（道路与铁道工程专业论文）反应性树脂改性沥青的应用与研究.pdf

摘要 在沥青中添加橡胶或热塑性树脂可以较好地改善沥青的高低温性能。但是沥 青的热塑性质仍然存在，所以应用这些改性材料铺筑路面时路面车辙的永久变形 虽然可以推迟出现，但却无法从根本上避免。采用反应性树脂改性沥青可使沥青 从热塑性变成热固性，从而很好地解决沥青的高温车辙问题。反应性树脂主要包 括聚氨酯和环氧树脂。本文选用了环氧树脂作为沥青的改性剂，并通过大量试验 确定，环氧沥青混凝土的材料组成和含量。本文采用了马歇尔稳定度仪、车辙试 验机以及万能试验机对环氧沥青混凝土的力学性能迸行了研究并确定了环氧沥青 混凝土的施工工艺，同时采用了傅立叶红外光谱仪以及差热扫描量热分析仪对环 氧体系的固化过程进行了微观分析，从而得到了环氧体系的固化机理以及不同温 度程序下环氧体系的反应时间和反应程度。 本论文的主要研究成果： ( 1 ) 通过试管加温观察法、红外测试以及马歇尔试验，找到了一种合适的介质， 提高了环氧与沥青的相容性。 ( 2 ) 通过对凝胶时间的选择以及马歇尔指标的控制，确定m 9 2 作为环氧沥青混凝 土的固化剂。 ( 3 ) 确定了环氧沥青混凝土的油石比为6 ，环氧树脂用量为1 8 。研究了其物 理力学性能，结果表明，本研究中的环氧沥青混凝土材料的强度远高于普通沥青 混凝土，同时还具有良好的高低温性能。 ( 4 ) 研究了环氧沥青混凝土的施工工艺。针对本研究中采用的环氧沥青混凝土， 确定了组分储存、拌和顺序、拌和温度、最大工作时间以及最低碾压温度几个关 键指标。 ( 5 ) 采用f r 取和d s c 研究环氧体系的固化机理，并从理论上确定了不同温度条 件下环氧体系固化的过程，为环氧沥青混凝土的施工以及最终开放交通的时间提 供了理论依据，实现了理论指导实践的重大意义。 关键谰：环氧树脂；固化剂；相容性；施工工艺；热固化机理 a b s t r a c t a d d i n gr o b b e ro rt h e r m o p l a s t i cr e s i nc a ns h a r p l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so f a s p h a l tn o to n l ya th i g ht e m p e r a t u r e sb u ta l s oa tl o w h o w e v e r , i nt h i sw a y , t h e r m a l p l a s t i c i t yo fa s p h a l tc a nn e v e rb e e ng e tr i do f , s op e r m a n e n tm t t i n gp r o b l e mw o u l de v e r e x i s ti nh i g h w a y sp a v e dw i t ht h e s em o d i f i e da s p h a l t m i x e s ，o n l ya ts o m et i m e p o s t p o n e d t h ea p p l i c a t i o no fr e a c t i v er e s i ni n t om o d i f i e da s p h a l tc a ns h i rt h e r m a l p l a s t i c i t yc h a r a c t e r so fa s p h a l tt ot h e r m o s e t ，t h u sp r i m e l ys o l v i n gr o t t i n gp r o b l e m s r e a c t i v er e s i nc o n s i g so fp o l y u r e t h a n ea n de p o x yr e s i n ，w h i c ho ft h el a t t e rw a ss e l e c t e d t ob et h em o d i f i e rf o ra s p h a l ti nt h i sr e p o r t b a s e do nl a r g ea m o u n t so ft e s t s 。t h i sp a p e r c o n c l u d e dc o m p o n e n tm a t e r i a l sf o re p o x ya s p h a l tc o n c r e t ea n dc o n t e n t so fe a c h c o m p o n e n t b yu s eo fm a r s h a l ls t a b i l o m e t e r , w h e e lt r a c k i n gt e s t i n gm a c h i n ea n d u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t eh a v eb e e n s t u d i e d w i t hi t sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e sb e e nd e t e r m i n e da sw e l l b ye m p l o y i n gf t i r a n dd s c ，c u r i n gp r o c e s so fe p o x ys y s t e mh a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h e r e b y ，c u r i n g m e c h a n i s mo fe p o x ys y s t e ma n di t sr e a c t i o nt i m ea n dr e a c t i o nd e g r e e sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sc a n b ee d u c e d a c h i e v e m e n t s ( 1 ) t h r o u g hh e a t i n gt u b eo b s e r v a t i o nm e t h o d ，i n f r a r e dt e s t sa n dm a r s h a l lt e s t s ，ak i n d o fs u i t a b l em e d i u mh a sb e e nf o u n d i nt h i sw a y , c o m p a t i b i l i t yo fa s p h a l ta n d e p o x yc a n b e 地a l i z e d ( 2 ) t h r o u g h t h es e l e c t i o n o f g e l a t i n t i m ea n d c o n t r o l l i n g w i t l l m a r s h a l ls p e c i f i c a t i o n s m 9 2w a sc h o s et ob et h ec u r i n ga g e n tf o re p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ( 3 ) o i lt os t o n er a t i ow a sd e c i d e dt ob e6 耐t h1 8 o fe p o x yr e s i na d d e d s t u d yo n p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t er e s u l t si nt h a tt h es t r e n g t h o fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t ei sf a rh i g h e rt h a nt h a to fc o m n l o na s p h a l tc o n c r e t e ，a n db e a e r p e r f o r m a n c ea tl o wt e m p e r a t u r e sa sw e l l ( 4 ) s t u d yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e so fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t e i nt h i sp a p e r , t h ek e y c o n t r o l l i n gt a r g e t sf o re p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ，s u c ha sc o m p o n e n ts t o r a g e ，m i x i n g o r d e r s ，m i x i n gt e m p e r a t u r e s ，m a x i m a lw o r k i n g t i m ea n dl o w e s tc o m p a c t i n g t e m p e r a t u r e sh a v e b e e na s c e r t a i n e d ( 5 ) s t u d ye p o x ys y s t e m sc u r i n gm e c h a n i s mb ya p p l y i n gf t i ra n dd s ca n d t h e o r e t i c a l l ym a k ec e r t a i n v a r i o u sc u r i n gp r o c e s s e so fe p o x ys y s t e ma td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ，w h i c hl a y t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc o n s t r u c t i o no fe p o x ya s p h a l t c o n c r e t ea n df i x i n gt h ed a t ew h e nt oo p e nt ot r a f f i c t h e r e f o r e ，e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n b e h i n ds o l i dt h e o r yh a sb e e nr e a l i z e d ，w h i c hm a k e sg r e a ts e n s et oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：e p o x yr e s i n ，c u r i n ga g e n t ，c o m p a t i b i l i t y , c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h e r m a l c u r i n gm e c h a n i s m 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：破雨啤 日期：0 6 年工月，甲日 重庆交通学院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。 本人授权重庆交通学院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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名；皮京婵 日期：口f 年工月f 尹日习日 ) f 妇 ， 蕊碉 名 年 签 o 师 矿 教 ： 导 斯 指 口 第一章本课题研究目的、内容及创新 1 1 概况 第一章国内外研究现状与应用 近年来随着国民经济的稳定、快速、协调发展，更由于政府加大基础设施的 投资倾斜以及大量的民间资本的融入，我国的公路建设事业得以迅速发展，特别 是高等级公路的建设取得了引人瞩目的成就。至2 0 0 4 年底，全国高速公路通车里 程已达4 万公里，居世界第二位。这些高速公路的路面铺筑形式大多采用沥青混 凝土路面。随着道路使用年限的延长，同时伴随着交通量的不断增长和车辆轴载 的明显增大，以及高等级公路交通车辆的渠化作用，沥青混凝土路面面临着严峻 的考验，尤其是传统的连续级配沥青混凝土路面，由于缺乏足够的骨料支撑，其 力学性能受到了较大的影响。有些高速公路在通车一两年后，就出现了不同程度 的破坏，严重地影响了路面的实际功能和使用寿命【l 】。分析原因主要是由于沥青路 面本身材料的弹粘塑性质决定了它不可避免的缺点：( 1 ) 沥青的热塑性使沥青路 面容易在高温下产生不可恢复的永久变形，如车辙、推挤、拥包等；( 2 ) 沥青路 面易受自然因素的影响，沥青会逐渐老化，沥青混凝土的抗低温裂缝能力、抗疲 劳能力、抗水损和抗松散能力都会逐渐减弱，沥青面层的破坏现象会逐渐增多。 1 1 1 改性沥青 为了延缓沥青混合料性能的降低，长期以来许多国家花费大量的人力、物力 投入于沥青性能改善的研究，并且将科研成果及时应用在在工程实践中，可以说 在沥青的改性技术上取得了很大的成果，因此改性沥青的开发就逐渐进入了人们 的研究视野。但现有的沥青改性技术仍存在着不足，因此，加大改性沥青研发就 成为公路建设事业的重中之重。目前迫切需要开发适应性更强的沥青混合料以适 应快速交通、重载交通的发展需要。 随着现代交通的发展，改性沥青技术日新月异，其原因是多方面的：1 ) 改性 沥青的使用，可以有效增强路面的抗病害能力，提高沥青路面的服务水平，降低 营运费用。同时改性沥青的使用可以大大延长路面的使用寿命，延长养护、大中 修的周期，减少二次投入；这对于道路建设者来讲，特别是在沥青价格日益看涨 第一章本课题研究目的、内容及刨新 的情况下更具有总体的经济效益；2 ) 公路发展至今，世界各国都面临着提高现有 路面等级的任务。而使用普通沥青路面养护维修的薄层罩面处治往往会使路面在 很短时间内发生各种病害，若使用改性沥青，如聚合物改性沥青、乳化改性沥青 可减薄罩面层厚，同时大大延长养护周期，减少养护费用，也可减少养护工作量； 3 ) 改性沥青技术的发展同时也扩大了沥青技术的应用范围，改性沥青应用在薄层 磨耗层、大孔隙排水式沥青路面、开级配沥青面层、桥面铺装、机场道面、桥面 伸缩缝及坝体防水等方面都取得了良好效果，这是普通沥青所难以达到的。正是 由于以上原因，改性沥青技术的研究愈来愈广泛深入。 所谓改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填 料等外掺剂( 改性剂) ，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料 的性能得以改善而制成的沥青结合料。改性剂是指在沥青或沥青混合料中加入的 天然或人工的有机的或无机材料，可熔融、分散在沥青中，改善或提高沥青路面 性能的材料。改性沥青从广义上讲，凡是加入外掺剂使沥青或沥青混合料的性能 或某一方面的性能得到改善，就称之为改性沥青。根据不同目的所采取的改性沥 青及改性沥青混合料技术汇总见图1 1 。 掺加厂量蒌蒌蒌兰) 聚合物 蒌兰霾三薰兰：。i 薹肌 嚣f 改性剂弋改善粘附性一抗捌峪属皂。有机、有机胺、消石灰等 沥 l 改善粘附性抗剥离剂：金属皂( 有机锰等) 、有机胺、消石灰等 夏j 碧1 l 耐老化性抗老化性：受阻酚、受阻胺等 菜 调和沥青掺加天然沥青( 湖沥青、岩石沥青、海底沥青) l 沥青工艺半氧化沥青、泡沫沥青等 图1 1 改性沥青及混合料技术 自从首次将橡胶粉加入沥青改性以来，发展至今，改性剂的选择范围越来越 广。据j e a n n es p a c e k 统计，形成商品的就有4 0 多种2 1 。可以说沥青改性剂的品种 越来越多，总的来讲，改性剂的不断扩大主要原因是道路使用者需要解决日益加 剧的道路病害，而改性剂为解决这些问题提供了可能的途径。 第一章本课题研究目的、内容及创新 1 1 2 常用道路沥青改性剂 从狭义上来说，所谓的道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青，简称p m a 、 p m b 或p m b 。用于改性的聚合物种类也很多，按照改性剂的不同，一般将其分为 三类：热塑性橡胶类、橡胶类和树脂类改性沥青f 2 】。 1 橡胶类改性剂 橡胶即聚合物弹性体。橡胶有天然橡胶、合成橡胶、再生橡胶。在道路工程 应用于沥青改性的，以合成橡胶为多。合成橡胶主要有丁苯橡胶( s b s ) 、氯丁橡 胶( s b r ) 、乙丙橡胶( e p o m ) 、丙烯酸丁二烯( a b r ) 、聚苯乙烯一异戊二烯( s i r ) 等，但实际应用以丁苯橡胶为多数。 橡胶沥青不仅是世界上最早出现并广泛应用的改性沥青品种，也是我国较早 得到研究和推广的品种。由于橡胶的内聚能很大，很难用机械方式加工橡胶改性 沥青，只能采用溶剂法或胶乳法生产橡胶沥青。 沥青掺加橡胶后，针入度减少，软化点提高，延度增加。这种性质的变化随 橡胶掺加量的增加而增大。橡胶沥青的最大特点是沥青的延伸性能和韧性好。沥 青中加入橡胶后，沥青延度有较大提高，尤其在低温下的延度提高更为明显。提 高低温下的延度，其效果最好的首推丁苯橡胶，而且常常在掺量不大的情况下( 3 左右) ，延度就超过1 5 0 e r a 。橡胶沥青低温延度的增大，表明其低温柔性改善，使 沥青路面的脆性降低，从而能够减少低温收缩开裂的可能性。故橡胶沥青被广泛 应用在低温寒冷地区。 2 热塑性橡胶改性剂 即热塑性弹性体，主要使苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙烯丁二烯一苯乙烯 ( s b s ) 、苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯( s i s ) 、苯乙烯一聚乙烯丁基( s e b s ) 等嵌 段共聚物，由于它兼具橡胶和树脂两类改性沥青的结构与性质，故也称为橡胶树 脂类。属于热塑性橡胶类的还有聚酯弹性体、聚乙烯丁基橡胶聚合物、聚烯烃弹 性体等等。s b s 由于具有良好的弹性( 变形的自恢复性及裂缝隙的自愈性) ，故己 成为目前世界上最为普遍使用的道路沥青改性剂。 3 树脂类改性剂 树脂按其可塑性可分为热塑性树脂和热固性树脂。热塑性树脂主要有聚乙烯 ( p e ) 、乙烯一醋酸共聚物( e v a ) 、丙烯酸树脂、聚苯乙烯等。在道路中用于沥 青改性的则主要有p e 和e v a 。热固性树脂主要有环氧树脂和聚氨酯。 4 其他改性剂 其他改性材料有矿物填料类改性剂，如：碳黑、硫磺、石灰等。矿物填料在 沥青中起填充增强的作用。硫磺在有些国家是工业副产品，固价格低廉，添加在 第一章本课题研究目的、内容及创新 4 沥青中，不但可以起改性作用，而且可以取代部分沥青，起到结合料的作用。 各种抗剥落剂有助于增强沥青与石料的粘附性和粘结力，这些添加剂大多是 各种表面活性物质。抗剥落剂的应用现在已经很普遍。 1 1 3 环氧树脂 沥青改性的方法主要是采取在沥青中添加外掺剂，主要是橡胶弹性材料和热 塑性树脂材料。在沥青中添加橡胶或热塑性树脂，其性能都能有很大程度的改善。 但是沥青的热塑性质仍然存在，所以在应用这些改性材料铺筑路面时路面车辙的 永久变形虽然可以推迟出现，但却无法从根本上避免。这对某些希望不出现永久 变形或者要求具有高性能和耐久性的工程结构物来说，就不能满足要求。于是人 们开始研究、寻找一种性能更为优越的替代性铺面材料，热固性混合料就进入了 人们的研究视野。 热固性材料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶( 熔) 特性的材料， 如酚醛塑料、环氧树脂等。热固性材料主要包括环氧树脂和聚氨脂。聚氨脂弹性 体以耐磨、耐低温、高强度、耐油著称，作为特种合成树脂广泛用于交通运输、 建筑、机械、水利等诸多领域，但由于其相对价格较高、材料的耐高温性能相对 较差，而环氧树脂作为一种粘结性能好、耐腐蚀、高强度的基础材料，有着取材 便利、同比价格低廉等优点，因而本研究项目重点研究开发环氧树脂的工程应用口l 。 国外从2 0 世纪6 0 年代就开始研究并推广使用环氧沥青混合料。自壳牌石油 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来， 充分显示出该产品优良的路用性能。4 0 多年来，环氧沥青的品种层出不穷，其研 究及应用日趋广泛。如1 9 6 7 年美国旧金山的s a n m e t e o h a y a r d 大桥、1 9 8 0 年澳大 利亚建造的w e s tg a t e 大桥、法国的b l o i s 公路路面、卡塔尔首都机场道面防滑层 都采用了这种环氧沥青混凝土。由于这种沥青混凝土配制技术难度较大，在国外 多属专利而不予公开嗍。 上个世纪9 0 年代前，我国在高强沥青混凝土材料的领域中尚是空白。一方面 与环氧沥青配制、生产以及施工比较复杂，价格比较昂贵有关；另一方面也与过 去国内市政建设投资不足、步伐不快有关。但随着经济的发展和许多重大交通基 础设施的兴建，研究与开发高性能的道路铺面材料已日益显得重要和迫切。1 9 9 2 年，上海市政工程管理处和同济大学吕伟民老师等人联合对环氧沥青混凝土材料 进行了研究。1 9 9 4 年，在上海龙吴路石龙路口进行了试验路的铺筑【4 】。2 0 0 0 年9 月，我国的南京长江二桥开始使用环氧沥青混合料进行桥面铺装，通车至今路面 质量精良，基本无病害产生。这一应用开辟了在我国应用之先河，也为在其它桥 第一章本课题研究目的、内容及创新 梁上应用环氧沥青混凝土奠定了基础。2 0 0 4 年9 月下旬，润扬大桥钢桥面铺装成 功铺筑完成。整个铺装分成两部分，一是中央分隔带铺装，采角浇注式沥青混凝 土；z - 是行车道铺装，采用双层环氧沥青，环氧沥青材料和专用设备均从美国进 口，月前已正式通车，运营情况良好。南京长江三桥也已于2 0 0 5 年1 1 月通车， 其他桥梁和道路的实体铺装目前国内尚无相关报道。 南京长江二桥，润扬大桥和南京长江三桥的桥面铺装代表了我国己开始正式 进入高强沥青混凝土的研究应用这一领域。其他桥梁如苏通长江大桥、宁波杭州 湾大桥等都将采用环氧沥青混凝土的铺装结构。但是，已铺装的三座大桥均直接 采用了美国的材料、设计与施工技术，而随着我国经济的快速发展以及环氧沥青 在众多领域的大量应用，采用有着我国自主知识产权的相关技术就有着很大的意 义和市场前景。 1 2 环氧沥青混凝土材料的特性 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，其固化反应使沥青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。用环氧沥青所拌制的沥青混凝士，与普通沥青混凝土相比较，或 者与其它热塑性的改性沥青混凝土相比较，它们在性能上有很大区别。环氧沥青 混凝土的特性主要表现在以下几方面： 1 ) 强度高 环氧沥青混凝土强度高、变形小、刚度大。壳牌石油公司所配制的环氧沥青 混凝土，其马歇尔稳定度可以超过4 5 0 0 0 n ，而普通沥青混凝土的稳定度仅8 0 0 0 1 2 0 0 0 n ，相差达4 5 倍。虽然马歇尔稳定度并不是标准的力学指标，但反映出环 氧沥青混凝土的高强性能是毫无疑问的【4 】。 表1 1 环氧沥青混凝土的弯拉劲度模量( n r e ) 温度环氧沥青混凝土普通沥青混凝土 0 2 0 1 0 1 01 5 x 1 0 1 0 2 0 1 2 1 0 1 03 0 l o 。 4 0 3 3 1 0 94 o 1 0 8 6 0 9 5 1 0 8 壳牌石油公司对环氧沥青混凝土进行三点弯曲试验，荷载频率为1 0 h z ，分剐 第一章本课题研究目的、内容及创新 在不同温度求得试件的劲度模量，并与普通沥青混凝土相比较( 表1 1 ) 。由表1 1 可见，在0 c 时，环氧沥青混凝土与普通沥青混凝土的劲度模量相差不大，但 在2 0 常温下则要高出3 倍，而在4 0 的夏季气温下则是普通沥青混凝土的8 倍。 温度越高，劲度模量的差距越大。这说明环氧沥青混凝土不仅有较高的强度，而 且低温下并不比普通沥青混凝土显得更加脆硬，而在高温下却比普通混凝土抗变 形能力高得多，表现出非常好的温度稳定性。 2 ) 优良的耐疲劳性能 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上的老 化；而环氧沥青混凝土由于强度高，故在同样的疲劳应力作用下，表现出极其优 良的耐疲劳性能，几乎是普通沥青混凝土疲劳寿命的1 0 3 0 倍。 澳大利亚西门大桥管理局曾经将沥青混凝土试件粘贴在钢板上进行应变弯曲 疲劳试验，试验结果表明环氧沥青混凝土的疲劳寿命为5 1 0 6 次，而普通沥青混 凝土仅o 2 9 1 0 6 次，两者相差达1 7 倍之爹习。 壳牌石油公司对环氧沥青混凝土和普通沥青混凝土分别进行了弯曲疲劳试 验，在循环至破坏时，其常变形为1 0 珊，加载频率为5 h z ，试验结果如表1 - 2 嘲。 从表中数值可以看出，在相同含量的结合料、同样荷载的情况下，环氧沥青混凝 土的疲劳寿命比普通沥青的疲劳寿命高出一个数量级以上。 表卜2 环氧沥青混凝土的弯曲疲劳 结合料用量环氧沥青混凝土普通沥青混凝土 6 1 0 l0 63 0 x 1 0 7 2 0 1 0 62 0 x 1 0 5 显然，优良的耐疲劳性能是环氧沥青混凝土的重要特点。因此，采用这种材 料作为道路路面和桥梁以及其它场所的铺面熊够大大延长路面或铺面的使用寿 命。 3 1 良好的耐久性 水损害是沥青路面的主要病害之一。所谓水损害是沥青路面在水或冻融循环 的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压 力或真空抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青粘附 性降低并逐渐丧失粘结力，沥青膜从石料表面脱落( 剥离) 。由于水与集料的粘附 力要大，因此水就可浸入沥青集料界面，形成水一沥青一集料的表面接触。 沥青混合料在浸水条件下，由于沥青与矿料的粘附性降低，导致损坏，最终 表现为混合料的整体力学强度降低，因此沥青混合料的水稳定性最终是由浸水条 第一章本课题研究目的、内容及创新 件下沥青混合料物理力学性能的降低的程度来表征的。通过对浸水马歇尔试验、 冻融后劈裂强度试验等的观测，环氧沥青混凝土的力学强度基本无降低现象。 普通沥青混凝土如有柴油等燃油渗入，将会使沥青失去粘结力而松散。环氧 沥青混凝土却不怕燃油的侵蚀。重庆交通科研设计院智翔公司对环氧沥青混凝土 做了相关的对比试验。试验采用将环氧沥青混凝土和普通沥青混凝土试件分别放 在柴油中浸泡，2 4 h 后普通沥青混凝土试件已经泡软，棱角松散脱落，丽环氧沥青 混凝土经过7 天浸泡后仍然完好无损。 环氧沥青混凝土的许多性质，如强度( 初凝、终凝以及后期强度增长等) 、剐 度、耐久性等方面都与水泥混凝土十分相似，同时在很多方面又具有沥青混凝土 的优良性能。 1 3 环氧沥青混凝土材料的应用 环氧沥青混凝土的优良性能引起了人们的广泛关注，许多工程实例都证明了 这一点。环氧沥青混凝土主要应用于以下几种场合嗍。 1 3 1 大型桥梁的桥面铺装 大跨径的大型桥梁，为减轻自重，常采用正交各向异性钢板桥面结构。这种 结构具有较好的柔性，能松弛吸收在荷载附近产生的高应力，但桥面铺装的疲劳 却成了设计考虑的主要因素。为了提高沥青铺装层的耐疲劳性能，以前多是采用 玛蹄脂沥青，但总体效果仍不理想，从目前的所铺装桥梁的使用后效来看，通常 也只能维持4 6 年的使用寿命，便需大面积维护或返修【7 】。近几年来采用环氧沥青桥面 铺装，收到很好的效果。 采用环氧沥青混凝土作桥面铺装，主要鉴于以下考虑【m ： ( 1 ) 铺装层能与钢板形成牢固的粘结，不会因温度变化和交通荷载的作用丽 脱开； ( 2 ) 能适应因温度变化引起钢板尺寸的变化而不致脱落； ( 3 ) 具有足够的疲劳强度，使用多年而无裂缝； ( 4 ) 环氧沥青混凝土的温度变形系数与钢板相近，因而随温度变化产生的附 加应力较小。 美国加州s a nc a r l o s 粘结剂工程公司采用壳牌石油公司所提供的改性环氧 树脂、改性剂以及固化剂承包和配制了环氧沥青。环氧沥青混凝土用普通拌和机 拌和、摊铺和压实。通过马歇尔试验，测定其稳定度6 0 。c 为6 4 8 0 0 n ，2 0 4 c 仍达 1 8 9 0 0 n ，而普通沥青混凝土6 0 c 为1 1 7 0 0 n ，温度为2 0 4 c 贝0 已成松散状了。环氧 第一章本课题研究目的、内容及创新 沥青混合料所用结合料用量为6 ，矿粉为石灰石。混合料的温度控制以能保证在 4 5 m i n 的运输时问内能充分起化学反应，但未硬化而影响摊铺和碾压。施工时每天 摊铺5 0 0 t 环氧沥青混合料，压实后其性状如同普通混凝土，1 4 天后开放交通，6 0 天内强度仍继续增长【5 】。 以后又有许多大桥采用环氧沥青作桥面铺装，其中如1 9 6 9 1 9 7 3 年建成的美国 加州s a nd i e g oc o r o n a d o 大桥、s a nf r a n c i s c oo l d a n d 海湾大桥、q u e e n sw a y 大 桥、f m i t v e l ea v e n u e 大桥等；1 9 7 3 年美国俄勒冈j 1 1 建成的s e l l w o o d 大桥、f r e m o n t 钢桥；1 9 7 4 年纽约的乔治华盛顿大桥。又如加拿大1 9 7 4 年建成的m e r c i e r 大桥、 1 9 7 5 年温哥华的l i o ng a t e 大桥、1 9 8 0 年荷兰的h a g e s t e i n 大桥等。此外，如日 本等国家也在钢桥上采用环氧沥青混凝土铺装【5 】。我国的环氧沥青混合料钢桥面铺 装始于南京二桥，后在润扬长江大桥和南京三桥、以及将要建成的宁波的杭州湾 大桥得以运用。 1 3 2 高等级公路和城市干道的路面 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 路都采用了环氧沥青混 凝土铺筑路面嘲。而在高速公路的长、陡坡度、弯道路段以及隧道内，常常由于制 动性磨损，使得路表面层的抗滑性能不足，当采用环氧沥青混凝土的铺装结构后， 就可以很好的克服隐蔽的危害，保证行车的安全。 1 3 3 公共汽车停靠站 公共汽车停靠站因汽车频繁地刹车、启动和较长时间的停车作用，使沥青路 面较容易出现严重车辙、拥包等破坏。为了减少车辙的出现，可以在停靠站附近 使用环氧沥青混凝土来提高路面的抗磨耗能力，以取得理想效果。 1 3 4 公路与城市道路、机场道面的防滑面层 环氧沥青由于粘结力强、刚度大，特别是在高温下变形甚小，用于铺筑抗滑 磨耗层粗糙的表面不会因泛油而变成光面。1 9 7 3 年英国伦敦的大西路( g r e a tw e s t r o a d ) 就曾用环氧沥青碎石铺筑防滑面层。1 9 7 3 年伦敦机场、1 9 8 0 年卡塔尔首都 多哈机场，在道面上加铺过环氧沥青防滑面层，以保证其具有足够的防滑能力挎1 。 现在有一种开级配沥青磨耗层( o g f c ) ，它是一种具有相互连通空隙的开级 配混合料，主要是为提高路面的抗滑性能、减少雨天溅水而设计的。降水时路表 面积水可通过结构层连通的空隙排走，它具有优良的排水、防滑、降噪等功能。 发达国家从2 0 世纪8 0 年代起开始研究和应用，这种混合料空隙率较大，沥青用 第一章车课题研究目的、内容及创新9 量低，混合料的耐久性和强度会受到一定影响，车辙动稳定度不高，一般在1 0 0 0 次左右，由于国外超载车辆较少，基本能够满足高等级公路路面的需要；而我国 高速公路重载车辆多，利用国外的配合比难以满足我国高速公路路用性能要求， 因此，需要对国外的配合比加以研究和改进【l 】。但是用普通沥青修建的透水性路面， 容易被行车所压密，使得空隙率减少，效果降低，同时容易在汽车经常刹车、加 速、拐弯的路段出现剥落。而使用环氧沥青铺筑o g f c 路面则可能避免这些病害， 取得较大的路用效果。 1 4 环氧沥青发展的趋势 1 4 1 环氧沥青配制与生产的专业化 环氧沥青的配制与生产是一门专业性很强的技术，要求具有较高的有机化学 知识和化工工艺水平，不像采用橡胶或热塑性树脂作为改性剂配制改性沥青来得 方便和容易。环氧沥青配制与生产的难点在于唧： ( i ) 合适固化剂的选择。环氧树脂固化物的性能与固化荆的品种有直接关系， 有的固化剂生成的固化物，或强度不高，或脆性过大，或抗拉强度较低；有的固 化剂反应速度过快，不能满足施工工艺过程的要求；有的固化剂反应温度过高。 另外，有许多固化剂都有一定的毒性，对人体不利。因此选择一种合适的固化剂 很不容易。 ( 2 ) 必须解决环氧树脂与沥青的相容性。环氧树脂是极性物质，而沥青是非 极性物质。两者不相容。要使环氧树脂溶解在沥青中，需要在沥青中添加一种介 质，而选择哪种物质作介质，也是一个比较复杂的物理化学问题。 ( 3 ) 环氧沥青最佳配合比例的确定。环氧沥青由沥青、介质、环氧树脂、固 化剂以及其它添加剂等多种材料配合而成，如何确定它们合适的配合比例，采用 什么指标评定，都需要通过大量试验才能确定。 ( 4 ) 环氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂。普通沥青混凝土拌制时将沥青加 入预热的砂石料中经过拌和混合而成。而环氧沥青混凝土的拌制工艺要复杂得多， 几种材料配制的先后次序对环氧沥青混凝土强度的形成有很大影响，而温度的控 制和材料的计量准确程度影响也很大，要求十分严格，否则将可能造成材料报废。 因此要求具有较高的生产工艺条件。 ( 5 ) 施工工艺条件比较严格。环氧沥青混凝土在工艺上有些与水泥混凝土施 工工艺相似，有“初凝时间”，在拌制完成后，它必须在“初凝时间”内完成运 输、摊铺和压实工序，超过时间，材料将硬化而无法操作。在整个施工过程中要 求各个工序密切配合，不能有任何环节允许出现差错，这往往是一般沥青混凝土 第一章本课题研究目的、内容及创新 和路面施工较难办到的。 1 4 2 环氧改性沥青技术规范化 1 0 虽然环氧沥青技术比较复杂，但由于其具有其它改性沥青所不能替代的特性， 所以仍在许多工程中得以应用，并且环氧沥青技术都已十分成熟，有的国家专门 制定r 相应的技术规范。如日本在1 9 8 3 年所制订的日本本州四国联络桥梁桥面 铺装标准，就对环氧沥青铺装技术从设计到施工等各个环节都制订出了详细的条 文，以供联络桥施工遵照执行。澳大利亚西门大桥施工过程中也结合实际情况编 制了环氧沥青混合料的控制标准。表l 一3 和表1 4 中列出了相关环氧沥青混合料的 技术性能要求i l 州。 表卜3日本本州四国联络桥环氧沥青混合料标准 项目标准值 空隙率( ) 2 5 饱和度( ) 7 5 4 9 0 马歇尔试验 稳定度( n )2 0 0 0 0 以上 流值( 0 1 )8 0 以下 轮辙动稳定度( d s ，6 0 c ，0 6 4 m p a ，次t o o5 0 0 0 以上 弯曲试验断裂应变c - 1 0 1 7 ，5 0 m m m i n ) 5 0 x 1 0 4 以上 表卜4 澳大利亚西门大桥环氯沥青混合料桥面铺装技术规范“ 项目标准值 空隙率( 集料) 1 7 饱和度 7 5 9 0 稳定度k n4 0 以上 流值0 i m m 2 5 3 5 稳定度( 2 0 c 养护2 4 小时后) i n 6 以上 1 4 3 技术的专利化 环氧沥青的优越性能对人们是有诱惑力的，但技术的复杂性又使人们束手无 策，因此有关该项技术的关键，许多国家都守口如瓶，不予泄漏，或者都申请专 利。 环氧沥青混凝土的优异的物理力学性能是无需置疑的。随着我国经济的发展 第一章本课题研究目的、内容及创新 以及对路用材料改性的需要，开发具有我国专利的环氧沥青混凝土施工技术就有 了很大的市场前景。 1 5 国内环氧沥青的研究状况 国内对环氧沥青应用于道路铺面工程的研究始于上海同济大学1 6 】。9 0 年代中 期同济大学交通运输学院的吕伟民教授等人在分析国外科技的基础上通过细致的 实验工作，总结了环氧沥青混凝土的相关技术知识。但由于其技术应用性还存在 不足之处，以及工程一次性投入较高，所以基本没有在工程实体中获得验证。现 在我国已经在南京二桥、润扬长江大桥以及南京三桥中得以成功应用环氧沥青漏 凝土，但这些工程项目使用的基本上都是美国的技术专利，工程造价高昂。我国 幅员辽阔，不同地区的地理、气候差异性很大，所以在工程设计中必须充分结合 我国特定的地理气候条件。而从南京长江二桥的工程应用反馈来看，即使在充分 限载的条件下，桥面铺装仍出现了裂缝等破坏形式。因此有可能在相关方面考虑 不太成熟。目前东南大学、同济大学以及重庆交通科研设计院等单位都投入了大 量的人员和经费从事相关方面的材料和工艺的开发，相信随着我国经济水平的不 断提高以及对高性能铺面材料需求的不断增长，从事环氧沥青的科研人员会越来 越多，会很快形成自己的技术优势。 1 6 本论文研究的目的和内容 在国内外已有的技术研究成果基础上，能够自主开发出一种高强的环氧沥青 材料，以更好地提高、改善路面材料的稳定性能和耐久性能。同时结合国内外环 氧沥青混凝土施工技术，初步提出适合于我国的环氧沥青混凝土施工工艺和施工 技术要求。 在研究材料路用性能及施工工艺的同时，进行材料的微观性能分析，从而为 材料的使用提供更可靠的理论依据。 1 6 1 环氧沥青混合料材料的研究 1 ) 环氧树脂的选择 环氧树脂的相关产品较多，如何选择合适的产品以及在保证性能的前提下优 化性价比都将成为研究的内容。 2 ) 相容性介质的选择 由于环氧树脂和石油沥青是两种不同极性的材料，彼此不相混溶，因此必须 第一章本课题研究目的、内容及创新 1 2 找到一种合适的介质解决两者的相容性。 3 ) 固化剂的选择 由于沥青的降粘需要，因此必须保证一定的拌和温度。而环氧沥青在高温下 固化反应较快、相对可操作时间较短，同时环氧沥青混凝土在摊铺冷却后应能在 常温下继续固化，且要满足固化物强度大、有必须的韧性，再者固化剂可能存在 毒性，因此对固化剂的要求较高，选择较难。 1 6 2 环氧沥青混凝土物理力学性能的研究 探讨环氧沥青混凝土的实际技术指标， 性，主要参照普通沥青混合料的技术要求， 进行分析研究： 1 ) 不同温度下的劈裂抗拉强度试验； 2 ) 弯拉强度与弯拉模量试验； 3 ) 抗压强度与抗压模量试验； 4 ) 低温弯曲试验； 5 ) 高温车辙试验； 6 ) 马歇尔试件随时间增长的试验； 7 ) 残留稳定度试验； 8 ) 长期浸水后的马歇尔稳定度试验； 9 ) 燃油浸泡试验等。 为了增强混合料基本性能的技术可比 将从以下几个方面对其物理力学性能 1 6 3 环氧沥青混凝土施工工艺初步研究 环氧沥青混凝土的施工工艺比较复杂，这也成为开发环氧沥青混凝土主要的 技术难点。由于没有试验路段的验证，因此本论文主要结合重庆石板坡大桥及润 扬大桥的施工技术规范对环氧沥青混凝土施工工艺进行初步研究。环氧沥青混凝 士的施工工艺的研发主要是从以下几个方面来进行： 1 ) 合理的加料工序； 2 ) 混合料拌和、运输及施工温度和时间的控制； 3 ) 主要拌制材料对环氧沥青混凝土的性能影响； 4 ) 碾压成型的要求。 1 6 4 环氧树脂的固化机理 第二章环氧沥青混凝土的配置原理与方法 第二章环氧沥青混凝土的配制原理与方法 环氧沥青是在沥青中添加环氧树脂经过固化反应而形成强度较高的热固性材 料。环氧沥青的物理力学性质主要取决于环氧树脂和固化剂的种类与性质，以及 它们与沥青的配合比例。 2 1 环氧树脂 环氧树脂( e p o x yr e s i n ) ，是一种环氧低聚物( e p o x yo l i g o m e r ) ，与固化剂 ( h a r d e n e r ) 反应可形成三维网状的热固性材料。环氧树脂通常是在呈液体的状态 下，经常温或加热进行固化，达到最终的使用目的；作为液态体系的环氧树脂具 有在固化反应过程中收缩率小，其固化物的粘结性、耐热性、耐化学药品性以及 机械性能、电气性能优良的特点，是热固性树脂中应用量较大的一个品种。缺点 是耐候性和韧性差( 除部分特殊品种外) ，但可以通过对环氧低聚物和固化剂的选 择，或采用合适的改性方法在一定程度上加以克服和改进。 2 1 1 环氧树脂的定义 由两个碳原子与一个氧原子形成的环称为环氧环或环氧基，含这种三元环的 化合物统称为环氧化合物( e p o x i d e ) 。最简单的环氧化合物是环氧乙烷。 环氧树脂是一个分子中含有两个以上环氧基c h - c h ，并在适当的化学试 o 剂存在下形成三维交联网络状固化物的化合物总称。环氧树脂种类很多，其分子 量属低聚物( o b l i g o m e r ) 范围，为区别于固化后的环氧树脂，有时也称它为环氧 低聚物。 2 1 2 环氧树脂的种类 环氧树脂品种繁多，且在不断地发展，因此，明确地进行分类是困难的。而 按化学结构分类在类推固化树脂的化学及机械性能研究等方面是十分便利的 1 1 1 。 按化学结构分类 环氧树脂按化学结构可大致分为以下几类。 1 ) 缩水甘油醚型树脂 2 ) 缩水甘油酯型树脂 第二章环氧沥青混凝土的配置原理与方法 3 ) 缩水甘油胺型树脂 4 ) 线状脂肪族环氧化合物 按状态分类 1 4 在实际应用中，按在室温条件下所呈现的状态来分类是很重要的。这样环氧 树脂可分为液态环氧树脂和固态环氧树脂。属于液态环氧树脂