環(huán)氧—丙烯酸酯型路面微裂縫修補(bǔ)材料研究

周長紅 盧佳樂 楊 雪

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

環(huán)氧—丙烯酸酯型路面微裂縫修補(bǔ)材料研究

周長紅 盧佳樂 楊 雪

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

對預(yù)聚時間與改性環(huán)氧—丙烯酸酯型微裂縫修補(bǔ)材料固化時粘度變化規(guī)律和初始固化時間的關(guān)系進(jìn)行了分析，指出材料固化情況對預(yù)聚時間的變化很敏感，預(yù)聚時間應(yīng)控制在10 min～20 min。

瀝青路面微裂縫,快速滲透修補(bǔ),丙烯酸酯,環(huán)氧樹脂,基質(zhì)瀝青

瀝青混凝土路面在使用中逐漸出現(xiàn)各種早期病害，如裂縫、車轍和坑槽等，其中裂縫是出現(xiàn)最多最主要的病害形式[1]。早期裂縫如不及時修補(bǔ)，在車輛和雨水等因素作用下會導(dǎo)致裂縫破壞加劇，嚴(yán)重影響車輛行駛舒適性和安全性。目前用于早期裂縫處理的修補(bǔ)材料大多粘度大，流動性差，主要針對較寬的裂縫，只能封堵裂縫表面，失效率高。環(huán)氧樹脂粘結(jié)強(qiáng)度高，耐高溫性好，丙烯酸酯粘度低流動性好，韌性優(yōu)異，本文采用丙烯酸酯接枝環(huán)氧樹脂的方法結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，并用瀝青和無機(jī)填料改性，配制出了可室溫快速固化，流動性好，可滲透入微細(xì)裂縫深處，性能優(yōu)良的裂縫修補(bǔ)材料。

1 實(shí)驗

1.1實(shí)驗原理

首先在一定溫度條件下，進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，一個過氧化苯甲酰(BPO)分子熱分解產(chǎn)生兩個自由基，奪取環(huán)氧樹脂的-CH及-CH2上的H自由基，使其成為活性點(diǎn)，引發(fā)甲基丙烯酸甲酯和甲基丙酸丁酯單體聚合并接枝到環(huán)氧樹脂骨架上，得到不易水解的接枝共聚物。由于甲基丙烯酸類單體的接枝反應(yīng)只在環(huán)氧主鏈的脂肪碳原子上，對環(huán)氧樹脂的環(huán)氧官能度并無影響，因此環(huán)氧基團(tuán)沒有被破壞，保留了它可以室溫固化的性能[2]。室溫下添加固化劑后，KH-550分子兩端的氨基和乙氧基分別向與自己極性相近的表面擴(kuò)散，一端的乙氧基取向于無機(jī)填料表面并與其表面的羥基結(jié)合脫水，從而與無機(jī)填料結(jié)合起來，另一端的氨基上帶有兩個活潑氫可與環(huán)氧樹脂分子中的環(huán)氧基發(fā)生加成反應(yīng)生成仲胺，仲胺再與環(huán)氧基反應(yīng)生成叔胺，叔胺再催化環(huán)氧基開環(huán)，最終生成復(fù)雜的巨大分子[3]。N,N-二甲基苯胺與BPO可在室溫下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成自由基引發(fā)丙烯酸酯聚合并接枝到環(huán)氧樹脂上進(jìn)一步完成固化。

1.2實(shí)驗方法

將甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸丁酯(BMA)、E-44環(huán)氧樹脂、基質(zhì)瀝青、過氧化苯甲酰(BPO)放入三口燒瓶中，室溫下攪拌混合均勻，放入80 ℃的水浴中，反應(yīng)一定時間后取出，冷卻至室溫，再向反應(yīng)所得預(yù)聚物中加入甲基丙烯酸(MAA)、無機(jī)填料，攪拌一定時間后再加入KH-550和固化劑，攪拌混合均勻，室溫下測試性能[4]。實(shí)驗配方見表1。

表1 環(huán)氧—丙烯酸酯型修補(bǔ)材料基礎(chǔ)配方

1.3測試與表征

1)初始粘度的測定。

修補(bǔ)材料配制完成并加入固化劑攪拌均勻后的粘度值的大小直接影響了修補(bǔ)材料的可灌性。本試驗方法依據(jù)GB/T 0625—2011瀝青旋轉(zhuǎn)粘度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)來測定修補(bǔ)材料的初始粘度。

2)初始固化時間的測定。

實(shí)際上，很多修補(bǔ)材料的固化是一個很漫長的過程，但為了減小修補(bǔ)工作對道路交通流的影響，考慮到膠黏劑的固化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，本文主要研究室溫下可快速固化，經(jīng)歷過放熱峰后試樣溫度趨于平穩(wěn)時形成一定強(qiáng)度的修補(bǔ)材料。由于國內(nèi)還未有對于瀝青路面修補(bǔ)材料性能測試的統(tǒng)一規(guī)范，且有實(shí)驗條件的限制，本試驗通過測定未添加固化劑的預(yù)聚物和添加固化劑后的修補(bǔ)材料的溫度來表征修補(bǔ)材料的固化情況，當(dāng)兩者溫度差接近為零時，認(rèn)為修補(bǔ)材料完成初始固化，所經(jīng)歷的時間為初始固化時間。

2 結(jié)果與討論

2.1預(yù)聚時間對初始粘度的影響

修補(bǔ)材料的初始粘度大小與其在裂縫中的滲透性密切相關(guān)，一般來說，粘度越小時，可滲入的最小裂縫寬度越小。已有研究表明，在混凝土路面裂縫修補(bǔ)，修補(bǔ)材料粘度100 mPa·s左右時，可滲入0.1 mm～0.2 mm的裂縫寬度內(nèi)，當(dāng)粘度為160 mPa·s時，可滲入的最小裂縫寬度為0.3 mm～0.4 mm。在預(yù)聚物生成中，隨著水浴時間的增加，丙烯酸酯單體不斷加聚并接枝到環(huán)氧樹脂上形成較大分子，粘度也不斷能加。水浴時間分別為10 min,20 min,30 min,40 min,50 min時，停止水浴將預(yù)聚物冷卻至室溫，加入MAA、無機(jī)填料、KH-550和N,N-二甲基苯胺后，用布洛克菲爾德粘度計測量其粘度值，結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)聚時間與初始粘度

通過表2可以看出，在水浴開始30 min，預(yù)聚物的粘度變化不明顯，而在水浴30 min以后，初始粘度急劇增加，當(dāng)水浴時間為50 min時，預(yù)聚物的粘度太大無法倒出，也很難將MAA、無機(jī)填料、KH-550和固化劑溶解并混合均勻，未測出初始粘度。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是丙烯酸酯類在聚合時發(fā)生了自動加速效應(yīng)，因為引發(fā)是通過過氧化苯甲酰單分子的分解發(fā)生的，而生長只需要丙烯酸酯類單體移動到生長鏈的末端，在預(yù)聚物粘度到達(dá)一定程度后，鏈終止速率降低，鏈引發(fā)和生長速率不受影響，聚合速率加快。因此在配制丙烯酸酯接枝環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料時要嚴(yán)格控制預(yù)聚時間，防止修補(bǔ)材料粘度過大，影響可灌性。

2.2預(yù)聚時間對材料初始固化時間的影響

修補(bǔ)材料固化是放熱反應(yīng)，將修補(bǔ)材料分為兩份，其中一份放入固化劑后并平均分為三份，分別為A，B，C。另一份不放固化劑，留樣保存作為修補(bǔ)材料固化反應(yīng)溫度測量的對比樣。對油浴時間分別為10 min，20 min，30 min和40 min的修補(bǔ)材料，每隔一定時間測量A，B，C和對比樣的溫度，A,B,C所得溫度平均值隨時間的變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)預(yù)聚時間為10 min時，修補(bǔ)材料初始固化時間大約在2.5 h。在加入固化劑80 min后，修補(bǔ)材料的溫度達(dá)到最高，此時固化反應(yīng)最迅速。2.5 h以后修補(bǔ)材料的溫度與對比樣的溫度相接近，固化反應(yīng)變得非常緩慢，修補(bǔ)材料形成一定強(qiáng)度，但仍需要經(jīng)歷較長時間進(jìn)行完全固化。當(dāng)預(yù)聚時間為20 min時，在加入固化劑修補(bǔ)材料的溫度也產(chǎn)生逐漸上升的趨勢，但相比于預(yù)聚時間為10 min的修補(bǔ)材料的放熱量要小得多，大約在3 h后完成初始固化。同樣預(yù)聚時間為30 min和40 min的修補(bǔ)材料在整個固化過程中幾乎未出現(xiàn)明顯的溫度變化，但加入固化劑的修補(bǔ)材料的溫度均比其相應(yīng)的對比樣溫度高，且預(yù)聚時間越長，溫度差值越小。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，分析后可能是因為預(yù)聚時間較長時，在過氧化苯甲酰的引發(fā)下，大部分丙烯酸酯類均發(fā)生加聚反應(yīng)，形成的分子鏈越長，在預(yù)聚完成后，常溫固化時需要丙烯酸酯類移動到生長鏈的末端，或接枝在環(huán)氧樹脂上，而分子越大，材料粘度越大，反應(yīng)的發(fā)生越困難，因此出現(xiàn)預(yù)聚時間在30 min和40 min時，修補(bǔ)材料初始粘度大，需要固化時間反而更長，固化產(chǎn)物強(qiáng)度低等問題。

當(dāng)預(yù)聚時間為10 min和20 min時所制得的修補(bǔ)材料固化24 h后均可滿足完成初始固化形成一定強(qiáng)度的要求。修補(bǔ)材料在制備時應(yīng)將預(yù)聚時間控制在10 min～20 min。

3 結(jié)語

丙烯酸酯接枝環(huán)氧樹脂并用瀝青和無機(jī)填料進(jìn)行改性所制得的修補(bǔ)材料，對預(yù)聚時間的要求嚴(yán)格，修補(bǔ)材料在制備時應(yīng)將預(yù)聚時間控制在10 min～20 min，此時所制得修補(bǔ)材料初始粘度小，適合用于微細(xì)裂縫的灌注，且初始強(qiáng)度形成時間短，可用于快速修補(bǔ)，雖然材料達(dá)到最終固化所需時間較長，但在固化24 h后均形成初始強(qiáng)度,對于該材料的進(jìn)一步改性和其路用性能測試仍需進(jìn)一步研究分析。

[1] 薛 強(qiáng),盛 謙.瀝青路面破壞的多場耦合效應(yīng)及控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2009:1-5,21-25.

[2] Adam Hand,Khaled A.Galal,David R.Ward,et al.COST-EFFECTIVENESS OF JOINT AND CRACK SEALING:SYNTHESIS OF PRACTICE[J].JOURNAL OF TRANSPORTATION ENGINEERING,2000,126(6):521-529.

[3] 王振興,王 陽,邵 軍.HY-KH-550結(jié)構(gòu)膠粘劑的試驗研究[J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報,2001,17(2):111-113.

[4] 王慎敏,王繼華.膠黏劑——配方·制備·應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：14.

Studyontheacrylicestergraftepoxyresinpatchingmaterialofmicro-cracksinasphaltconcretepavements

ZhouChanghongLuJialeYangXue

(DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

The relationship between the prepolymerization time and the change rules of viscosity and the initial curing time of the modified epoxy-acrylate patching material is analyzed. The curing condition of the material is very sensitive to the prepolymeric time, and the prepolymerization time should be controlled at 10 min～20 min utes.

asphalt pavement micro-cracks, quick penetration patching technology, acrylate, epoxy resin, asphalt

1009-6825(2017)28-0143-02

2017-07-27

周長紅(1980- )，男，講師; 盧佳樂(1992- )，女，在讀碩士; 楊 雪(1993- )，女，在讀碩士

U418.6

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