关于二阶热固性环氧沥青黏结层的研究

李 寒 韩文生 宋冰泉 张志宏 张 凯 南海军 姜晓飞

1 宁波交通工程建设集团有限公司（315000） 2 宁波天意钢桥面铺装工程有限公司（315000）

1 研究的目的和需求

1.1 存在的问题

桥面沥青混凝土铺装层最常见的病害之一是剪切推移破坏。其典型特征是铺装层车辆水平力作用下出现了很大的流动变形或剪切滑移。沥青铺装层间的黏结材料一般多采用热喷改性沥青、改性乳化沥青等改性沥青类材料，这些材料的共同特征是环境温度升高自身迅速变软，致使铺装层间的黏结能力大幅下降。 长江中下游的炎热季节，沥青铺装的地表温度可接近70 ℃， 常规的黏结材料的黏结力仅剩约0.1 MPa，铺装层间失去了可靠的约束，故容易出现推挤蠕动，形成剪切推移破坏。

桥面沥青铺装不仅需要层间黏结牢固，还需要有效防水。 防止水在铺装层间自由穿行，引发坑槽和松散等铺装层水损害。提高黏结层的沥青的洒布量可有效地缩小铺装层与桥面之间的空隙，有利于防水。 但当界面或层间存在较多沥青时，铺装层因富含沥青而趋于饱和状态，铺装层的高温稳定性明显下降，容易出现推挤和蠕变破坏。

因此，桥面沥青铺装需要同时兼顾这两种使用需求，既要提高黏结层的沥青用量，使铺装层与桥面之间的空隙尽可能填满，避免水的侵入，又要保证铺装层不会高温变软，形成推挤剪切破坏（如图1 所示）。 常规沥青材料因基本特性不良而难以兼顾两全。

图1 沥青混凝土铺装层间排水

1.2 当前的环氧沥青黏结材料使用情况

采用新型的环氧沥青可以良好地兼顾这两方面的使用需求。 其原理是，环氧树脂和固化剂与沥青等材料混合熔融后发生交联固化反应，形成了新的不可逆转的大分子固体胶状材料，从根本上改变了沥青材料高温流变的特性，其黏结强度和韧性均显著提高。 通常，热固性环氧沥青采用酸或酸酐类的材料作为固化剂，但酸类固化剂需要一定的温度并持续一定时间才能与环氧完成固化反应，如需要120 ℃并持续6 h 以上。 普通环氧沥青在实际应用方面并不十分理想，其最大的问题是“不热不固”。 桥梁施工现场是常温状态，并不具备120 ℃并持续6 h的固化条件， 环氧沥青洒布后长时间处于较稠的浆糊状，运输车辆和摊铺设备等因粘连和污染等问题无法在浆糊状的界面上进行施工操作，设备轮胎或履带粘连浆糊状的界面，也会破坏防水黏结层的完整性，留下质量隐患。 铺装施工完成后需要等待较长时间，等养生固化达到强度才能开放交通。

采用常温固化的环氧沥青材料虽可以规避“不热不固”问题，但需要考虑，沥青混合料高温摊铺施工对已经固化的环氧界面的破坏程度。 理论上，这与水泥混凝土初凝后被受力扰动导致混凝土本身造成松散破坏的情况类似，这方面的研究结论还不十分清晰。

从日本采购的一种“二阶反应性”环氧沥青较好地规避了“不热不固”产生的问题。 所谓“二阶”是指该胶结料存在两个反应阶段，即该环氧沥青洒布（涂布）后在常温下可以很快表干固化（一阶反应），使得车辆和人员在该黏结层上作业时避免发生粘连。 当热拌沥青混合料铺筑时，该黏结层在沥青混合料热量作用下重新液化，与热拌沥青混合料熔融相连并最终在热量的帮助下完成环氧的固化反应（二阶反应）。 二阶反应的黏结材料规避了先固化再扰动破坏的问题，但由于国内缺少竞争，该进口的二阶反应性树脂材料售价昂贵，每吨价格超过了10万元，普通的桥面铺装无法承受其高昂的价格。

因此，国内桥面铺装工程界迫切需要研发一种相对廉价的二阶反应性环氧沥青材料，来解决桥面铺装工程中遇到的防水和界面黏结的两难问题。

2 热固性环氧沥青材料的特性

2.1 新型的二阶环氧沥青原理和组成

课题研究单位在环氧沥青再生混合料的研究过程中发现，在热固性环氧沥青胶结料中增加催化剂的数量可有效地加快环氧沥青的初期固化速度，具有一阶快速表干的特征。 当再次加热时，表干后的环氧沥青可以再次熔融液化， 然后完成最终固化。 这些特征恰恰是工程技术人员期待的二阶环氧沥青材料。 而材料的价格仅为进口材料的约1/4。

该二阶热固性环氧沥青由两部分组成，可使固化剂快速反应，形成表干的黏结层表面，方便后续的现场施工。 当热拌沥青混合料摊铺时，该黏结层在混合料热量帮助下先熔融液化，再逐渐固化成交联互织的高分子材料，形成既有一定强度又有一定变形能力的环氧沥青固体胶状材料，从而大幅改善铺装层界面的黏结能力和耐高温能力。

2.2 新型环氧沥青的基本特性

该热固性环氧沥青在理想条件下固化后呈现表1、图1 的性能特征。

图1 热固性环氧沥青的基本特性

从表1 可见，热固性环氧沥青自身强度和对钢板的黏结能力十分优秀。 试验还表明，该黏结层在夏季高温季节涂布后1 d 左右即不粘手指。 在课题组XX 桥ERS 钢桥面铺装工地的实地应用表明，热固性环氧沥青用于SMA 下的黏结层，涂布1 d 后可基本不粘车轮（如图2 所示）。

表1 热固性环氧沥青黏结层的主要特征

此时的胶结料并没有完全固化，随着养护时间延长或经过混合料加热，胶结料的固化程度还会大幅增加。以150 ℃持续1 h 来模拟SMA 混合料高温对界面固化的影响与实际情况是比较接近的。 以此为边界考察该胶结料的强度增长（见表2）。

表3 不同温度下的胶膜拉伸断裂强度及延伸率试验结果

表4 环氧沥青黏结层对钢板的黏结强度（拉拔试验）

表5 60 ℃养生下的胶结料断裂强度

上述基本性能试验（见表3、表4、表5）结果表明，该黏结层在150 ℃保温1～2 h 的理想固化条件下性能优良。 模拟夏季60 ℃的地表高温时，胶膜强度逐渐增加， 表明胶结料在此温度下可持续固化。这意味着，即使工地上的铺装混合料不能给黏结层提供150 ℃、1～2 h 的连续热量时，通过一段时间的夏季高温，该黏结层依然可以良好固化。

2.3 与其他界面黏结材料的对比试验

对比材料常采用的高黏改性沥青、沥青防水涂料（乳化沥青）和水乳性环氧沥青等。 试验表明，二阶热固性环氧沥青的黏结性能最好，特别在高温状态下，其黏结性能远远好于沥青类的黏结材料（见表6）。 其原因是，二阶热固的黏结层表面在热料摊铺时表现为熔融状态，与热拌沥青混合料相亲相融并在热量帮助下实现固化。

表6 不同黏结材料层间拉拔试验

3 二阶热固性环氧沥青的施工特性和要求

热固性环氧沥青在常温下比较黏稠，不易进行涂布或洒布施工。 界面涂布（洒布）施工前需要分别对A、B 组分进行预热，降低其初始黏度。 当预热温达到为70 ℃～80 ℃时， 胶结料的初始黏度接近于1.0 Pa·S，涂布（洒布）施工比较麻烦。操作时将已经加热的A、B 组分分别称量好，当涂布（洒布）施工拟开始时，将A、B 组分按比例混合并添加催化剂。 一旦A、B 混合并添加催化剂， 胶结料黏度会迅速增加，涂布或洒布施工必须在规定的时间内完成。 因此，各项准备工作必须提前做好，催化剂添加后应立即开始施工并尽快完成。

4 结语

二阶热固性环氧沥青新材料工作原理清晰，作为界面黏结层时，可以有效地减小铺装混合料与界面的空隙，提高铺装层与界面的黏结能力。 热拌沥青混合料与环氧沥青黏结界面的熔融相接还可有效提高沥青混合料的高温稳定性。 课题组研发的二阶环氧沥青新材料综合价格低廉，虽目前的施工还不够方便，但通过对材料特性的进一步改进，应有良好的应用前景。