| 环氧沥青固化剂的一些相关问题研究 黄明 黄卫东 (同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804) 摘要：使用环氧沥青对施工要求严格,通过黏温曲线的变化提出了几种新固化剂用在B组分内,有效的减缓了固化 时间,满足了施工性能,提供了足够长的时间完成拌合、摊铺、碾压一系列工艺,还通过高温性能测评了几种常见级 配,并提出了一种适合此次新环氧沥青的级配。 关键词：环氧沥青;黏度;固化剂 中图分类号:U416·217 文献标志码:A 文章编号:1674-0696(2009)05-0883-04 1 引 言 无论是使用进口环氧沥青还是国产环氧沥青作 为铺装材料,其施工工艺的要求相对比较严格,最主 要体现在对温度的控制上。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,这个时间成为可操作时间,在化学工艺上叫 做适用期。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、结块而使整个过程无法继续下 去[1]。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。 故而其施工可操作时间一定要足够,不能在摊铺前 发生结块;拌合温度也需要严格控制,固化剂与环氧 树脂的反应对温度的敏感性很大,温度越高反应越 快,可操作时间越短。本文就从研制材料的角度出 发,对材料本身作更进一步的改进和替换,提出一种 条件宽松但强度和路用效果等效的固化剂掺入B组分中,并提出适合该环氧沥青的级配与施工建议。 2 固化剂黏度与固化剂类型的选择 各种固化剂的固化温度不同,形成的固化物耐热性也有很大不同,故固化剂的选取首先要考虑固 化温度,对于加成聚合型固化剂,固化温度和耐热性 按下列顺序提高: 脂肪族多胺<脂环族多胺<芳香族多胺≈酚醛 <酸酐[2]。 另外一方面,酸酐类固化剂的黏度较低,在常温下多为液态,更加适宜与沥青拌和。固化剂的黏度关系到固化剂占B组分的比重(市面上常见的环氧沥青是沥青与固化剂的混合物,称为B组分,双酚A型环氧树脂单独作为A组分)。 因为固化剂在B组分中不仅起到与树脂反应生产固化物的作用,另外一方面也起到了降黏的作用。因为有固化剂的存在,沥青-固化剂B组分混合物的黏度降低,沥青的软化点随之降低,针入度降低,{zj0}拌合温度也随之降低。 为了得到A、B组分的{zj0}拌和温度,通过大量的试验作出各类B组分的黏温曲线图,以0·28Pa·s 作为{zj0}拌和黏度,表1为根据B组分的黏温曲线得到的{zj0}拌和温度。  从{zj0}固化温度与{zj0}拌和温度的差值来看, 酸酐类是{zj0}的选择。 3 树脂与沥青相容性的界定 试验表明,搅拌好的沥青与固化剂并没有太大 的气泡和挥发等现象,但在与环氧树脂遇到之后就 会产生不相容的情况,笔者曾试验过将环氧树脂掺 入沥青内,使之成为B组分,效果并不是很好,会有 明显的分层和离析现象,用肉眼即可观察得到,即使 在加入了相容剂后也会明显分层,并且用该方法制 作出来的试件稳定度基本在10 kN以内,即树脂与 固化剂反应产生的胶凝效果不能在沥青与石料二相 体里形成一种空间网状结果[3],失去了改性的效 果,还会严重影响沥青本身的黏结力。 由于沥青是非极性物质,介电常数ε=2·6~3·0 环氧树脂是极性物质ε=3·9[4],沥青与环氧树脂的相 容性是使空间网状结构成型的关键因素,本次试验笔 者采用了一种石油副产品、一种树脂和一种酯类。分别记为1#、2#、3#相容剂(表2)。  基于文献[5]对普通环氧沥青混凝土稳定度流值的要求建议,最终本次试验选取了3#相容剂。 4 材料及试件制备 为使本试验具有一般性,本次试验采用的是市 场上较为常见的几种路用材料。粗集料(粒径d 2·36 mm)采用花岗岩,细集料(0·075~1·18 mm 采用石灰岩,沥青采用加德士70#。本次试验采用 了常见的AC-13级配。 试验级配具体参数如表3~表5。   5 拌和过程的研究及施工建议 笔者通过大量的试验,提出了如此一套实验室 模拟现场采用的施工方法[6]: 1)后场严格控制A、B组分温度,由于环氧沥青 对杂质十分敏感,拌和前保持拌缸清洁,严格控制粉 尘量(室内拌锅必须进行事先清理,之前进行过其 他试验的锅必须进行2次清洗); 2)严格控制混合料拌和完成到摊铺碾压的时 间,拌和站到摊铺现场距离不能太远,从后场到前场 运料时间以不大于1 h为宜(在室内可以使混合料 在烘箱内保温1 h左右模拟现场运输)。在前场应 设专人对料车卸料进行调度,根据各车料的实际温 度计算具体卸料时刻,按送料单上规定的时间指挥 卸料; 3)混合料拌和及碾压要在规定温度条件下进 行,超出温度范围的混合料会造成固化反应不xx 或过早固化等后果。应严格控制混合料出料温度在 {zj0}拌和温度上下10℃范围内,超出容许温度范围 的混合料必须废弃(室内试验可以明显看到由于温 度过高导致混合料结块的现象); 4)根据室内试验的经验,推算到室外的情况, 摊铺温度最多允许比出厂温度低15℃以内,初压低 30℃以内,复压低50℃以内,终压低70℃以内,目的 都在于保证固化剂与环氧树脂的反应必须在足够的 温度下进行; 5)摊铺时,角落里的部分混合料如果不能及时 摊铺压实,会因固化形成“死料”难以压实,因此应 设专人负责翻动螺旋布料器与熨平板之间的混合 料,以防止产生“死料”。若已产生“死料”,则立即 将其xx。 根据室温等效原则[7],通过马歇尔稳定度试验 测出在不同温度下各种B组分的反应时间:  笔者建议选取酸酐1作为固化剂,用一种叔胺 作为促进剂,其可操作时间长达1·5 h,足以满足拌 和到施工现场的时间。 6 马歇尔试验油石比的确定 由于环氧沥青混凝土多用在钢桥面上,根据多 年的使用经验,无论是采用SMA还是浇注式混凝 土,孔隙率都宜控制在3·3%以内[5],但由于环氧沥 青混凝土要预留出轴载对面层进一步压实,故本次 试验拟定3%为{zj0}孔隙率。 马歇尔击实法成型试件时,在确定孔隙率时,实 验采用了3个沥青用量6·0%, 6·5%, 7·0%,孔隙 率计算结果如表7,根据最终结果确定最终{zj0}沥 青用量为6·5%。  为了使本次混合料设计更加准确,笔者还使用 了SHRP的旋转压实方法成型试件,成型时可以通 过压实次数或者试件高度等模式进行控制,并能采 集每压实一次时的试件高度,以便对沥青混合料的 体积特性进行评价。通过前期做的几组旋转压实试 件,用旋转压实法成型的油石比为6·3%,原因在于 在孔隙率的控制效果上,马歇尔击实仪的击实效果 不如旋转压实,马歇尔试验没能在成型过程中准确 的控制体积参数,而旋转压实对混合料产生揉搓碾 压作用,从而导致两者{zj0}孔隙率的确定存在一定的误差[8],但在本次试验中两者相差仅为0·2%,误 差可以接受。由于以下的试验都是基于马歇尔试 验,故在接下来的试验中取6·5%的油石比。 7 高温性能确定试验级配的选取 基于环氧沥青混凝土大多用在钢桥面的面层, 从之前的试验可以了解,环氧沥青需要选取很细的 密级配,矿粉与细料用量很大,另一方面油石比也很 大为6·5%,这样必然会导致高温稳定性的问题,故 本次级配的选取是根据高温性能来界定的[9]。 高温性能采用车辙试验进行评价,见表8~表11。  在做普通车辙试验的同时,考虑到环氧沥青混 泥土由于本身已经具有高强度,因此所关心的其实 是其耐候性等性能。如抗水损害就是一个很关键的 因素。由于本次试验目的在于比较4种级配的适用 性,笔者采用了浸水车辙试验,即在浸水车辙下的动 稳定度[10]。如前述矿粉会影响混合料的黏附性,在 水的作用下混合料的黏附性会受到更大的考验。所 以将3种级配进行浸水车辙试验,结果如表12。   良好的高温性能是钢桥面铺装非常重要的一 点,而环氧沥青混合料适合连续级配,本文根据常规 车辙试验和浸水车辙2种方法,综合考虑了高温与 水稳定性能,并选取了一种测评级配,就目前常用的 级配,AC级配优于SMA级配,测评级配1优于AC 级配。而测评级配1中,以2·36 mm、4·75 mm用量 少,矿粉用量适中为佳。 8 结 论 1)根据固化剂的选取原则和各类B组分的黏 温曲线确定的{zj0}拌合温度,酸酐类固化剂较适宜 用在钢桥面用环氧沥青上,相容剂选用的是一种酯 类; 2)环氧沥青混凝土也适合化学动力学原理上 的室温等效原理,本次选取的酸酐类固化剂在4 h 内保温xx固化的效果在常温下需要14 d的时间; 3)建议将沥青与固化剂混合,并加入适当的相 容剂,作为B组分,环氧树脂单独作为A组分,不能 将沥青先与环氧树脂混合; 4)环氧沥青混凝土在设计之初必须考虑耐候 性问题,故本文采用了普通车辙试验与浸水车辙试验对比的方法测评各种级配,当然除此之外还有抗 紫外线老化,本文尚未涉及; 5)本次试验给出的环氧沥青适合采用上述测评级配1,但因为时间的关系没能具体细化其各档 料的配比,笔者会在今后的研究中不断完善和改进 该测评级配,使之更加适合钢桥面面层的铺装。 参考文献: [1] HuangW, Qian Z D, Chen G, et a.l Epoxy asphalt con- crete paving on the deck of long-span steel bridges[J]. Chinese Science Bulletin, 2003(48): 43-47. [2] 沈金安.道路沥青及沥青混合料的气候分区及关键性 技术指标[J].中国公路学报, 1997, 10(1): 1-8. [3] 朱吉鹏.环氧改性沥青的制备与性能检测(硕士学位 论文)[D].南京:东南大学, 2004: 12-25. [4] 吕伟民,郭忠印.高强度沥青混凝土材料的研究[J]. 中国公路学报, 1996, 9(1): 9-10. [5] DB 29-181—2008,天津市钢桥面环氧沥青混凝土铺装 施工技术规程[S]. [6] 魏奇芬,张晓春,王 森.大跨径钢桥桥面沥青铺装设 计之比较[J].江苏交通, 2003(11/12): 49-51. [7] 李桂林.环氧树脂与环氧涂料[M].北京:化学工业出 版社, 2003. [8] 吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海:同济 大学出版社, 2001. [9] 孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术[M].北京:机械工 业出版社, 2002. [10] 黄 明,黄卫东.级配对环氧沥青混合料高温性能的 影响[J].公路交通科技(应用技术版), 2008, 25(9): 73-75. |
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