關(guān)于二階熱固性環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的研究

李 寒 韓文生 宋冰泉 張志宏 張 凱 南海軍 姜曉飛

1 寧波交通工程建設(shè)集團有限公司（315000） 2 寧波天意鋼橋面鋪裝工程有限公司（315000）

1 研究的目的和需求

1.1 存在的問題

橋面瀝青混凝土鋪裝層最常見的病害之一是剪切推移破壞。其典型特征是鋪裝層車輛水平力作用下出現(xiàn)了很大的流動變形或剪切滑移。瀝青鋪裝層間的黏結(jié)材料一般多采用熱噴改性瀝青、改性乳化瀝青等改性瀝青類材料，這些材料的共同特征是環(huán)境溫度升高自身迅速變軟，致使鋪裝層間的黏結(jié)能力大幅下降。 長江中下游的炎熱季節(jié)，瀝青鋪裝的地表溫度可接近70 ℃， 常規(guī)的黏結(jié)材料的黏結(jié)力僅剩約0.1 MPa，鋪裝層間失去了可靠的約束，故容易出現(xiàn)推擠蠕動，形成剪切推移破壞。

橋面瀝青鋪裝不僅需要層間黏結(jié)牢固，還需要有效防水。 防止水在鋪裝層間自由穿行，引發(fā)坑槽和松散等鋪裝層水損害。提高黏結(jié)層的瀝青的灑布量可有效地縮小鋪裝層與橋面之間的空隙，有利于防水。 但當(dāng)界面或?qū)娱g存在較多瀝青時，鋪裝層因富含瀝青而趨于飽和狀態(tài)，鋪裝層的高溫穩(wěn)定性明顯下降，容易出現(xiàn)推擠和蠕變破壞。

因此，橋面瀝青鋪裝需要同時兼顧這兩種使用需求，既要提高黏結(jié)層的瀝青用量，使鋪裝層與橋面之間的空隙盡可能填滿，避免水的侵入，又要保證鋪裝層不會高溫變軟，形成推擠剪切破壞（如圖1 所示）。 常規(guī)瀝青材料因基本特性不良而難以兼顧兩全。

圖1 瀝青混凝土鋪裝層間排水

1.2 當(dāng)前的環(huán)氧瀝青黏結(jié)材料使用情況

采用新型的環(huán)氧瀝青可以良好地兼顧這兩方面的使用需求。 其原理是，環(huán)氧樹脂和固化劑與瀝青等材料混合熔融后發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，形成了新的不可逆轉(zhuǎn)的大分子固體膠狀材料，從根本上改變了瀝青材料高溫流變的特性，其黏結(jié)強度和韌性均顯著提高。 通常，熱固性環(huán)氧瀝青采用酸或酸酐類的材料作為固化劑，但酸類固化劑需要一定的溫度并持續(xù)一定時間才能與環(huán)氧完成固化反應(yīng)，如需要120 ℃并持續(xù)6 h 以上。 普通環(huán)氧瀝青在實際應(yīng)用方面并不十分理想，其最大的問題是“不熱不固”。 橋梁施工現(xiàn)場是常溫狀態(tài)，并不具備120 ℃并持續(xù)6 h的固化條件， 環(huán)氧瀝青灑布后長時間處于較稠的漿糊狀，運輸車輛和攤鋪設(shè)備等因粘連和污染等問題無法在漿糊狀的界面上進行施工操作，設(shè)備輪胎或履帶粘連漿糊狀的界面，也會破壞防水黏結(jié)層的完整性，留下質(zhì)量隱患。 鋪裝施工完成后需要等待較長時間，等養(yǎng)生固化達到強度才能開放交通。

采用常溫固化的環(huán)氧瀝青材料雖可以規(guī)避“不熱不固”問題，但需要考慮，瀝青混合料高溫攤鋪施工對已經(jīng)固化的環(huán)氧界面的破壞程度。 理論上，這與水泥混凝土初凝后被受力擾動導(dǎo)致混凝土本身造成松散破壞的情況類似，這方面的研究結(jié)論還不十分清晰。

從日本采購的一種“二階反應(yīng)性”環(huán)氧瀝青較好地規(guī)避了“不熱不固”產(chǎn)生的問題。 所謂“二階”是指該膠結(jié)料存在兩個反應(yīng)階段，即該環(huán)氧瀝青灑布（涂布）后在常溫下可以很快表干固化（一階反應(yīng)），使得車輛和人員在該黏結(jié)層上作業(yè)時避免發(fā)生粘連。 當(dāng)熱拌瀝青混合料鋪筑時，該黏結(jié)層在瀝青混合料熱量作用下重新液化，與熱拌瀝青混合料熔融相連并最終在熱量的幫助下完成環(huán)氧的固化反應(yīng)（二階反應(yīng)）。 二階反應(yīng)的黏結(jié)材料規(guī)避了先固化再擾動破壞的問題，但由于國內(nèi)缺少競爭，該進口的二階反應(yīng)性樹脂材料售價昂貴，每噸價格超過了10萬元，普通的橋面鋪裝無法承受其高昂的價格。

因此，國內(nèi)橋面鋪裝工程界迫切需要研發(fā)一種相對廉價的二階反應(yīng)性環(huán)氧瀝青材料，來解決橋面鋪裝工程中遇到的防水和界面黏結(jié)的兩難問題。

2 熱固性環(huán)氧瀝青材料的特性

2.1 新型的二階環(huán)氧瀝青原理和組成

課題研究單位在環(huán)氧瀝青再生混合料的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在熱固性環(huán)氧瀝青膠結(jié)料中增加催化劑的數(shù)量可有效地加快環(huán)氧瀝青的初期固化速度，具有一階快速表干的特征。 當(dāng)再次加熱時，表干后的環(huán)氧瀝青可以再次熔融液化， 然后完成最終固化。 這些特征恰恰是工程技術(shù)人員期待的二階環(huán)氧瀝青材料。 而材料的價格僅為進口材料的約1/4。

該二階熱固性環(huán)氧瀝青由兩部分組成，可使固化劑快速反應(yīng)，形成表干的黏結(jié)層表面，方便后續(xù)的現(xiàn)場施工。 當(dāng)熱拌瀝青混合料攤鋪時，該黏結(jié)層在混合料熱量幫助下先熔融液化，再逐漸固化成交聯(lián)互織的高分子材料，形成既有一定強度又有一定變形能力的環(huán)氧瀝青固體膠狀材料，從而大幅改善鋪裝層界面的黏結(jié)能力和耐高溫能力。

2.2 新型環(huán)氧瀝青的基本特性

該熱固性環(huán)氧瀝青在理想條件下固化后呈現(xiàn)表1、圖1 的性能特征。

圖1 熱固性環(huán)氧瀝青的基本特性

從表1 可見，熱固性環(huán)氧瀝青自身強度和對鋼板的黏結(jié)能力十分優(yōu)秀。 試驗還表明，該黏結(jié)層在夏季高溫季節(jié)涂布后1 d 左右即不粘手指。 在課題組XX 橋ERS 鋼橋面鋪裝工地的實地應(yīng)用表明，熱固性環(huán)氧瀝青用于SMA 下的黏結(jié)層，涂布1 d 后可基本不粘車輪（如圖2 所示）。

表1 熱固性環(huán)氧瀝青黏結(jié)層的主要特征

此時的膠結(jié)料并沒有完全固化，隨著養(yǎng)護時間延長或經(jīng)過混合料加熱，膠結(jié)料的固化程度還會大幅增加。以150 ℃持續(xù)1 h 來模擬SMA 混合料高溫對界面固化的影響與實際情況是比較接近的。 以此為邊界考察該膠結(jié)料的強度增長（見表2）。

表3 不同溫度下的膠膜拉伸斷裂強度及延伸率試驗結(jié)果

表4 環(huán)氧瀝青黏結(jié)層對鋼板的黏結(jié)強度（拉拔試驗）

表5 60 ℃養(yǎng)生下的膠結(jié)料斷裂強度

上述基本性能試驗（見表3、表4、表5）結(jié)果表明，該黏結(jié)層在150 ℃保溫1～2 h 的理想固化條件下性能優(yōu)良。 模擬夏季60 ℃的地表高溫時，膠膜強度逐漸增加， 表明膠結(jié)料在此溫度下可持續(xù)固化。這意味著，即使工地上的鋪裝混合料不能給黏結(jié)層提供150 ℃、1～2 h 的連續(xù)熱量時，通過一段時間的夏季高溫，該黏結(jié)層依然可以良好固化。

2.3 與其他界面黏結(jié)材料的對比試驗

對比材料常采用的高黏改性瀝青、瀝青防水涂料（乳化瀝青）和水乳性環(huán)氧瀝青等。 試驗表明，二階熱固性環(huán)氧瀝青的黏結(jié)性能最好，特別在高溫狀態(tài)下，其黏結(jié)性能遠遠好于瀝青類的黏結(jié)材料（見表6）。 其原因是，二階熱固的黏結(jié)層表面在熱料攤鋪時表現(xiàn)為熔融狀態(tài)，與熱拌瀝青混合料相親相融并在熱量幫助下實現(xiàn)固化。

表6 不同黏結(jié)材料層間拉拔試驗

3 二階熱固性環(huán)氧瀝青的施工特性和要求

熱固性環(huán)氧瀝青在常溫下比較黏稠，不易進行涂布或灑布施工。 界面涂布（灑布）施工前需要分別對A、B 組分進行預(yù)熱，降低其初始黏度。 當(dāng)預(yù)熱溫達到為70 ℃～80 ℃時， 膠結(jié)料的初始黏度接近于1.0 Pa·S，涂布（灑布）施工比較麻煩。操作時將已經(jīng)加熱的A、B 組分分別稱量好，當(dāng)涂布（灑布）施工擬開始時，將A、B 組分按比例混合并添加催化劑。 一旦A、B 混合并添加催化劑， 膠結(jié)料黏度會迅速增加，涂布或灑布施工必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成。 因此，各項準(zhǔn)備工作必須提前做好，催化劑添加后應(yīng)立即開始施工并盡快完成。

4 結(jié)語

二階熱固性環(huán)氧瀝青新材料工作原理清晰，作為界面黏結(jié)層時，可以有效地減小鋪裝混合料與界面的空隙，提高鋪裝層與界面的黏結(jié)能力。 熱拌瀝青混合料與環(huán)氧瀝青黏結(jié)界面的熔融相接還可有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。 課題組研發(fā)的二階環(huán)氧瀝青新材料綜合價格低廉，雖目前的施工還不夠方便，但通過對材料特性的進一步改進，應(yīng)有良好的應(yīng)用前景。