環(huán)氧瀝青材料的應(yīng)用

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1、國產(chǎn)環(huán)氧瀝青復(fù)合材料的性能與工程應(yīng)用摘要：該文通過對環(huán)氧瀝青復(fù)合材料的系統(tǒng)研究，闡述了環(huán)氧瀝青材料強度的形成機理及其施工工藝和特性，論述了環(huán)氧瀝青的力學(xué)性能，并介紹了其工程應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：環(huán)氧瀝青復(fù)合材料；力學(xué)性能；施工工藝；工程應(yīng)用前言鋼橋面鋪裝的常用材料包括：高溫拌合澆注式瀝青混凝土(GussAsphalt)、改性瀝青SMA(StoneMasticAsphalt)和環(huán)氧瀝青。澆注式瀝青混凝土鋪裝的鋼橋面的典型代表是江陰長江大橋。我國采用SMA作為鋪裝材料的有虎門大橋、廈門海滄大橋、武漢白沙洲大橋等。從我國工程實踐看，采用上述兩種材料的橋面鋪裝

2、在使用過程中均出現(xiàn)了較為嚴重的車轍、開裂及橫向推擠等病害，并且很快經(jīng)歷了大修。環(huán)氧瀝青是一種由環(huán)氧樹脂、固化劑與基質(zhì)瀝青經(jīng)復(fù)雜的化學(xué)改性制得的混合物。自1967年美國SanMateo-Hayward大橋首次采用環(huán)氧瀝青混合料鋪裝以來，環(huán)氧瀝青鋪裝在世界范圍內(nèi)鋼橋面鋪裝中得到廣泛的成功應(yīng)用。低碳時代即將到來，對我國大量的交通建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使用的傳統(tǒng)材料進行高性能化改性，實現(xiàn)高效和長效利用將成為實現(xiàn)低碳發(fā)展的優(yōu)先選擇。先進的環(huán)氧瀝青材料是傳統(tǒng)筑路材料瀝青的革命性升級產(chǎn)品，從根本上改變了瀝青的熱塑性本質(zhì)，大大擴展了瀝青鋪面材料使用的溫度范圍，極大地延

3、長了瀝青鋪面的使用壽命，近期越來越受到全球研究者的關(guān)注。從2001年起，本課題組對環(huán)氧瀝青復(fù)合材料進行了系統(tǒng)的研究。我們認為就環(huán)氧瀝青材料而言，其基本原理是基于體型縮聚凝膠理論的固化劑體系的構(gòu)建，核心是解決固化劑體系和瀝青之間的相容性及長期高溫儲存的穩(wěn)定性問題，關(guān)鍵在于處理好工程實踐中的適用期(PotLife)問題。但由于瀝青本身組成成分和結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，給這些問題的研究帶來了極大的困難。我們在國家863計劃和江蘇省成果轉(zhuǎn)化專項基金支持下，創(chuàng)造性地對瀝青進行功能化改性，然后配合適當(dāng)?shù)墓袒瘎w系，成功制備了適用期可調(diào)的高彈高強的環(huán)氧瀝青材料，從根本上保

4、證了環(huán)氧瀝青卓越的力學(xué)性能和耐疲勞性能。制備的環(huán)氧瀝青產(chǎn)品在天津富民橋、國泰橋、武漢天興州大橋、上海閔浦大橋和上海長江隧橋等鋼橋面成功使用。本文即是此項目相關(guān)應(yīng)用方面的總結(jié)。1環(huán)氧瀝青材料強度的形成機理圖1給出了不同的改性瀝青構(gòu)建的環(huán)氧瀝青體系固化后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表1給出了拉伸斷裂強度、斷裂延伸率和楊氏模量的測試結(jié)果。如圖1和表1所示，環(huán)氧瀝青復(fù)合材料在兩方面表現(xiàn)出引人注目的力學(xué)性能。一是達到150%~280%的超高的斷裂延伸率，二是它同時表現(xiàn)出的非典型的屈服行為。由圖1可以看出：REAC-15有著高達286%的斷裂延伸率(其中，REAC材料代

5、碼代表了其中的順酐化瀝青濃度，比如，REAC-15就是指其中順酐化瀝青的含量是15%)。如圖1所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線極大地依賴于順酐化瀝青的含量。楊氏模量和拉伸強度同樣依賴于順酐化瀝青的含量，如表1所示。應(yīng)當(dāng)指出，REAC-55的斷裂能(J=∫0εbσdε，通常用來表征材料的韌性)是REAC-0的5倍以上，而REAC-0是用普通瀝青未經(jīng)順酐化處理得到的。由圖1還可發(fā)現(xiàn)，這些應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服點，在最后階段也沒有上翹，這是同傳統(tǒng)的橡膠類材料不同的。REAC材料的這種非典型的屈服行為伴隨著明顯的高斷裂延伸率，也沒有橡膠類材料常見的“縮頸”現(xiàn)象，

6、而且，他們的楊氏模量數(shù)倍于普通的橡膠材料(根據(jù)ASTM的定義，橡膠的楊氏模量是1~10MPa)。在以前的材料力學(xué)性能研究中，相似的屈服行為在很多被稱為“硬彈性”材料的聚合物材料中發(fā)現(xiàn)過，比如PP、PVDF和用特殊工藝制備的HIPS等。然而，它們都是熱塑性材料。因此，對于熱固性的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料來說，這是第一次報導(dǎo)這種同時具有超高的斷裂延伸率且沒有“縮頸”出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，這一點顯著區(qū)別于以前的材料。圖1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分成三個區(qū)域。區(qū)域(I)是有很高模量的線彈性區(qū)域，區(qū)域(II)是一個過渡區(qū)域，區(qū)域(III)是從(II)段結(jié)束開始的又一個線彈性的

7、區(qū)域。這種力學(xué)行為在順酐化瀝青含量超過15%的所有REAC材料中都能明顯觀察到。對于大多數(shù)的REAC材料來說，過渡區(qū)域的應(yīng)變都在3%~15%之內(nèi)，然而斷裂伸長率和拉伸強度卻強烈地依賴于順酐化瀝青的含量。隨著順酐化瀝青含量的提高，REAC材料的斷裂伸長率和拉伸強度同時提高，這是因為順酐化瀝青作為短的交聯(lián)鏈顯著地提高了局部網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度。然而，如果順酐化瀝青含量超過了某一個閾值，過高的局部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度將會提高總體的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度，那樣，REAC的力學(xué)性能就受到了損失，如REAC-60，如圖l。也就是，所有的REAC材料的力學(xué)性能完全符合雙模網(wǎng)絡(luò)理論的判斷。

8、REAC-0除了使用的是未經(jīng)順酐化處理的瀝青外，其他組成和REAC-55一樣，強度小，而且彈性差。而且，沒有瀝青的配方組成