 土在施工机具、现场准备工作及施工工序和进度的研究。 环氧沥青产品的主要添加物环氧树脂改性剂包括改性树脂，即确定型号的环 氧树脂( 一个或几个型号的混合物) 、相应的硬化剂及适当的助剂、添加剂等几个 主要成分。其改性沥青在应用时要以合理有序的方式将几个不同体系的物质利用 一定的方式混合，且在应用中不发生离析现象，从而达到较好的应用性能。 目前已是成熟产品的环氧改性沥青主要有美国生产和日本生产的两种。从生 产与应用工艺角度来看，两者完全不同。美国产品是将硬化剂及适当的助剂、添 加剂直接加到沥青当中，应用时在设定的温度下( 美国产品对温度要求较严) 将两 者混合形成环氧沥青结合料，再加入集料构成环氧沥青混合料。日本产品则是将 硬化剂、助剂和添加剂先进行混合( 或将助剂添加剂直接加到硬化剂上) 构成新型 硬化剂。应用时在设定的温度范围内先将硬化剂和改性树脂进行充分混合形成改 性剂，再在较宽的温度范围内将改性剂、沥青和集料三者同时混合形成环氧沥青 混合料。 在结合国内施工的现有设备及人员已掌握施工技术的基础上，本文在工艺上 采用的方式如下：先将硬化剂、适当的助剂和添加剂直接添加到沥青当中，经过 反应生产得到环氧改性沥青a 组分。应用时在设定的温度下将环氧改性沥青a 组 分与改性树脂( 文中称为环氧改性b 组分) 充分混合形成环氧沥青结合料，再加入 集料构成环氧沥青混合料。此种方式在现场操作过程与美国产品的操作方式十分 相似，比日本产品易于操作。我国南京长江二桥的铺装施工也是采用此种技术， 通过利用这套完整的施工技术降低或避免今后可能出现的产品应用风险n “。 1 4 本文主要研究内容及思路 1 4 1 环氧沥青结合料试验 ( a ) 环氧沥青结合料的组成设计 分组分a 和b 设计。组分a 为沥青加固化剂等，组分b 为环氧树脂，定为 双酚a 型；设计内容为： 通过查阅环氧树脂固化剂的相关资料，考虑工程实际( 如温度，卸料、摊铺 和碾压时间) ，选出几种较能满足需要的固化剂种类。 为使环氧树脂与沥青更好地相容，寻找合适的增容剂或通过高温、高速剪 切等物理方法。 根据配制的环氧沥青的效果可合理选择添加增韧剂、促进剂、偶联剂、稀 释剂、缓凝剂等。 沥青初步定为a h 一7 0 。而后可改变沥青标号或种类进行配制。 ( b ) 环氧沥青结合料的性能检测试验 8 将不同固化剂与沥青配制而成的环氧沥青胶在不同温度下做拉剪、拉拔、弯 曲和拉伸等试验，其技术要求可参考并满足东南大学南京长江二桥钢桥面铺装课 题组提出的指标。 1 4 2 环氧沥青结合料及混凝土的施工工艺研究 ( a ) 自制环氧沥青粘度性能检测与分析 利用旋转粘度计对环氧改性沥青a 、b 混合后的粘度进行跟踪测量，根据测 出的粘时曲线来指导加料与摊铺时间。 ( b ) 施工过程中的粘度分析 由环氧树脂固化进程的流变模型和已测出的粘度增长曲线算出环氧沥青粘度 方程各参数。研究实际施工过程中初压、松铺和室内恒温三种条件下粘度增长的 速度及变化情况。 ( c ) 钢桥面铺装环氧沥青粘结层施工初步研究 在总结以前采用环氧沥青钢桥面铺装的工程实践基础上，依据钢桥面铺装对 环氧沥青粘结层性能的要求和粘结料的技术性能，探讨自制环氧沥青结合料作为 粘结层洒布的施工工艺，并对施工流程和施工质量控制等有关环节提出个人看法。 9 第二章环氧沥青混凝土简介 环氧沥青一般由环氧树脂及固化剂两个组分组成，其固化反应使沥青性质从 热塑性转变为热固性，因此环氧沥青具有比普通沥青优异得多的物理、力学性能， 如高强度优良的抗疲劳性能、良好的耐久性及抗老化性能，是受力特性异常复杂 的正交异性钢桥面铺装、超重载交通道路的理想材料；同时由于其极优良的粘结 性能而应用于路面磨耗层，特别是需要较高抗磨耗性的寒冷地区路面和多孔性路 面。 国外从2 0 世纪6 0 年代开始就研究并推广使用环氧沥青混合料。壳牌石油沥 青公司在世界上首次开发出环氧沥青，并在世界各地的不同环境下应用以充分显 示该产品优良的路用性能。 2 1 环氧沥青及混合料的性能 如前文所述，沥青中加入环氧树脂及相应的硬化剂在经过硬化过程之后将从 根本上改变普通沥青的热塑性。因此，与普通沥青相比，环氧沥青拥有优良的物 理性能和力学性能；与其它热塑性改性沥青相比，其性能也有很大区别。环氧沥 青的优异性能主要体现在以下几个方面： 2 1 1 环氧沥青的高强度与高刚性 强度高、刚度大和变形小是热固性环氧树脂最重要的一个特点。沥青的强度 和刚度主要通过它自身的劲度模量来体现，这是因为沥青材料在路面服务条件下 是粘弹性材料，在荷载作用下应力应变呈现非线性关系。劲度模量不是材料的性 质常数，而是取决于温度和荷载作用时间变化的参数。 壳牌公司分别在不同温度下采用三点弯曲试验，对环氧沥青混凝土和普通沥 青混凝土的劲度模量做出对比，其数据结果如表2 1 所示m ，： 表2 1环氧沥青和普通沥青混凝土劲度模量对比 为了保证沥青铺面良好的使用性能，希望沥青材料在夏季高温季节具有较高 的劲度，而冬季低温状态时具有较低的劲度。从壳牌公司的这组数据可以看出， 1 0 环氧沥青混凝土完全符合这种要求。而且，对比两种材料的性能数据可以发现， 在常温2 0 时，环氧沥青混凝土的劲度模量是普通沥青混凝土的3 倍之多；而在 夏季温度4 0 下，两者的模量差距高达8 倍之多，且随着温度的升高，普通沥青 混凝土的劲度模量逐渐减小，其强度逐渐降低；而环氧沥青混凝土的劲度模量变 化较小，可以保持非常稳定的强度。更为优越的是，在低温o 环氧沥青混凝土 并没有显示出脆性，此时它的强度与普通沥青混凝土保持在同一水平。 在对美国专利产品进行调查分析时，文献3 ，曾对比了环氧沥青和橡胶沥青在 不同温度下的强度和延伸率，具体性能数据如表2 2 所示，充分体现了环氧沥青 在力学性能上无可比拟的优越性。 表2 2 各种不同沥青的力学性能对比 马歇尔稳定度数值也是沥青材料冈i j 度的一种表现，在对比两种材料的性能时， 马歇尔试验结果与劲度试验结果可得到一致的结论。根据壳牌公司的实验结果， 环氧沥青混凝土的马歇尔稳定度都可以超过4 5 0 0 0 n ，这是普通沥青混凝土的5 倍 之多。 以上各项实验数据表明，环氧沥青拥有很高的强度，且同时具有优良的温度 稳定性，在高温下的抗变形能力较好n ”。 2 1 2 环氧沥青的优良的疲劳性能 沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所 引起的一种现象。沥青混合料的疲劳寿命除了受荷载条件( 如荷载历史、加载频率、 施加应力波的形式等) 及环境条件( 如温度、湿度) 的影响外，更多的取决于材料本 身的性质( 如混合料劲度、沥青的种类及用量以及混合料的空隙率等) 。 沥青的疲劳是出现在路面使用的后期，此时，沥青已经有了一定程度的老化。 环氧沥青由于具有较高的强度及断裂延伸率，所以在同等的疲劳应力作用下，与 普通的沥青相比，具有非常优良的耐疲劳性能。在不同应力水平下进行间接拉伸 试验，当荷载为8 k n 时，环氧沥青混凝土作用次数达到1 0 7 仍未见破坏。当应力 水平为0 8 m p a 时，普通沥青混凝土的疲劳寿命为8 x1 0 3 次，而环氧沥青混凝土 的疲劳寿命为6 x1 0 5 次，是普通沥青混凝土疲劳寿命的几十倍。根据澳大利亚西 门大桥管理局对各种沥青混凝土的疲劳性能对比试验结果，可以看出环氧沥青混 凝土的疲劳寿命为5 x1 0 6 次，而同等实验条件下沥青混凝土的疲劳寿命仅能达到 0 2 9 1 0 6 次，两者相差了1 7 倍之多。 壳牌公司按照同样的方法对环氧沥青混凝土和普通沥青混凝土进行了疲劳循 环