關于二階熱固性環氧瀝青黏結層的研究

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了很大的流動變形或剪切滑移。瀝青鋪裝層間的黏結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境溫度升高自身迅速變軟，致使鋪裝層間的黏結能力大幅下降。 長江中下游的炎熱季節，瀝青鋪裝的地表溫度可接近70 ℃， 常規的黏結材料的黏結力僅剩約0.1 MPa，鋪裝層間失去了可靠的約束，故容易出現推擠蠕動，形成剪切推移破壞。

橋面瀝青鋪裝不僅需要層間黏結牢固，還需要有效防水。 防止水在鋪裝層間自由穿行，引發坑槽和松散等鋪裝層水損害。提高黏結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。 但當界面或層間存在較多瀝青時，鋪裝層因富含瀝青而趨于飽和狀態，鋪裝層的高溫穩定性明顯下降，容易出現推擠和蠕變破壞。

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 當前的環氧瀝青黏結材料使用情況

采用新型的環氧瀝青可以良好地兼顧這兩方面的使用需求。 其原理是，環氧樹脂和固化劑與瀝青等材料混合熔融后發生交聯固化反應，形成了新的不可逆轉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，其黏結強度和韌性均顯著提高。 通常，熱固性環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一定時間才能與環氧完成固化反應，如需要120 ℃并持續6 h 以上。 普通環氧瀝青在實際應用方面并不十分理想，其最大的問題是“不熱不固”。 橋梁施工現場是常溫狀態，并不具備120 ℃并持續6 h的固化條件， 環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，設備輪胎或履帶粘連漿糊狀的界面，也會破壞防水黏結層的完整性，留下質量隱患。 鋪裝施工完成后需要等待較長時間，等養生固化達到強度才能開放交通。

采用常溫固化的環氧瀝青材料雖可以規避“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固化的環氧界面的破壞程度。 理論上，這與水泥混凝土初凝后被受力擾動導致混凝土本身造成松散破壞的情況類似，這方面的研究結論還不十分清晰。

從日本采購的一種“二階反應性”環氧瀝青較好地規避了“不熱不固”產生的問題。 所謂“二階”是指該膠結料存在兩個反應階段，即該環氧瀝青灑布（涂布）后在常溫下可以很快表干固化（一階反應），使得車輛和人員在該黏結層上作業時避免發生粘連。 當熱拌瀝青混合料鋪筑時，該黏結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氧的固化反應（二階反應）。 二階反應的黏結材料規避了先固化再擾動破壞的問題，但由于國內缺少競爭，該進口的二階反應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，國內橋面鋪裝工程界迫切需要研發一種相對廉價的二階反應性環氧瀝青材料，來解決橋面鋪裝工程中遇到的防水和界面黏結的兩難問題。

2 熱固性環氧瀝青材料的特性

2.1 新型的二階環氧瀝青原理和組成

課題研究單位在環氧瀝青再生混合料的研究過程中發現，在熱固性環氧瀝青膠結料中增加催化劑的數量可有效地加快環氧瀝青的初期固化速度，具有一階快速表干的特征。 當再次加熱時，表干后的環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人員期待的二階環氧瀝青材料。 而材料的價格僅為進口材料的約1/4。

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

2.2 新型環氧瀝青的基本特性

該熱固性環氧瀝青在理想條件下固化后呈現表1、圖1 的性能特征。

圖1 熱固性環氧瀝青的基本特性

從表1 可見，熱固性環氧瀝青自身強度和對鋼板的黏結能力十分優秀。 試驗還表明，該黏結層在夏季高溫季節涂布后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用表明，熱固性環氧瀝青用于SMA 下的黏結層，涂布1 d 后可基本不粘車輪（如圖2 所示）。

表1 熱固性環氧瀝青黏結層的主要特征

此時的膠結料并沒有完全固化，隨著養護時間延長或經過混合料加熱，膠結料的固化程度還會大幅增加。以150 ℃持續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果

表4 環氧瀝青黏結層對鋼板的黏結強度（拉拔試驗）

表5 60 ℃養生下的膠結料斷裂強度

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

2.3 與其他界面黏結材料的對比試驗

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

表6 不同黏結材料層間拉拔試驗

3 二階熱固性環氧瀝青的施工特性和要求

熱固性環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 組分進行預熱，降低其初始黏度。 當預熱溫達到為70 ℃～80 ℃時， 膠結料的初始黏度接近于1.0 Pa·S，涂布（灑布）施工比較麻煩。操作時將已經加熱的A、B 組分分別稱量好，當涂布（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， 膠結料黏度會迅速增加，涂布或灑布施工必須在規定的時間內完成。 因此，各項準備工作必須提前做好，催化劑添加后應立即開始施工并盡快完成。

4 結語

二階熱固性環氧瀝青新材料工作原理清晰，作為界面黏結層時，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能力。 熱拌瀝青混合料與環氧瀝青黏結界面的熔融相接還可有效提高瀝青混合料的高溫穩定性。 課題組研發的二階環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，應有良好的應用前景。