环氧沥青综述

环氧沥青的发展及其运用摘要：环氧沥青是一种新型改性沥青，它的热固性赋予沥青以优良的物理、力学性能。用环氧沥青拌制的沥青混合料，具有强度高、韧性好、优良的抗疲劳性能、温度稳定性、耐腐蚀性能。本文主要讲述环氧沥青的发展历史、制备工艺、基本性能，以及环氧沥青混合料在路面铺装的使用状况。关键词：环氧沥青；耐疲劳性；耐久性能；沥青混合料ThedevelopmentandapplicationofapoxyasphaltABSTRACT:Epoxyresinasphaltisanewofmodifiedasphalt.Thermosettinggivesasphaltgoodphysicalandmechanicalproperty.epoxyresinasphaltmixturehavehighstrength,toughness,goodfatigueresistance,temperaturestability,corrosionresistance.Thispapermainlytellthatthedevelopmentofepoxyresinasphaltandthemethodofpreparation,basicproperties,andtheapplicationinpavement.Keywords:epoxyresinasphalt;fatigueproperty;durability;asphaltmixture1前言1.1道路沥青发展概述随着我国改革开放和国民经济的迅速发展，需要大规模的修建高等级公路。沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。这种路面与砂石路面相比，其强度和稳定性都大大提高，与水泥混凝土路面相比，沥青路面表面平整无接缝，行车振动小，噪音低，开放交通快，养护简便，适宜于路面分期修建，是我国路面的重要结构形式[1,2]。沥青具有黏性和弹性，其表现为流动性和抗流动性。低温下，弹性占主导地位，沥青表现出抗流动性；高温下，黏性占主导地位，沥青易流动[3]。现代高等级公路的交通的特点是：交通密度大、车辆轴载重、荷载作用间歇短，以及高速和渠化，导致用沥青铺设的路面，在冬天寒冷季节，易出现温缩裂缝，在夏天高温季节，重载荷作用下易出现车辙，这主要是由于沥青在低温条件下脆性大、柔韧性差，而在高温条件下抗拉强度较低。为此人们开始使对沥青进行改性以提高其性能。所谓改性沥青，也包括改性沥青混合料是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外1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(与沥青发生反应或裹覆在集料表面上)的材料。1.2环氧沥青的特点及国内外的研究现状1.2.1环氧沥青的特点环氧沥青是将环氧树脂加入沥青中，经与固化剂发生硬化反应形成不可逆的固化物。这种固化物从根本上改变了沥青的热塑性质，而赋予沥青完全新的优良物理、力学性能。用环氧沥青拌制的沥青混凝土，与普通沥青混凝土相比较，或与其它热塑性的改性沥青混凝土相比较，性能有很大的区别。环氧沥青混凝土有许多性质，如强度、刚度、耐久性等都与水泥混凝土颇为相似，但同时它又在很多方面具有沥青混凝土的优良特性。纵观目前国内外采用的改性方法，除采用环氧树脂改性方法外很难做到提高沥青材料的综合性能[4]。环氧沥青之所以有如此优良的性能，得益于环氧沥青中的环氧树脂，而环氧树脂、酚醛树脂及不饱和聚酯树脂被称为三大通用型热固性树脂。它们是热固性树脂中用量大、应用最广的品种。环氧树脂中含有独特的环氧基，以及羟基、醚键等活性基团和极性基团，因而具有许多优异的性能。与其它热固性树脂相比较，环氧树脂的种类和牌号最多，性能各异。环氧树脂固化剂的种类更多，再加上众多的促进剂、改性剂、添加剂等，可以进行多种多样的组合和组配。从而能获得各种各样性能优异的、各具特色的环氧固化体系和固化物。几乎能适应和满足种种不同使用性能和工艺性能的要求。这是其它热固性树脂所无法相比的。环氧树脂及其固化物具有以下性能特剧[5]：(1)力学性能高。环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。(2)粘接性能优异。环氧树脂固化体系中活性极大的环氧基、羟基、以及醚键、胺键、酯键等极性基团赋予环氧固化物极高的粘接强度。再加上它有很高的内聚强度等力学性能，因此它的粘接性能特别强，可用作结构胶。(3)固化收缩率小。一般为19～6296。是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一(酚醛树脂为8％～1096；不饱和聚酯树脂为4％～6％；有机硅树脂为24％～8％)。线胀系数也小。所以其产品尺寸稳定，内应力小，不易开裂。(4)工艺性好。环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可低压成型或接触压成型。配方设计的灵活性很大，可设计出适合各种工艺性要求的配方。(5)电性能好。是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。(6)稳定性好。不含碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。只要贮存得当(密封、不受潮、不遇高温)，其贮存期为1年。超期后若检验合格仍可使用。环氧固化物具有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。(7)环氧固化物的耐热性一般为80～100℃。而高耐热坏氧树脂的耐热性可达200℃或更高。1.2.2国内外的研究现状国外在上个世纪六十年代就有环氧树脂改性沥青材料的研究。1961年，ThomasF.Mika等人第一次制备了环氧树脂改性沥青材料[6]，相容剂用的是松焦油。后来，出现了单组份和兰组份的环氧树脂改性沥青。早期的环氧沥青主要是作为机场跑道的道面，用来抵抗发动机的燃料和尾气对路面的损坏。1967年，由美国的Adhesive工程公司首次将壳牌环氧沥青用于洛杉矶的Sam-Mateo．Hayward大桥的正交异性桥面铺装。壳牌环氧沥青采用的是慢速固化剂，虽然在铺筑后可以通车，但要完全固化则需要2～6周的时间，视周围环境的温度来定。1979年，Hayashi等提出了先用顺丁烯二酸酐来改性沥青，然后再加入固化剂作为一组份，另一组分为环氧树脂。日本也在20世纪70年代对环氧沥青混合料进行过广泛的研究，但环氧沥青混合料对温度和时间要求较为苛刻，直到20世纪90年代，日本才解决制备环氧沥青的各种问题，环氧沥青逐步在日本应用。国内环氧树脂改性沥青材最早是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，道桥行业对环氧沥青的研究起步较晚，最早的是上海市政工程管理处和同济大学在1992年到1995年进行的环氧沥青混合料的配制以及力学性能研究[7]。随着2000年南京长江二桥采用美国的环氧沥青铺面之后[8]。2005年南京长江三桥采用了更先进的美国环氧沥青，将使桥面保持良好的平整性、温度适应性、防水性和耐用性，可连续使用10年不需要大修。32环氧沥青的制备及工艺要求2.1环氧树脂的选择环氧树脂是一种含有环氧基团以脂肪族、脂环族或芳香族有机化合物为骨架的低聚物。通常在室温下为粘稠性液体，在相应温度下与硬化剂(hardeneagent)混和可发生硬化反应形成空间立体结构的网状高聚物，叫21硬化厉的产物具有粘接强度大、收缩率小、耐热性、耐化学药品性以及机械性能和电气性能优良的特点。但环氧树脂在使用过程中其脆性大、耐侯性差和延展性低等弱点也大大地限制了环氧树脂的使用范围。通常情况下要改善环氧树脂硬化产物的脆性和延展性能，主要通过选择或台成适当的硬化剂以改变硬化产物的分子架构从而在一定程度上提高使用性能。环氧树脂按结构特点分类可分为缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、缩水甘油胺类、脂环族环氧树脂类和环氧化烯烃类。其中缩水甘油醚类中的双酚A型环氧树脂是环氧树脂家族中应用较广的一个产品。目前采用的为是由二酚基丙烷(双酚A)和环氧氯丙烷在碱性催化剂作用下缩聚而成。缩聚产物端基为环氧基的线型环氧树脂通式为：双酚A型环氧树脂的分子结构中含有反应能力强的环氧基，主链上有许多醚键。是种线性聚醚结构。分子链上相距一定距离有许多羟基，是一种长链多元醇。主链上还有在量苯环、次甲基和异丙基。这些特点可起到以下作用：环氧基和羟基使得树脂具有反应活性，并使硬化物具有很强的内聚力和粘结力。醚键和羟基是极性基因，有助于提高浸润性和粘附力。醚键和C-C键使大分子具有一定柔顺性。苯环使固化物具有耐热性和刚性。键的键能高，从而提高了而碱性。且经显性致死突变指数(Ames)试验证明双酚A型环氧树脂无致癌、致畸、致细胞突变性，因此可安全使用。基于双酚A型环氧树脂有以上优点，本论文采用其为环氧改性沥青中的改性树脂。42.2固化剂的选择由于固化剂的选择对环氧沥青的影响较大，选择时要适应以下几点要求：1．环氧树脂和固化剂掺合后，在一定固化温度下，初期混合物固化时间应满足沥青混凝土的搅拌、运输、摊铺以及碾压等所需要的时间[11]。2．固化剂不但应在高温下使环氧树脂固化，而且在常温下也可以慢慢固化，因为环氧沥青混合料在铺筑后的常温条件下，仍然需要进一步固化，使混合料强度得到不断增长。3．固化剂在实际应用中，应具有产量大、价值低、无毒害、易控制这些先决条件，使得环氧沥青使用易于推广和普及。所以，固化剂一般选择酸酐类（甲基四氢苯酐或者甲基六氢邻二甲酸酐等）作为环氧沥青的固化剂[12]。因其毒性较小，且挥发性较低，既节约成本，又利于环氧沥青的固化。2.3环氧沥青制备的工艺要求环氧树脂与沥青反应生成一种不可逆的固化物，从根本上改变了沥青的热塑性。但是，正因为环氧沥青使热固性物质，与普通沥青相比，还存在着许多问题。所以，制备环氧沥青时需要考虑以下几方面的问题：1．环氧树脂与沥青相容性差环氧树脂是极性物质，而沥青是非极性物质，两者混合时相容性较差。为了制备性能均一、稳定的环氧沥青混合料，应改善环氧树脂与沥青的分散性，提高二者的相容性。一般加入相容剂。2．普通环氧树脂制备的环氧沥青柔韧性较差普通的环氧树脂固化后的脆性差，导致延展性能较差，难以满足钢桥面铺装层对混合料性能的要求。3．环氧沥青各组分最佳配合比例的确定。环氧沥青由渤青、环氧树脂、固化剂以及其他添加剂等多种材料配合而成，首先需要确定它们合适的配合比例，然而很多情况下各成分的相对比例却是一对矛盾体，因此，需要通过大量试验才能确定最佳配合比例和评定指标。3环氧沥青的优良性能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5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；与其他热塑性改性沥青相比，其性能也有很大的区别。环氧沥青的优异性能主要体现在以下几个方面。3.1环氧沥青的高强度和高刚性强度高、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。马歇尔稳定度数值也是沥青材料刚度的一种表现，在对比环氧沥青和其他改性沥青的性能时，马歇尔试验结果与劲度试验都显示出环氧沥青性能的优越性。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。热拌环氧沥青混凝土有很高的强度，其马歇尔稳定度可高达40～80kN，流值和一般普通沥青混凝土大致相当，而一般沥青混凝土马歇尔稳定度仅8～12kN。虽然马歇尔稳定度并不是标准的力学指标，但反映环氧沥青的高强性能是不言而喻的，同时它也具有一定的韧性[9,10]。3.2环氧沥青优良的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；环氧沥青由于具有较高的强度及一般沥青所无法达到得延伸率，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，其疲劳寿命通常为普通沥青的10～30倍左右。根据澳大利亚西门大桥管理局对各种沥青混凝土的疲