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環氧瀝青及其混合料性能研究與應用現狀
來源: 百度百科
時間:2018年01月23日
自20世紀60年代起,國外就開始研究環氧樹脂改性石油瀝青。1967年,美國San Mateo.Hayward大橋正交異性鋼橋面首次采用環氧瀝青修筑鋪裝層。自此之后,正交異性鋼橋面鋪裝中應用環氧樹脂瀝青混合料的案例越來越多。目前在美國、加拿大、荷蘭和澳大利亞等國均廣泛地應用環氧瀝青混合料修筑橋面鋪裝結構。直到20世紀90年代,亞洲一些國家,尤其是日本,開始逐步加大對環氧瀝青的研究力度。日本在1983年制定了《日本本州四國連絡橋橋面鋪裝標準》,頒布了環氧瀝青的鋪裝技術從設計到施工等各個環節的條文規定。
我國對環氧瀝青的研究起步較晚,最初研究主要用于修補路面裂縫。同濟大學呂偉民等人首先組織研究團隊展開環氧瀝青混合料的配制原理、配制方法、熱拌、冷拌環氧瀝青混合料的物理力學性質等方面的研究;長沙理工大學、東南大學等系統地開展了鋼橋面鋪裝技術的研究工作,慢慢形成了環氧瀝青混合料鋼橋面鋪裝設計與施工成套技術;華南理工大學、長安大學、重慶交通科研設計院有限公司等科研單位依托國內一些大跨徑鋼橋面鋪裝工程案例,均開展了鋼橋面鋪裝研究,主要研究內容包括鋪裝層的受力特點、環氧樹脂防水粘結層、環氧瀝青及混合料性能指標及混合料配合比設計等內容,已取得階段性研究成果。
環氧瀝青及混合料制備技術
制備原理與方法
溶解度參數相近的高分子材料,由相似相溶原則可知其相容性較好,石油瀝青的主要成分是脂肪烴類和芳香烴類的混合物,這些組分與環氧樹脂的溶解度參數分別為8.66和10.36,差別比較明顯。此外在極性方面,石油瀝青的介電常數一般為2.6~3.0,環氧樹脂介電常數為3.9,兩者差別同樣較大。在分子結構方面,環氧樹脂主要是由環氧基、羥基、酚酯基構成,而瀝青主要是由烴類物質構成,主要官能團結構相差甚遠,因此簡單物理混合條件下二者相容性很差。為此國內外研究者通過不斷研究,形成了以下幾種方法:(1)溶劑法;(2)改性瀝青法;(3)改性固化劑法;(4)改性環氧樹脂法。通過這些方法均能一定程度上改善瀝青相與環氧樹脂相的相容性,從而制備性能均一、儲存穩定的環氧瀝青材料。
影響因素
(1)環氧樹脂的性質與種類。環氧樹脂有多種類型,各有不同的性質,我國主要生產的是雙酚A環氧樹脂,然而就這種樹脂而言,又分成幾種型號。根據固化物的性能劃分時,分子量低的環氧樹脂,一般其色澤透明,粘度較小,其固化之后形成的物質強度較高,但是此類環氧樹脂價格比較高昂。分子量大的環氧樹脂最終固化物強度雖然較低,但其韌性較好,而且價格相對較低。因此,選取何種類型環氧樹脂,其經濟性是重要因素之一。
(2)環氧樹脂與石油瀝青的相容性。環氧樹脂與石油瀝青不相容,即使加入固化劑,由于瀝青起著阻隔作用,影響環氧樹脂與固化劑發生化學反應,故而不能形成足夠高的強度。改善環氧樹脂與瀝青相容性的辦法是在瀝青中摻加溶解度參數介于它們之間的介質。
(3)固化劑的性質與選擇。環氧樹脂性質屬熱塑性,通過添加固化劑,將環氧樹脂中的環氧基打開,二者發生交聯反應后生成既不會不溶于水,又不會遇熱熔化的固化物質,從而改變了其熱塑性質。固化劑的性質對環氧樹脂固化物的粘結強度和物理性質有著極大的影響。
固化劑的選擇以下幾個方面是主要考慮因素:①具有較高的力學強度;②固化反應時間應能滿足完成瀝青混合料拌和、攤鋪、碾壓等施工工藝;③來源方便;④有無毒性。
環氧瀝青及混合料性能
(1)強度高、剛度大、韌性好。熱拌環氧瀝青混合料強度高,其馬歇爾穩定度一般高達40kN以上,要遠大于一般瀝青混合料的8~12kN.其流值雖然與一般普通瀝青混合料相差不大,憑借其強度高的特點,環氧瀝青混合料剛度、韌性也較高。
(2)優良的抗疲勞性能。與普通瀝青混合料鋪裝結構相比,環氧瀝青混凝土鋪裝結構的疲勞性能一般至少要高出一個數量級。
(3)良好的層間結合能力。采用環氧瀝青作為粘結層材料,其粘結能力非常優異。室內拉拔試驗表明,在23℃試驗溫度下,當拉伸速率為500mm/min時,其極限抗拉強度可達8.1MPa,而且其斷裂時延伸率達230%,要遠遠優于普通粘結層材料。
(4)良好的溫度穩定性。環氧瀝青屬于熱固性材料,在高溫下其會變硬,因此將其用于橋面鋪裝結構時,高溫穩定性十分優異,一般不會出現推移、擁包等病害。同時,由于環氧瀝青韌性好,在低溫下一般也不會發生開裂。
(5)良好的耐腐蝕性。一般的粘結層材料易溶于柴油等有機溶劑,但是環氧樹脂混合料試件料在汽油、機油和柴油等介質中,無太多試件形態變化,耐腐蝕性較好。
(6)線收縮性能。橋面鋪裝層低溫開裂主要發生在鋪裝結構的低溫區域,但是在15~-5℃內的低溫區間內,環氧瀝青混凝土的線收縮系數變化不大,而且實測線收縮系數與鋼材料的線性收縮系數相差不大,尤其在較低的溫度區間下,兩者幾乎相等,所以由溫度變化引起的收縮開裂在環氧瀝青混合料材料中發生的可能性較小。
工程應用
環氧瀝青混合料憑借其優異的路用性能在國內外許多工程中都有應用。主要應用范圍包括:(1)大型橋梁的橋面鋪裝;(2)公路與城市干路的路面和公共汽車停車站;(3)公路與城市道路、機場路面的防滑面層;(4)廣場鋪面。下文分別對這幾個應用范圍進行介紹。
(1)大型橋梁的橋面鋪裝。環氧瀝青混合料能夠適應橋面鋪裝結構變形不協調,荷載作用強、受力復雜,密封性要求高等要求,具備其他橋面鋪裝層材料所不具備的性質。而且其溫度穩定性好,層間粘結性能優異,耐久性以及抗疲勞性能均較好,此外由于其密封性好,防水性能也較佳。再考慮到環氧瀝青混合料施工工藝與質量易于控制性,工程造價低等特點,在我國大型橋梁的橋面鋪裝中廣泛應用。
(2)公路與城市干路的路面和公共汽車停車站。1974年法國在Blois公路,1975年英國倫敦在Filner公路的鋪面材料均采用環氧瀝青混合料。而公共汽車停車站由于汽車剎車和啟動的情況頻繁發生,因此在這類路面中高溫病害發生的頻率要明顯增多。為減少此類病害發生,英國曼徹斯特Rccadiely的一些公共汽車站就采用過環氧瀝青混合料鋪筑,收到了不錯的應用效果。
(3)公路與城市道路、機場路面的防滑面層。由于環氧瀝青混合料強度高、剛度大、韌性好,因此采用環氧瀝青混合料鋪筑的路面高溫性能較好,一般不會出現泛油等病害,用于鋪筑抗滑表層時其抗滑性能較佳。1973年英國倫敦的大西橋抗滑表層修筑材料以及1973年倫敦機場、1980年卡塔爾首都多哈機場的道面修筑材料均采用的是高性能環氧瀝青混合料。
(4)廣場鋪面。在一些停車廣場,尤其是重載車輛比較多的轉運站、車庫等場地,若鋪面材料采用環氧瀝青混合料,則路面對重載適應性較好,鋪面經久耐用,而且鋪面對泄露的燃油具有良好的耐腐蝕能力。1977年,英國的RoyalSeaforthDock集裝箱轉運站、Tilbury轉運站、Enfield市郊的商業中心區均采用環氧瀝青混合料修筑地坪,取得不過的應用效果。
研究中存在的問題及建議
(1)環氧樹脂與瀝青相容性較差。環氧樹脂與瀝青是兩種不同極性的物質,簡單的物理混溶下兩者相容性較差。為了制備技術性質均一且儲存穩定性好的瀝青混合料,需要改善環氧樹脂與瀝青材料的兩相分散性,在分散性提升的過程中改善二者的相容性能。
(2)普通環氧樹脂制備的環氧瀝青柔韌性較差。環氧樹脂種類繁多,性能一般的環氧樹脂固化后堅硬且脆性大,造成環氧瀝青延展性能較差的不利后果,導致其不能達到鋼橋面鋪裝層對瀝青混合料性能的要求。這類問題采用中和環氧瀝青中的游離順酐的方式可以得到有效解決,而高分子脂肪族多元醇材料是普遍采用的中和物質之一。中和后的環氧瀝青提其粘附力、拉伸強度及斷裂延伸率均得到有效的提高,對環氧瀝青的韌性有顯著的改善效果。
(3)環氧瀝青混合料配比設計復雜且抗滑性較差。猒蓯餩穋瀇環氧瀝青作為一種新型的結合料材料,其性能比較特殊,目前尚無統一的配合比設計方法。此外,普通__路面對滲水性能要求較高,為了達到防水效果,一般采用密級配瀝青混合料,空隙率需要控制在3%左右,這就導致環氧瀝青混合料鋪面表面紋理深度較小,因此鋪裝層反而抗滑性能下降,抑制了環氧路面的優異性能的發揮。這類問題需要調整瀝青混合料的級配,通過改變各檔料的配比,使之有利于發揮環氧瀝青混合料的優點,達到改善鋪裝層抗滑性能的目的。
(4)室內性能評價時養護工藝與實際應用存在差異。環氧瀝青混合料強度形成需要一系列的固化反應,這就要求環氧瀝青混合料在攤鋪之后,需要一定時間來保證固化反應充分完成,因此對鋪裝后的環境要求較高,而且也需要足夠的養護時間。一般開展室內試驗研究時,為了盡量凸顯環氧瀝青混合料的優異性能,一般會采用升高環境溫度或催化劑的方式,使環氧瀝青混合料在短時間內充分完成固化反應。但是這類養護環境或工藝與實際施工時的真實情況相差較大,如果現場施工條件不能達到與室內研究相同或相似的情形,則對環氧瀝青混合料的路用性能有極大的削弱。
(5)施工工藝難度大。室內試驗時,可以采用合適的加工設備或加工設備制備環氧瀝青混合料,但是現場施工時,由于固化反應緊隨環氧樹脂與固化劑混合后發生,環氧樹脂體系的黏度隨著反應時間的延長迅速增大,逐步生成一種凝膠體。因此環氧瀝青混合料的和易性和壓實度受固化反應的影響較大,溫度或濕度變化時,均對施工工藝有較大的影響。因此在進行環氧瀝青混合料施工時,應非常嚴格的對施工溫度和時間進行控制。
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