新型環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料制備方法及施工工藝

■吳海虹

（泉州市公路事業(yè)發(fā)展中心，泉州 362000）

由于水泥混凝土路面承載能力強(qiáng)、 水穩(wěn)定性好、路面使用周期長(zhǎng)，而且建設(shè)費(fèi)用相較瀝青路面低廉，日常維護(hù)費(fèi)用更低等優(yōu)點(diǎn)，許多公路都采用水泥混凝土路面。 但水泥混凝土路面因熱脹冷縮效應(yīng)易引起開(kāi)裂， 因此通常需要在水泥混凝土路面上切割出一定寬度的縫隙， 在縫隙中填充與縫壁聯(lián)結(jié)性能好且具有一定密封性能的材料， 以維護(hù)路面的平整性、舒適性，起到防止路面水進(jìn)入路基，防止因載荷沖擊引起路面變形，以及啃角、塌落、錯(cuò)臺(tái)、裂縫等路面病害的發(fā)生。 填縫材料種類(lèi)很多，有瀝青或?yàn)r青砂漿填縫料[1]、聚氯乙烯油膏填縫料[2]、熱熔性膠泥填縫料[3]、聚氨酯類(lèi)填縫料[4]，但這些材料各有不同的缺點(diǎn)， 因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上， 提出研制一種高性?xún)r(jià)比的環(huán)氧基類(lèi)液態(tài)填縫材料。

1 環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料改性

1.1 改性原理

環(huán)氧樹(shù)脂改性即將雙酚-A 環(huán)氧原來(lái)的共軛剛性基團(tuán)用彈性體對(duì)其加成反應(yīng)以改善固化后的柔韌性，但保留高分子環(huán)氧化合物的高附著性，使之由剛性體轉(zhuǎn)變成柔性體，增加低溫彈性，以適應(yīng)道路混凝土縫隙的伸縮。 經(jīng)化學(xué)改性后的環(huán)氧填縫劑具有柔性以及優(yōu)異的附著特性， 能耐各類(lèi)腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度高、固化后收縮率小，并且可以重復(fù)施工，現(xiàn)場(chǎng)冷固化。 因此，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑混合發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后，形成的固化物有著優(yōu)異的綜合性能。

1.2 改性步驟

1.2.1 主劑確定

選擇粘接力強(qiáng)、收縮性小、穩(wěn)定性高的E-44 型雙酚型環(huán)氧樹(shù)脂，并摻配25%的E-51 型環(huán)氧樹(shù)脂，以克服E-44 型雙酚型環(huán)氧樹(shù)脂低溫條件下粘度很大、冬天施工不便的缺點(diǎn)，復(fù)配作為環(huán)氧樹(shù)脂水泥路面填縫料的主劑。

1.2.2 固化劑選擇

固化劑的選擇對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂填縫料的性能有至關(guān)重要的影響。 環(huán)氧樹(shù)脂固化劑種類(lèi)多樣，如有機(jī)胺類(lèi)、有機(jī)酸酐、咪唑類(lèi)、有機(jī)高聚物類(lèi)和其他改性品種等。T-31 環(huán)氧固化劑是一種無(wú)毒的綜合性能優(yōu)良的酚醛胺，有助于提高環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性和耐腐蝕性。 該種固化劑適用范圍廣，不僅適用于室溫環(huán)境，同時(shí)還適用于低溫、潮濕等環(huán)境。為了研究固化劑用量對(duì)性能的影響，在室溫條件下，取100 g 環(huán)氧樹(shù)脂主劑，通過(guò)改變T-31 固化劑用量， 考察固化劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠的耐熱性、拉伸剪切強(qiáng)度的影響，從而優(yōu)選出合適的固化劑用量。

由圖1 可知，剪切強(qiáng)度和玻璃化溫度隨著固化劑用量的增加而增加，固化劑用量到達(dá)18 g 后剪切強(qiáng)度變化趨于平緩且逐步下降； 固化劑用量到達(dá)20 g 后，玻璃化溫度到達(dá)最高點(diǎn)，并隨著固化劑用量的增加而降低。 因此固化劑T-31 的用量最優(yōu)選擇為20 g。

圖1 固化劑用量對(duì)耐熱性、剪切強(qiáng)度的影響

1.2.3 稀釋劑確定

使用環(huán)氧樹(shù)脂作為填縫材料，液體填縫料需要有合適的初始粘度、適宜的可操作時(shí)間。 不添加稀釋劑的情況下，環(huán)氧樹(shù)脂填縫料的粘度較大，同時(shí)固化時(shí)間相對(duì)較短，從而對(duì)施工造成影響。 添加適量的稀釋劑，可提高填縫料的施工性能，同時(shí)延長(zhǎng)固化時(shí)間，但添加量過(guò)大會(huì)影響材料的力學(xué)性及耐熱性能。 為確定稀釋劑的最佳摻量，取復(fù)配環(huán)氧樹(shù)脂100 份，固化劑20 份，取不同添加量的稀釋劑先與環(huán)氧樹(shù)脂主劑混合均勻，再加入固化劑，考察不同量稀釋劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂填縫料的凝膠時(shí)間、 固化時(shí)間及對(duì)材料耐熱性、剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表1 所示。

表1 稀釋劑添加量對(duì)材料性能影響

由表1 可知，環(huán)氧樹(shù)脂的凝膠時(shí)間、固化時(shí)間隨稀釋劑用量的增加而增加。 添加稀釋劑后降低了材料的耐熱性，添加少量該稀釋劑有提高材料剪切強(qiáng)度的性能， 添加超過(guò)12 份稀釋劑后剪切強(qiáng)度明顯降低。 綜合考慮，稀釋劑的用量12 份為最佳。

1.2.4 環(huán)氧樹(shù)脂增韌改性

液體丁腈橡膠在高溫條件下，經(jīng)過(guò)催化劑的作用，與環(huán)氧基反應(yīng)，橡膠柔性鏈段與環(huán)氧樹(shù)脂形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到增韌的效果。 形成的兩相體系中，環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成連續(xù)相，丁腈橡膠構(gòu)成分散相，從而提高固化物的韌性。

聚氨酯塑料在高溫潮濕的環(huán)境下易發(fā)生水解，這一缺點(diǎn)在聚氨酯塑料和環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)后可得到克服。 聚氨酯中的氨基與環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧基形成開(kāi)環(huán)反應(yīng)，異氰酸酯基團(tuán)和環(huán)氧樹(shù)脂中的羥基或開(kāi)環(huán)反應(yīng)生成的羥基發(fā)生反應(yīng)，環(huán)氧樹(shù)脂因此發(fā)生固化。 由于將聚氨酯中醚鍵引入到環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之中，使得固化物具有良好的韌性，且耐低溫、耐酸堿腐蝕。 因此，經(jīng)過(guò)聚氨酯改性的環(huán)氧樹(shù)脂可大幅提高彈性恢復(fù)強(qiáng)度，提高抗剝落強(qiáng)度，使冷熱伸縮變小，并且耐沖擊、耐熱、耐油。

2 液體填縫料配制

2.1 液體填縫料材料制備

2.1.1 液體填縫材料配方

液體填縫料材料主要由A 組分（主劑）和B 組分（固化劑）混合攪拌凝固而成，其配方如表2 所示。

表2 液體填縫材料配方

2.1.2 液體填縫料制備方法

以雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂E-44、E-51、固化劑、CTBN、碳酸鈣等為原料制備液體填縫料。（1）組分A 制備：按要求將E-44、E-51 樹(shù)脂入加熱攪拌罐中，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速，并開(kāi)始加熱，恒溫控制180℃；當(dāng)溫度達(dá)到要求后，稱(chēng)重投入占環(huán)氧樹(shù)脂15%的CTBN，攪拌混合2.5 h，冷卻至50℃；投入占環(huán)氧樹(shù)脂4%的聚氨酯，繼續(xù)攪拌混合1 h，再加入氧化鋁、氧化鎂、偶聯(lián)劑，攪拌混合均勻即可得到A 組分。 （2）組分B 制備：固化劑100 份、稀釋劑12 份、填料75 份投入球磨機(jī)中，攪拌一定時(shí)間得到組分B。

2.2 性能測(cè)試

對(duì)制備得到的液體填縫料進(jìn)行貫入稠度、失粘時(shí)間、彈性恢復(fù)等試驗(yàn)，結(jié)果如下：（1）灌入稠度。 如表3 所示， 溫度值越低， 填縫料的灌入稠度越大。（2）失粘時(shí)間。 試樣HY 在20℃、40℃、60℃條件下，失粘時(shí)間分別為17 h、12 h、8 h， 符合規(guī)范值20℃下6～24 h 的要求，表明隨著溫度的提高，失粘時(shí)間減少。 （3）常溫彈性。 常溫下，環(huán)氧樹(shù)脂填縫料的彈性恢復(fù)性能良好，彈性恢復(fù)率可以達(dá)到92%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范值（＞75%）的要求。（4）流動(dòng)度。雙酚A-酚醛樹(shù)脂與固化劑發(fā)生固化反應(yīng)后形成的結(jié)構(gòu)致密且性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下流動(dòng)度為0%。（5）高溫老化。環(huán)氧樹(shù)脂填縫料在高溫老化試驗(yàn)之后， 針入度為3.2 mm，彈性恢復(fù)率為88%，對(duì)比失粘時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果及常溫下彈性恢復(fù)率（92%）可知，高溫環(huán)境下環(huán)氧樹(shù)脂填縫料彈性恢復(fù)率呈小幅度下降，表明其具有優(yōu)良的抗高溫老化性能。（6）低溫彈性。環(huán)氧樹(shù)脂填縫料的低溫彈性恢復(fù)值可達(dá)到86%，遠(yuǎn)超規(guī)范要求（＞75%）。 （7）低溫拉伸。 在-10℃的溫度條件下以5±0.1 mm/min 的勻速對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂填縫料試樣進(jìn)行低溫拉伸試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果顯示其低溫拉伸測(cè)試值達(dá)20.6 mm，遠(yuǎn)超規(guī)范要求的＞16 mm，對(duì)試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂填縫料與水泥混凝土粘結(jié)良好。

?表3 灌入稠度試驗(yàn)結(jié)果試樣測(cè)試結(jié)果/s規(guī)范值10℃20℃30℃HY171311＜20 s未改性684336

2.3 帶濕固化液體填縫料配方確定

環(huán)氧樹(shù)脂通常只能在干燥條件下粘結(jié)，若在潮濕或水下的條件下，粘結(jié)強(qiáng)度將大幅下降。 為降低對(duì)周邊環(huán)境的要求，保證雨天或潮濕天也能進(jìn)行灌縫，同時(shí)不影響灌縫質(zhì)量，需制備能在潮濕環(huán)境下固化的環(huán)氧樹(shù)脂填縫料。

2.3.1 原理

在潮濕環(huán)境及水下固化環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)固化劑有特殊的要求， 要求固化劑能夠?qū)λ啾砻鏉?rùn)濕，同時(shí)要求固化劑與疏水物質(zhì)相容，這就需要固化劑具有一定的極性和黏度。 胺類(lèi)固化劑的特點(diǎn)在于含有NH2基團(tuán)， 該基團(tuán)可以與基材產(chǎn)生氫鍵作用，并且可能成鹽，因此胺類(lèi)固化劑是水下環(huán)氧固化劑的主要成分。

酮亞胺即酮類(lèi)封閉的多元胺，它是由酮類(lèi)和多元伯胺反應(yīng)制得的縮聚物， 該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，在水和潮氣的作用下酮亞胺會(huì)解離出多元胺及相應(yīng)的酮類(lèi)，由于解離出的多元胺可以與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生固化反應(yīng)，因此適用于潮濕環(huán)境和水下固化（圖2）。

圖2 酮亞胺反應(yīng)原理

2.3.2 配方

T-31 在潮濕環(huán)境下具有良好的固化效果，為提高潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹(shù)脂和水泥間的粘結(jié)力，將酚醛胺類(lèi)固化劑（T-31）與酮亞胺固化劑共混，制備出潮濕條件下固化性能好的固化劑。 酮亞胺改性脂肪胺選擇廣州維立納化工有限公司生產(chǎn)的一種粘度低、可操作時(shí)間長(zhǎng)的產(chǎn)品，相關(guān)參數(shù)如下：25℃粘度<（10±5）mPa.s；胺值（mg KOH/g）480±40；色澤（Gardner）<8；比重（g/mm3）0.875；活性氫當(dāng)量80；使用量（phr）20～40。 由于酮亞胺價(jià)格較貴，按照廠家的推薦使用量，會(huì)明顯提高填縫料的成本，考慮T-31 固化劑也有一定的潮濕固化能力， 提出利用少量酮亞胺固化劑與T-31 混合，作為潮濕固化劑。

2.3.3 制備方法

A 組分及B 組分按照2.1 節(jié)所述方法制備，另添加酮亞胺固化劑少量。酮亞胺添加量的確定：環(huán)氧樹(shù)脂主劑100 份，在B 組分中，保持其他組分比例不變，分別添加不同質(zhì)量的酮亞胺，在潮濕條件下固化24 h，測(cè)量粘結(jié)強(qiáng)度，循環(huán)5 次，結(jié)果如表4 所示。

表4 潮濕條件下液體填縫料粘結(jié)強(qiáng)度（不同酮亞胺添加量）

按照 《混凝土裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料》（JC/T1041-2007）的要求，潮濕條件下的粘結(jié)強(qiáng)度大于2 MPa，從表4 可知，在未添加酮亞胺的情況下，環(huán)氧樹(shù)脂填縫料潮濕條件下粘結(jié)能力較差， 在經(jīng)過(guò)3 次循環(huán)后，試件已脫落，說(shuō)明T-31 固化劑在潮濕條件下有一定的固化能力，但因水的存在粘結(jié)能力差。 添加酮亞胺后，環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)水泥面的粘結(jié)能力提升，而且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，無(wú)脫落，粘結(jié)情況良好，因?yàn)橥獊啺吩谟龅剿蠓蛛x出多元胺及相應(yīng)的酮類(lèi)，該多元胺可促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂固化。 添加6～8 份酮亞胺時(shí)，材料的粘結(jié)強(qiáng)度已達(dá)到較優(yōu)效果，與只添加酮亞胺作為固化劑的相比，效果相當(dāng)。 因此，將添加了酮亞胺的B 組分作為潮濕固化劑， 主要含有20 份T-31 固化劑、6 份酮亞胺、稀釋劑10 份、填料15 份。

為考察添加6 份酮亞胺后，環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料能否滿足施工要求， 對(duì)此做了以下指標(biāo)測(cè)試，由表5 可知，使用濕固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂指標(biāo)基本滿足相關(guān)技術(shù)要求。 同時(shí)，通過(guò)對(duì)帶濕環(huán)境下固化的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行了粘結(jié)力測(cè)試，結(jié)果表明通過(guò)添加酮亞胺固化劑，可制備出帶濕固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料，滿足潮濕環(huán)境下施工需要，可有效降低環(huán)氧樹(shù)脂的施工條件限制要求。

表5 環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料施工指標(biāo)測(cè)試結(jié)果（帶濕固化劑）

3 工程施工

新型環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料施工工藝如下：（1）清縫深度：清縫深度只需要20 mm 左右；如果需要，清縫深度70 mm 亦可填滿。（2）清吹灰塵：需要使用強(qiáng)力風(fēng)機(jī)，以清理縫中沒(méi)有灰塵為準(zhǔn)；清吹后應(yīng)立即灌縫， 若因故沒(méi)有施工， 灌縫前應(yīng)再次清吹。（3）配料：新型環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)配， 按規(guī)定比例配制液體填縫料。 （4）加壓：調(diào)制好的液體填縫料倒入灌縫機(jī)料倉(cāng)，灌縫機(jī)料倉(cāng)密封好后加壓至0.6 MPa。 （5）灌縫：灌縫量以低于路面3～5 mm 為佳，因?yàn)槭且后w狀態(tài)，填縫料在縫中會(huì)自己找平，在凝固的過(guò)程中會(huì)膨脹。

4 結(jié)論

（1）新型環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料主劑為E-44 型雙酚型環(huán)氧樹(shù)脂，并摻配25%的E-51 型環(huán)氧樹(shù)脂；固化劑采用T-31 環(huán)氧固化劑，含量為20%；稀釋劑含量為12%。使用液體丁腈橡膠和聚氨酯提升填縫料性能。 （2）新型環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料具有較好的流動(dòng)性，易于攪拌均勻混合，固化后彈性恢復(fù)率達(dá)到92%， 高溫流動(dòng)率為0%， 高溫老化后針入度3.2 mm，彈性恢復(fù)率為88%，低溫條件彈性恢復(fù)率為86%，低溫拉伸為20.6 mm，具有耐油、耐磨、耐腐蝕及耐高低溫、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 （3）新型環(huán)氧樹(shù)脂液體填縫料中添加酮亞胺改性脂肪胺，可以提升環(huán)氧樹(shù)脂與水泥面的粘結(jié)能力，而且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)無(wú)脫落，滿足帶濕環(huán)境下的施工要求。