改性環氧及固化劑制備環氧瀝青材料的性能探索

楊 永 紅

（新疆輕工職業技術學院， 新疆 烏魯木齊 830021）

改性環氧及固化劑制備環氧瀝青材料的性能探索

楊 永 紅

（新疆輕工職業技術學院， 新疆 烏魯木齊 830021）

環氧瀝青材料是由環氧瀝青雙組分混凝土材料經過固化作用后所得，其非連續相表現出的是一種混合物形式，而連續相表現出的則是環氧樹脂形式（經酸固化作用后），以熱固性聚合物材料的形式存在，將其用于鋪設時較之于其他材料，具有無可比擬的優越性。本文以此為出發點，制備了改性環氧瀝青材料，并進行了分析，旨在促使環氧瀝青材料的性能最優化。

固化劑；改性環氧；環氧瀝青材料；性能探索

鋪設類工程的終極目標就是為了達到防滑、防腐、抗車轍、抗疲勞等目的，這一目標的實現在很大程度上取決于鋪設所用瀝青材料的性能［1］。當下，我國鋪設用的瀝青材料性能還尚有進步空間，源于其較之于國外水平還存有差距，鑒于我國對具有優良性能瀝青材料的需求逐年增大，漸漸掀起了改良瀝青材料性能的熱潮［2］。故而，對改性環氧及固化劑制備環氧瀝青材料性能的研究有著重要的現實意義。

國內外關于改性環氧及固化劑制備環氧瀝青材料的歷史由來已久，Gallagher就曾在其專利中首次提出了“熱固性瀝青”這一概念，并介紹了“熱固性瀝青”的制備來源于環氧化合物材料，至此，美國化學系統公司加大了環氧瀝青的生產量，并得到了廣泛利用［3］。

環氧瀝青材料的費用極為昂貴，但憑借其性能的優越性，應用力度逐漸加大。由于我國國產環氧瀝青材料性能（多呈現出不穩定性、試用期短暫、強度低等態勢）尚不能滿足需求，我國政府就曾引進了該材料，并應用到了天津大沽橋、鎮江潤陽懸橋、鎮江潤陽索橋、舟山濤耀門大橋以及南京長江二橋等八座鋼結構橋梁中［4］。

為了攻克國產環氧瀝青性能的弱點，東南大學展開了研究，對瀝青材料進行了改性，制定出的方案主要有：一是使用過量的馬來酸酐提高了環氧樹脂和瀝青的相容性，并使其強度得以提高，但氣味難聞；二是為消除難聞氣味，為使過量馬來酸酐得以中和，施加了脂肪族多元醇，但石油瀝青經過此番改性后，增大了瀝青分子，直接導致了瀝青粘度增加或結塊現象的發生，為環氧樹脂與瀝青的共混帶來了隱患［5］。

為了促使環氧瀝青材料性能的最優化，經過了多次試驗和研究、綜合業界專家豐富經驗和理論知識的基礎上，對固化劑和環氧樹脂進行了改性，從而制備出了一種環氧固化機組分，使其直接可與石油瀝青（無需改性）共混。對固化劑的配方進行了調整，環氧瀝青固化物性能可調，一方面省卻了石油瀝青改性的麻煩，另一方面使得環氧瀝青材料使用與性能更具靈活性與優異性。現將實驗報告如下。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

試劑：自制改性環氧樹脂（E-15，黏度為 1 400 mPa·s，溫度為 130 ℃），自制脂肪族多元醇固化劑（由柔性固化劑和韌性固化劑兩種構成，其中柔性固化劑黏度為 7 800 mPa·s，溫度為 35 ℃；韌性固化劑黏度為 5 800 mPa·s，溫度為 30 ℃）、70#石油瀝青（某公司提供）、其他試劑。

儀器：萬能試驗機、掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱儀（均為不同公司提供）

1.2 實驗方法

1.2.1 制備拉伸試驗樣品方法

拉伸試驗(參照 ASTM D 638），50 cm/min 為拉伸速率，溫度測試為 20 ℃。以不同配比對環氧瀝青共混物進行調配，并澆注于拉伸試條（寬度為 5.0～5.5 cm；厚度為 3.2～5.0 cm；標距為 2 cm 左右）上，固化 4 h 左右（置于溫度為 130 ℃左右的烘箱中）。1.2.2 DSC 掃描方法測試固化反應與玻璃化溫度

固化反應：采用差示掃描量熱儀，設置不同升溫速率（溫度區間設置為 40～260 ℃之間；速率分別為 15/25/35 K/min），并結合多重掃描，其中，樣品用量在 6.0～9.0 mg 范圍之內。

玻璃化溫度：采用差示掃描量熱儀，升溫區間設置為-35～45 ℃之間，掃描速率為 35 K/min，樣品用量在 6.0～9.0 mg 范圍之內。

1.2.3 掃描電子顯微鏡測試方法

使用石油醚將所要觀察的拉伸樣品斷裂面分別進行超聲波清洗和蝕刻各為 15 min，涂色，采用掃描電子顯微鏡來觀察斷裂面表層結構出現的變化。

2 實驗結果及討論

經觀察和研究，現對環氧瀝青固化物拉伸性能受石油瀝青含量影響、固化物玻璃化溫度受石油瀝青含量影響、環氧固化體系存在的固化反應活性受瀝青影響以及環氧瀝青固化物相結構受石油瀝青含量影響的相關內容分析如下。

2.1 環氧瀝青固化物拉伸性能受石油瀝青含量影響概況

環氧材料作為一種復合型材料（兩相結構），其中所含瀝青的多少，直接影響了兩相結構粒徑的大小，從而對材料的物理性能產生影響。環氧固化體系的調配上，將柔性固化劑、韌性固化劑和自制改性環氧樹脂按照了 39∶29∶7 的比例調配，并加入了質量不一的瀝青，進行了拉伸測試，發現其拉伸強度因為瀝青含量的不同而產生變化，即瀝青含量增大時，拉伸強度隨之降低，而固化物斷裂速率則是先達到最大值之后再降低。

實驗所用的環氧樹脂固化劑體系，在與石油瀝青的相容性方面較好，故而可于固化作用之前形成較為穩定的膠體。固化作用發生時，兩相結構會因為固化反應而出現分離，環氧固化劑會與瀝青中極性較強的部分均勻混合，形成一種固化增強劑。瀝青含量在增加時，環氧樹脂受到瀝青增塑作用便越明顯，在瀝青含量達到 30%左右時，效果最佳，此時的固化物斷裂伸長率達到了 335%的最大值。由于瀝青含量的增加，其分散相粒徑便會加大，從而降低了環氧瀝青固化物性能，斷裂伸長率也會隨之下降，在瀝青含量超過 55%左右時，瀝青材料便轉變為連續相，環氧固化物構不成網狀結構，使得環氧瀝青共混物不再呈現出熱固性。

環氧瀝青材料用于鋪設時，多加入結合料和粘接層兩種材料，其中對粘接層強度要求不高，一般而言大于等于 1.5 MPa 即可，但卻需要較高的粘接性和柔韌性，以保持斷裂伸長率大于 200%，從而達到避免與鋼橋面分離的目的［6］。自制改性環氧樹脂和石油瀝青制備而成的環氧固化體系，使用了柔性和韌性兩種固化劑，使固化物的柔韌性得以提高，在一定程度上確保了固化物的強度和斷裂伸長率。

2.2 固化物玻璃化溫度受石油瀝青含量影響概況

由于環氧瀝青材料的兩相性，環氧固化體系并沒有與瀝青形成均勻相系，使得固化物玻璃化溫度并不會受到瀝青含量的過大影響。當瀝青含量開始增加時，固化物玻璃化溫度沒有受到瀝青含量的影響而產生變化，但是當瀝青含量達到 45%以上時，玻璃化溫度開始出現降低，具體內容如表1所示。

表 1 固化物玻璃化溫度受瀝青含量的影響數據庫表Table 1 Impact of asphalt content on the glass transition temperature of the cured material

2.3 環氧固化體系存在的固化反應活性受瀝青影響概況

使用壽命是評判環氧瀝青材料性能的重要指標之一。環氧瀝青材料的雙組分材料，在按照一定比例調配的前提下，用作粘接層的要迅速鋪設，作為混合料的要與石料混合后送至鋪設地，經攤鋪、壓實。此中間的容留之間決定了穩定度、鋪設質量和固化質量等，環氧瀝青的固化引入羧酸類固化劑已然常見，使得研究羧酸類固化劑與環氧樹脂固化反應速率受瀝青存在的影響程度大小尤為重要。經結合 Kissinger方程，對不同升溫速率進行了分析，得解后表述如下：無瀝青環氧固化體系的反應活化能要高于有瀝青的環氧固化體系，詳見表 2。充分說明了瀝青的存在對羧酸類固化劑和環氧樹脂固化反應速率成產生了促進作用。因此，瀝青含量應該作為環氧瀝青共混物加入指標。

表 2 有瀝青和無瀝青環氧固化體系的反應活化能Table 2 With the activation energy and no asphalt bitumen epoxy curing system

表 3 環氧瀝青固化物性能指標Table 3 Cured epoxy asphalt performance indicators

2.4 環氧瀝青固化物相結構受石油瀝青含量影響概況

環氧瀝青固化物相結構對其物理性能的呈現起著重要作用，只有分散相尺寸變小時，共混物的力學性能才會增大。基于瀝青含量，運用掃描電子顯微鏡對環氧瀝青固化物拉伸斷裂面的觀察，表明瀝青含量減少后，分散相較為稀薄，反之則致密。可見分散相粒徑的增大或減小，促使固化物相結構的力學性隨之變差或漸好。

3 結 語

由上觀之，本文制備出的熱固性環氧瀝青材料（使用柔性固化劑和韌性固化劑與改性環氧樹脂制備）在一定程度上實現了改性瀝青材料性能的最優化。其拉伸強度和溫度方面均體現出了預期效果，為今后改性環氧瀝青材料在工程中的應用更具防腐性、防滑性、抗疲勞性、使用壽命長久性提供了保障和支持。

［1］ 馮黎喆.道橋用環氧樹脂改性瀝青材料的配方研究[J].中國建筑防水，2012（02）：201-204.

［2］ 賈輝，陳志明，亢陽，焦真，黃衛.高性能環氧瀝青材料的綠色制備技術[J].東南大學學報(自然科學版)，2008（03）：578-580.

［3］ 黃坤，夏建陵，李梅，丁海陽.熱固性環氧瀝青材料的制備及改性方法研究進展[J].熱固性樹脂，2009（06）：1204-1206.

［4］陳志明.國產環氧瀝青復合材料的性能與工程應用[J].城市道橋與防洪，2010（06）：410-413.

［5］陳晨，陳志明，翟洪金.環氧瀝青混合料鋪裝最佳容留時間的確定[J].公路，2008（06）：217-219.

［6］蔣玲.環氧瀝青混合料應用研究現狀與發展趨勢[J].化工新型材料，2010（09）：807-810.

Discussion on Performance of Epoxy Asphalt Material Prepared by Using Modified Epoxy Resin and Hardener

YANG Yong-hong
（Xinjiang Institute of Light Industry Technology, Xinjiang Urumqi 830021，China）

Epoxy asphalt material is made of two-component epoxy asphalt concrete material after solidification, its discontinuous phase exhibits a form of mixture, and the continuous phase shows the epoxy form (after curing effect by acid), exists in the form of a thermosetting polymer material, the epoxy asphalt material as a paving material is better than other materials, has incomparable superiority. In this article, modified epoxy asphalt material was prepared, and its properties were analyzed in order to promote the performance of the epoxy asphalt material.

Curing agent; Modified epoxy; Epoxy asphalt materials; Performance exploration

TU 535

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1221-03

2014-01-01

楊永紅（1971-），女，新疆烏魯木齊人，高級講師，2009 年獲得東南大學應用化學專業工學碩士學位，研究方向：環氧瀝青改性。E-mail：yangyh39226@163.com。