环氧沥青材料的应用

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1、国产环氧沥青复合材料的性能与工程应用摘要：该文通过对环氧沥青复合材料的系统研究，阐述了环氧沥青材料强度的形成机理及其施工工艺和特性，论述了环氧沥青的力学性能，并介绍了其工程应用情况。关键词：环氧沥青复合材料；力学性能；施工工艺；工程应用前言钢桥面铺装的常用材料包括：高温拌合浇注式沥青混凝土(GussAsphalt)、改性沥青SMA(StoneMasticAsphalt)和环氧沥青。浇注式沥青混凝土铺装的钢桥面的典型代表是江阴长江大桥。我国采用SMA作为铺装材料的有虎门大桥、厦门海沧大桥、武汉白沙

2、洲大桥等。从我国工程实践看，采用上述两种材料的桥面铺装在使用过程中均出现了较为严重的车辙、开裂及横向推挤等病害，并且很快经历了大修。环氧沥青是一种由环氧树脂、固化剂与基质沥青经复杂的化学改性制得的混合物。自1967年美国SanMateo-Hayward大桥首次采用环氧沥青混合料铺装以来，环氧沥青铺装在世界范围内钢桥面铺装中得到广泛的成功应用。低碳时代即将到来，对我国大量的交通建筑等基础设施建设使用的传统材料进行高性能化改性，实现高效和长效利用将成为实现低碳发展的优先选择。先进的环氧沥青材料是传统

3、筑路材料沥青的革命性升级产品，从根本上改变了沥青的热塑性本质，大大扩展了沥青铺面材料使用的温度范围，极大地延长了沥青铺面的使用寿命，近期越来越受到全球研究者的关注。从2001年起，本课题组对环氧沥青复合材料进行了系统的研究。我们认为就环氧沥青材料而言，其基本原理是基于体型缩聚凝胶理论的固化剂体系的构建，核心是解决固化剂体系和沥青之间的相容性及长期高温储存的稳定性问题，关键在于处理好工程实践中的适用期(PotLife)问题。但由于沥青本身组成成分和结构极其复杂，给这些问题的研究带来了极大的困难。我

4、们在国家863计划和江苏省成果转化专项基金支持下，创造性地对沥青进行功能化改性，然后配合适当的固化剂体系，成功制备了适用期可调的高弹高强的环氧沥青材料，从根本上保证了环氧沥青卓越的力学性能和耐疲劳性能。制备的环氧沥青产品在天津富民桥、国泰桥、武汉天兴州大桥、上海闵浦大桥和上海长江隧桥等钢桥面成功使用。本文即是此项目相关应用方面的总结。1环氧沥青材料强度的形成机理图1给出了不同的改性沥青构建的环氧沥青体系固化后的应力-应变曲线，表1给出了拉伸断裂强度、断裂延伸率和杨氏模量的测试结果。如图1和表1所

5、示，环氧沥青复合材料在两方面表现出引人注目的力学性能。一是达到150%~280%的超高的断裂延伸率，二是它同时表现出的非典型的屈服行为。由图1可以看出：REAC-15有着高达286%的断裂延伸率(其中，REAC材料代码代表了其中的顺酐化沥青浓度，比如，REAC-15就是指其中顺酐化沥青的含量是15%)。如图1所示，应力-应变曲线极大地依赖于顺酐化沥青的含量。杨氏模量和拉伸强度同样依赖于顺酐化沥青的含量，如表1所示。应当指出，REAC-55的断裂能(J=∫0εbσdε，通常用来表征材料的韧性)是R

6、EAC-0的5倍以上，而REAC-0是用普通沥青未经顺酐化处理得到的。由图1还可发现，这些应力-应变曲线没有明显的屈服点，在最后阶段也没有上翘，这是同传统的橡胶类材料不同的。REAC材料的这种非典型的屈服行为伴随着明显的高断裂延伸率，也没有橡胶类材料常见的“缩颈”现象，而且，他们的杨氏模量数倍于普通的橡胶材料(根据ASTM的定义，橡胶的杨氏模量是1~10MPa)。在以前的材料力学性能研究中，相似的屈服行为在很多被称为“硬弹性”材料的聚合物材料中发现过，比如PP、PVDF和用特殊工艺制备的HIPS

7、等。然而，它们都是热塑性材料。因此，对于热固性的环氧树脂复合材料来说，这是第一次报导这种同时具有超高的断裂延伸率且没有“缩颈”出现的特殊现象，这一点显著区别于以前的材料。图1的应力-应变曲线可以分成三个区域。区域(I)是有很高模量的线弹性区域，区域(II)是一个过渡区域，区域(III)是从(II)段结束开始的又一个线弹性的区域。这种力学行为在顺酐化沥青含量超过15%的所有REAC材料中都能明显观察到。对于大多数的REAC材料来说，过渡区域的应变都在3%~15%之内，然而断裂伸长率和拉伸强度却强烈

8、地依赖于顺酐化沥青的含量。随着顺酐化沥青含量的提高，REAC材料的断裂伸长率和拉伸强度同时提高，这是因为顺酐化沥青作为短的交联链显著地提高了局部网络交联密度。然而，如果顺酐化沥青含量超过了某一个阈值，过高的局部交联网络密度将会提高总体的交联网络密度，那样，REAC的力学性能就受到了损失，如REAC-60，如图l。也就是，所有的REAC材料的力学性能完全符合双模网络理论的判断。REAC-0除了使用的是未经顺酐化处理的沥青外，其他组成和REAC-55一样，强度小，而且弹性差。而且，没有沥青的配方组成