冷拌環(huán)氧瀝青的制備及性能研究

鄧金飛，朱本瑋

（武漢健橋新材料科技有限公司，湖北 武漢 430011）

冷拌環(huán)氧瀝青的制備及性能研究

鄧金飛，朱本瑋

（武漢健橋新材料科技有限公司，湖北 武漢 430011）

添加JQ-1解決了環(huán)氧樹(shù)脂與石油瀝青相容性較差的問(wèn)題，并對(duì)環(huán)氧瀝青體系進(jìn)行增韌改性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷拌環(huán)氧瀝青固化物具有很好的伸長(zhǎng)率和較高的拉伸強(qiáng)度。通過(guò)DSC和激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）測(cè)試發(fā)現(xiàn)，冷拌環(huán)氧瀝青只有1個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），石油瀝青作為分散相均勻地分布在環(huán)氧樹(shù)脂形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中。冷拌環(huán)氧瀝青具有良好的力學(xué)性能和粘接性能，適合于橋面鋪裝、維護(hù)。

環(huán)氧瀝青；常溫固化；相容性

冷拌環(huán)氧瀝青是在石油瀝青中加入環(huán)氧樹(shù)脂和相容劑及固化劑等改性劑，通過(guò)常溫固化反應(yīng)后，由原來(lái)的均一相變成含有石油瀝青的雙相熱固性彈性體。連續(xù)相是形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)氧固化物，賦予冷拌環(huán)氧瀝青的高強(qiáng)度和熱固性；而石油瀝青作為分散相均勻分布在環(huán)氧樹(shù)脂形成的交聯(lián)網(wǎng)狀中，使得冷拌環(huán)氧瀝青具有優(yōu)異的韌性。

上世紀(jì)90年代美國(guó)就開(kāi)始研究熱拌環(huán)氧瀝青并在橋梁公路上普遍采用［1］，2000年我國(guó)開(kāi)始在南京長(zhǎng)江二橋上鋪裝美國(guó)熱拌環(huán)氧瀝青并取得極大成功，但是費(fèi)用較高。目前，我國(guó)橋梁鋪裝及修復(fù)已經(jīng)普遍采用熱拌環(huán)氧瀝青，但因原料加熱、特殊的運(yùn)輸設(shè)備和施工設(shè)備給道面養(yǎng)護(hù)帶來(lái)不便，也造成養(yǎng)護(hù)費(fèi)用偏高的問(wèn)題。本文研制的冷拌環(huán)氧瀝青常溫下為黑色流動(dòng)液體，黏度較低，與砂石拌合比較容易，常溫拌合、固化，對(duì)設(shè)備要求較低，施工簡(jiǎn)單，主要用于環(huán)氧瀝青路面的修復(fù)和局部鋪裝。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂，YPE-128，上海元邦化工制造有限公司；重交通石油瀝青，70#，荊門(mén)石化；JQ-1，自制［2］；低黏度增韌劑A6，改性復(fù)配；固化劑DAN-2，自配。

1.2試樣制備

將低黏度增韌劑A6改性的高增韌環(huán)氧樹(shù)脂、改性重交通石油瀝青［3］、相容劑JQ-1和固化劑DAN-2，按比例置于攪拌器中，常溫下攪拌均勻，然后倒入聚四氟乙烯模具中成型，制成測(cè)試樣條，2～3 h固化，放置7 d后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3差示掃描量熱分析（DSC）

用美國(guó)Perkin Elmer Diamond 差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)試不同石油瀝青含量環(huán)氧瀝青樣品的Tg。 在消除熱歷史的情況下，采取二次升溫程序測(cè)試純改性石油瀝青、純環(huán)氧樹(shù)脂固化物和不同石油瀝青比例的環(huán)氧瀝青固化物在-50～100 ℃內(nèi)熱流隨溫度變化關(guān)系。

1.4激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）

采用Zeiss公司的LSM710型顯微鏡，激發(fā)光源為Ar+，波長(zhǎng)為488 nm。將環(huán)氧瀝青結(jié)合料混合均勻后，滴一滴于載玻片上，蓋上蓋玻片并壓實(shí)，常溫固化后放置7 d，將試樣置于LSCM下，拍攝熒光顯微照片。

1.5冷拌環(huán)氧瀝青的力學(xué)性能

按ASTM D38標(biāo)準(zhǔn)用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)浒璀h(huán)氧瀝青固化物樣品的力學(xué)性能；按《GB/T 2567—2008 樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》，用聚四氟乙烯模具制備啞鈴狀拉伸樣條，測(cè)試?yán)浒璀h(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率；按《JC/T 975—2005道橋用防水涂料》測(cè)試?yán)浒璀h(huán)氧瀝青的鋼板間剪切強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度。

2　結(jié)果與討論

2.1環(huán)氧樹(shù)脂與石油瀝青的相容性

環(huán)氧樹(shù)脂是極性物質(zhì)，而石油瀝青是非極性物質(zhì)，將環(huán)氧樹(shù)脂直接加入到石油瀝青中2者不能很好地相容。改善2者相容性的常用方法是在石油瀝青中摻加相容劑。

JQ-1按石油瀝青質(zhì)量的0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%添加到體系中，未添加JQ-1時(shí)，體系固化后發(fā)粘嚴(yán)重，無(wú)法成型；JQ-1添加量為0.5%時(shí)，固化后試樣表面輕微發(fā)粘，說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂與石油瀝青相容性一般；當(dāng)添加量增加到1.5%時(shí)，試樣表面不發(fā)粘。固化后測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　JQ-1對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響Fig.1　Effect of JQ-1 on tensile strength

從圖1可知，隨著JQ-1添加量的增加，冷拌環(huán)氧瀝青的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)添加量達(dá)到1.5%以上，環(huán)氧樹(shù)脂與石油瀝青具有很好的相容性，有較高的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)相容劑JQ-1添加量為2.0%時(shí)，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。這可能是因?yàn)镴Q-1起到了橋梁作用，使環(huán)氧樹(shù)脂與石油瀝青形成了均勻的連續(xù)相。

2.2石油瀝青含量對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青Tg的 影響

按石油瀝青質(zhì)量的2.0%添加JQ-1到體系中，改變體系中石油瀝青含量，測(cè)試純改性石油瀝青、純環(huán)氧樹(shù)脂固化物和不同石油瀝青含量的冷拌環(huán)氧瀝青固化物的Tg。

石油瀝青含量對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青固化物Tg的影響見(jiàn)表1和圖2。由表1可見(jiàn)，含不同比例石油瀝青的冷拌環(huán)氧瀝青，DSC測(cè)試只有1個(gè)吸收峰（Tg） ，說(shuō)明通過(guò)添加JQ-1后環(huán)氧樹(shù)脂和石油瀝青之間具有很好的相容性。純環(huán)氧樹(shù)脂固化后Tg較 高達(dá)到24.33 ℃，而石油瀝青的Tg很 低，只有-31.27 ℃，石油瀝青在環(huán)氧樹(shù)脂中起到增塑劑的作用，有助于軟化熱固性環(huán)氧樹(shù)脂，降低體系的Tg。

表1　不同石油瀝青含量冷拌環(huán)氧瀝青的TgTab.1　Tgof cold-mix epoxy asphalt with different content of asphalt

圖2　不同石油瀝青含量的冷拌環(huán)氧瀝青Tg曲線(xiàn)Fig.2　Tgcurves of cold-mix epoxy asphalt with different content of asphalt

環(huán)氧樹(shù)脂中添加石油瀝青后固化物的Tg得到明顯改善，但石油瀝青含量由35%增加到55%時(shí)，固化物的Tg下 降不明顯，這可能是因?yàn)槔浒璀h(huán)氧瀝青固化后，石油瀝青僅作為分散劑均勻分布在環(huán)氧瀝青交聯(lián)體系中，并沒(méi)有與環(huán)氧固化物形成均相，石油瀝青含量的變化對(duì)冷拌環(huán)氧瀝青固化物的Tg影 響比較小。

2.3冷拌環(huán)氧瀝青微觀(guān)形貌

激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）是觀(guān)察環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合物的有效手段［4］，用LSCM觀(guān)察環(huán)氧樹(shù)脂和石油瀝青混合物時(shí)，選擇488 nm的藍(lán)色光作為激發(fā)光，環(huán)氧樹(shù)脂有黃綠色熒光被強(qiáng)烈激發(fā)，而石油瀝青很少有被激發(fā)的熒光出現(xiàn)。在不添加熒光指示劑條件下，可直接觀(guān)察到環(huán)氧樹(shù)脂相為黃綠色，石油瀝青相為黑色，同時(shí)由于是反射光場(chǎng)，環(huán)氧樹(shù)脂在石油瀝青中的形態(tài)不會(huì)被破壞，可以直接觀(guān)察環(huán)氧瀝青中環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和體系的均勻性。

圖3是不同石油瀝青含量環(huán)氧瀝青的LSCM照片，黃綠色亮光部分為連續(xù)的環(huán)氧樹(shù)脂相，黑色圓點(diǎn)部分為分散的石油瀝青相。未固化的環(huán)氧瀝青（a）是一個(gè)穩(wěn)定的均勻相，2者完全互容，說(shuō)明改性后的石油瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂具有很好的相容性；固化后的環(huán)氧瀝青不再是均一相，石油瀝青聚集在環(huán)氧樹(shù)脂形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中呈海島結(jié)構(gòu)，與橡膠增韌環(huán)氧樹(shù)脂的微觀(guān)結(jié)構(gòu)相類(lèi)似［5］。由圖可知，隨著固化物中石油瀝青含量的增加，黃綠色亮點(diǎn)減少變細(xì)，而石油瀝青相黑點(diǎn)逐漸變大，當(dāng)石油瀝青含量為40%（c）左右時(shí)，環(huán)氧相和石油瀝青相的分布最為均勻，石油瀝青相的顆粒直徑大小約為2 μm。

2.4冷拌環(huán)氧瀝青的基本力學(xué)性能

圖3　不同石油瀝青含量環(huán)氧瀝青固化物的LSCM照片F(xiàn)ig.3　LSCM photographs of cold-mix epoxy asphalt with different content of asphalt

以改性石油瀝青添加量為40%，JQ-1添加量為石油瀝青質(zhì)量的2.0%，并按相應(yīng)比例添加環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑DAN-2，攪拌均勻，2～3 h固化。放置7 d后，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可知，冷拌環(huán)氧瀝青常溫固化后具有很高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，達(dá)到美國(guó)熱固環(huán)氧瀝青的性能指標(biāo)，也表現(xiàn)出優(yōu)異的剪切強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度。

表2　冷拌環(huán)氧瀝青固化物的力學(xué)性能Tab.2　Mechanical properties of cold-mix epoxy asphalt

3　結(jié)論

通過(guò)改變JQ-1的添加量和改性石油瀝青添加量研究出冷拌環(huán)氧瀝青的最優(yōu)配比。DSC測(cè)試結(jié)果表明，冷拌環(huán)氧瀝青固化物只有1個(gè)Tg， 改性石油瀝青的添加明顯降低了冷拌環(huán)氧瀝青的Tg； LSCM測(cè)試結(jié)果表明，石油瀝青以分散相均勻地分布在以交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂為連續(xù)相的體系中，形成了均勻海島結(jié)構(gòu)。

冷拌環(huán)氧瀝青固化后具有很好的拉伸性能和粘接性能，整個(gè)施工過(guò)程為常溫操作，無(wú)須加熱，施工方便，節(jié)能環(huán)保，在鋼橋面的鋪裝和局部修復(fù)上具有很好的應(yīng)用前景。

［1］G a l l a g h e r K P，V e r m i l i o n D R.Thermosetting asphalt having continuous phase polymer［P］.US：5604274，1997.

［2］Tadashi Doi，Harumi.Process for preparation of asphalt-epoxy resin composition［P］.US：04162998，1979.

［3］肖鵬，馬愛(ài)群.SBS物理改性瀝青與化學(xué)改性瀝青性能對(duì)比研究［J］.公路交通科技，2006，23（9）：10-14.

［4］Cabanelas J C，Serrano B，Gonzalez M G，et al.Confocal microscopy study of phase morphology evolution in epoxy/polysiloxane thermosets［J］.Polymer，2005，46（17）：6633-6639.

Preparation and performance of cold-mix epoxy asphalt

DENG Jin-fei， ZHU Ben-wei
（Wuhan Jianqiao New Material Technology Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei 430011， China）

The Addition of JQ-1 improved the compatibility between epoxy resin and asphalt and toughened the epoxy asphalt system. The cold-mix asphalt epoxy has not only very good elongation but also high tensile strength. The DSC test indicated that there is only one glass transition temperature（Tg） for the cold-mix asphalt epoxy. Laser scanning confocal microscope （LSCM） was used to study the microstructure of cured cold-mix epoxy asphalt. The photographs discovered that asphalt was uniformly distributed in the crosslinked network of the epoxy resin as a dispersing phase. The cold-mix epoxy asphalt has good mechanical properties and adhesion properties. It is perfectly suitable for bridge deck pavement and maintenance.

epoxy asphalt； room temperature curing； compatibility

TQ437+.1

A

1001-5922（2015）09-0066-03

2015-03-13

鄧金飛（1984-），男，碩士研究生，從事高分子材料的合成、加工研究。E-mail：dengjinfei.2004@163.com。