環(huán)氧改性瀝青的特點與發(fā)展應(yīng)用

李 潔

（重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

由于瀝青混凝土較水泥混凝土而言具有更優(yōu)異的路用性能，因此在城市道路運用更為廣泛。但是，由于我國部分地區(qū)氣候條件惡劣，以及超載超速現(xiàn)象頻繁等原因，普通瀝青混凝土路面會出現(xiàn)車轍、擁包、裂縫、松散等病害。研究者們逐漸開始對瀝青進行改性，主要可以通過改變?yōu)r青的各組成的比例以改善其性能，或者通過加入外加劑使其在瀝青中均勻分散形成一定空間結(jié)構(gòu)以改善其性能。利用橡膠等彈性材料改性或者是熱塑性樹脂進行改性均不能從根本上改變?yōu)r青熱塑性的性質(zhì)。環(huán)氧瀝青是指在瀝青中加入環(huán)氧樹脂，通過與固化劑的反應(yīng)，形成不可逆的固化產(chǎn)物，從根本上改變?yōu)r青熱塑性質(zhì)，賦予瀝青全新的物理力學性能。相較于普通改性瀝青而言，通過環(huán)氧改性可以同時提高瀝青的強度、粘附力、斷裂延伸率等，使得其具有普通改性瀝青所不具備的優(yōu)異路用性能。環(huán)氧瀝青的施工中必須注意的問題是環(huán)氧瀝青的粘度會隨著時間而逐漸增大，直至成為熱固性的狀態(tài)。因此對其制備、性能和施工技術(shù)的研究是具有重要意義的。

1 環(huán)氧改性瀝青的發(fā)展與施工技術(shù)

環(huán)氧瀝青是殼牌石油公司于20世紀50年代末所開發(fā)的，到20世紀60年代就開始推廣并使用。1961年Thomas等人第一次報道了一種環(huán)氧樹脂改性瀝青，他們用松焦油作為共溶劑合成了一種不溶、不熔的材料。此后，單組分（瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑和其他助劑混合在一起）、三組分（瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑分別作為獨自的組分）環(huán)氧樹脂改性瀝青相繼出現(xiàn)。1967年，環(huán)氧瀝青混合料出于商業(yè)目的首次運用于美國San Mateo－Hayward大橋做橋面鋪裝，投入使用至今效果令人滿意。1979年，Hayashi提出了雙組分環(huán)氧樹脂改性瀝青，這是環(huán)氧樹脂改性瀝青的重大轉(zhuǎn)折。其中A組分為環(huán)氧樹脂，B組分為順酐改性瀝青和胺類環(huán)氧樹脂固化劑。不過由于順酐會與胺類固化劑反應(yīng)，因此穩(wěn)定性大大降低。同年，Doi等人報道了另一種雙組分環(huán)氧瀝青，A組分為瀝青，B組分為環(huán)氧樹脂和含有兩個活潑H的胺類。但是這種改性瀝青依然存在穩(wěn)定性和相容性的問題。因此在相當長的一段時間，對環(huán)氧樹脂的研究主要集中在涂料或者屋頂?shù)匿伱娌牧稀?0世紀的90年代，日本對于環(huán)氧改性瀝青的研究才算是比較成熟，開發(fā)出了一種經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂（TAF），把該產(chǎn)品直接加入基質(zhì)瀝青中就能夠改善基質(zhì)瀝青的各項性能，而且，這種環(huán)氧瀝青相較于美國環(huán)氧改性瀝青而言對施工的溫度和時間上的要求不那么嚴苛。

我國道橋行業(yè)對環(huán)氧改性瀝青的研究起步相對較晚，始于20世紀90年代。隨著2000年，我國進口美國的環(huán)氧樹脂改性瀝青進行南京長江二橋的橋面鋪裝取得了理想的效果。于是，在我國大跨徑鋼橋的橋面鋪裝開始使用環(huán)氧改性瀝青。但是，我國目前對于環(huán)氧改性瀝青在道路上的應(yīng)用研究還處于起步階段，相較于美國和日本所生產(chǎn)的環(huán)氧改性瀝青還有一定差距。

日本TAF環(huán)氧瀝青是目前鋼橋面施工中應(yīng)用廣泛的一種性能優(yōu)異的環(huán)氧瀝青。由環(huán)氧樹脂主劑和環(huán)氧樹脂固化劑兩部分組成，按照一定比例混合后再與基質(zhì)瀝青按照一定比例混合得到。將環(huán)氧樹脂主劑和固化劑的混合物與基質(zhì)瀝青同時加入拌合樓中，加入事先計算好的集料配置成混合料，并保證出料溫度為170～180℃。由于固化過程一直在進行，從混合料的生產(chǎn)到完成碾壓的過程不能超過2h，以免由于固化完成而導致碾壓不實。在施工之前，要確保施工處的清潔，去除地面的油污。完成碾壓后采用自然養(yǎng)護的方式進行養(yǎng)護，但是要注意檢查是否存在鼓包、死料等情況。

2 環(huán)氧改性瀝青的性能特點與性能測試方法

環(huán)氧瀝青是一種熱固性瀝青，通過環(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生的化學反應(yīng)，在瀝青中形成了剛性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且由于固化產(chǎn)物的粘附性能極強，能夠使瀝青與石料牢固的粘結(jié)在一起。因此環(huán)氧改性瀝青具有如下顯著特點：1）強度高，Bo Yao［4］等人對聚合物改性瀝青，澆筑式瀝青混凝土和環(huán)氧瀝青混凝土進行了動態(tài)模量測試和抗彎剛度測試，結(jié)果表明環(huán)氧瀝青混凝土在兩種強度測試中均顯示出最高的強度。2）耐腐蝕性好，環(huán)氧瀝青最早推廣是為了防止航空燃料和噴氣尾流對飛機跑道的腐蝕。能有效防止柴油等物質(zhì)的侵蝕而導致混合料松散的情況。3）粘結(jié)性好，在瀝青混合料中，瀝青的主要作用就是將礦粉和集料粘結(jié)成一個整體，瀝青在水、空氣和荷載的作用下粘附性降低。在大跨徑橋面鋪裝中，為了減輕橋梁負擔往往會采用較薄的鋪裝層。而在荷載的作用下鋪裝層容易與橋面剝離。環(huán)氧改性瀝青一旦固化完全，粘附性能遠高于普通改性瀝青。4）抗疲勞損傷性能好，國外的研究表明環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命幾乎是普通瀝青混合料的10～30倍。5）耐久性好，由于氣候變化以及行車荷載的反復作用會使得普通瀝青混凝土路面出現(xiàn)水穩(wěn)定性變差等現(xiàn)象。而環(huán)氧瀝青混凝土路面由于具有較強的整體性，能夠抵抗外部的損害。

由于，單純的環(huán)氧樹脂與瀝青的相容性很差，因此，對于制備出的環(huán)氧改性瀝青進行相容性研究是極其必要的。將試樣放入豎直的盛樣管中通過高溫低溫的作用后，按照不同高度取樣并進行軟化點試驗，利用軟化點差值來表征其離析程度。粘度過高或者過低都會影響混合料的路用性能，因此，通過布氏粘度試驗或者動態(tài)流變剪切試驗研究環(huán)氧瀝青的流變性能，得到粘度隨時間變化的參數(shù)。通過直接拉伸試驗不僅可以得到斷裂強度也能通過試件的斷裂延伸率表征其抗拉強度和延展性。我國規(guī)范測試瀝青的粘附性采用水煮法或者水浸法，也可將環(huán)氧瀝青裹覆石塊放在鋼板上，通過高壓水槍的沖刷試驗，觀察其脫落和剝離情況，通過水流和沖刷力的雙重作用對其粘附性進行測試。

3 環(huán)氧改性瀝青的研究手段與研究重點

當前，相當多學者通過宏觀和微觀相結(jié)合的手段對環(huán)氧改性瀝青進行基礎(chǔ)研究。南京大學王治流等人［1］利用Nicolet 170SX傅里葉紅外光譜儀對環(huán)氧瀝青固化過程前后的基團做了分析研究，并提出了羧酸類化合物與環(huán)氧的固化機理。固化機理的研究可以通過化學手段延長或者縮短固化時間，確定環(huán)氧樹脂與固化劑固化時間之后，能更好的指導實際施工的運輸，拌合以及碾壓的時間控制。黃坤等人［2］則利用了基本力學性能測試方法和DSC差式掃描量熱法以及掃描電鏡對環(huán)氧瀝青固化物的拉伸性能，玻璃化溫度以及固化反應(yīng)活性，相結(jié)構(gòu)進行了研究。固化反應(yīng)活性的測試有利于選擇性能優(yōu)異的固化劑，提高自制環(huán)氧瀝青的性能。Xiao Y［3］等人采用動態(tài)剪切流變儀測試方法和疲勞試驗對最初的環(huán)氧結(jié)合料以及進行了熱老化和氧化后的環(huán)氧結(jié)合料進行了測試對比。此外，還可通過熒光顯微鏡觀察環(huán)氧樹脂在瀝青中的分散情況。通過制備出環(huán)氧瀝青混合料的力學、疲勞、高低溫性能、耐久性試驗結(jié)果反推環(huán)氧瀝青的性能。

環(huán)氧改性瀝青的性能雖好，但我國自主研制環(huán)氧改性瀝青還存在很多不足和難點：1）固化劑的質(zhì)量，由于我國固化劑的生產(chǎn)規(guī)模不集中，質(zhì)量不佳，且部分固化劑在使用過程中還會釋放有毒物質(zhì)危害人體健康并對環(huán)境造成污染。而某些固化劑與環(huán)氧的固化速度過快，增加了施工難度。2）施工容留時間的控制，由于環(huán)氧瀝青的粘度會隨著時間而變化，粘度不夠會導致混合料松散，而當粘度增大過多則使得攤鋪碾壓無法進行。因此要根據(jù)實際施工，通過控溫或者加入促進劑的辦法合理控制施工容留時間。3）相容性問題，由于瀝青為非極性物質(zhì)，而環(huán)氧樹脂具有較強的極性，因此將環(huán)氧樹脂加入瀝青中很難均勻分散，而只有分散足夠均勻才能形成剛性網(wǎng)絡(luò)。4）施工工藝復雜，施工溫度越高固化速度越快，若存在氣泡或者摻雜則會導致后期效果不佳以致需要重新進行施工。5）造價昂貴，目前從日本進口環(huán)氧瀝青約為130 000元/t，在實際應(yīng)用中需要付出大量物資。

4 結(jié)論與展望

綜上可得，基于環(huán)氧改性瀝青的優(yōu)異的路用性能和昂貴的造價考慮，已在大跨徑鋼橋面，高等級公路，機場防滑面層和重載交通等情況下所使用。但是我國多數(shù)均采用進口美國或者日本的環(huán)氧瀝青進行實際應(yīng)用，因此，自主研發(fā)出性能優(yōu)異的環(huán)氧瀝青迫在眉睫。目前已有相當多的學者對環(huán)氧改性瀝青的固化機理，反應(yīng)前后基團變化進行深入研究。通過建立模型的方法從而得到新的制備方法。今后，對環(huán)氧改性瀝青的制備將朝著綠色環(huán)保，高性能低成本進行，目前賈輝［5］等人通過加入聚合物中和劑與瀝青中游離順酐反應(yīng)，消除了刺激性氣味，達到綠色高效的目的。而同濟大學、東南大學等學校已經(jīng)在環(huán)氧瀝青的制備與性能研究上取得了重要進展。通過繼續(xù)研究，相信能取得更多重要的研究成果。

［1］ 王治流，劉全偉，楊 琥，等.紅外光譜法對環(huán)氧瀝青固化機理的研究［J］.高分子材料科學與工程，2005，21（3）：93－95.

［2］ 黃 坤，夏建陵，李 梅.熱固性環(huán)氧瀝青材料的制備及改性方法研究進展［J］.熱固性樹脂，2009，11（6）：50－54.

［3］ Xiao Y，Van de Ven M F C，Molenaar A A A，et al.Design Approach for Epoxy Modified Bitumen to be Used in Antiskid Surfaces on Asphalt Pavement［J］.Construction and Building Materials，2013，41：516－525.

［4］ Yao Bo，Cheng Gang，Wang Xiao，et al.Characterization of the Stiffness of Asphalt Surfacing Materials on Orthotropic Steel Bridge Decks Using Dynamic Modulus Test and Flexural Beam Test［J］.Construction and Building Materials，2013，44：200－206.

［5］ 賈 輝，陳志明，亢 陽，等.高性能環(huán)氧瀝青材料的綠色制備技術(shù)［J］.東南大學學報，2008，38（3）：496－499.