新型环氧树脂液体填缝料制备方法及施工工艺

■吴海虹

（泉州市公路事业发展中心，泉州 362000）

由于水泥混凝土路面承载能力强、 水稳定性好、路面使用周期长，而且建设费用相较沥青路面低廉，日常维护费用更低等优点，许多公路都采用水泥混凝土路面。 但水泥混凝土路面因热胀冷缩效应易引起开裂， 因此通常需要在水泥混凝土路面上切割出一定宽度的缝隙， 在缝隙中填充与缝壁联结性能好且具有一定密封性能的材料， 以维护路面的平整性、舒适性，起到防止路面水进入路基，防止因载荷冲击引起路面变形，以及啃角、塌落、错台、裂缝等路面病害的发生。 填缝材料种类很多，有沥青或沥青砂浆填缝料[1]、聚氯乙烯油膏填缝料[2]、热熔性胶泥填缝料[3]、聚氨酯类填缝料[4]，但这些材料各有不同的缺点， 因此本文在前人研究的基础上， 提出研制一种高性价比的环氧基类液态填缝材料。

1 环氧树脂液体填缝料改性

1.1 改性原理

环氧树脂改性即将双酚-A 环氧原来的共轭刚性基团用弹性体对其加成反应以改善固化后的柔韧性，但保留高分子环氧化合物的高附着性，使之由刚性体转变成柔性体，增加低温弹性，以适应道路混凝土缝隙的伸缩。 经化学改性后的环氧填缝剂具有柔性以及优异的附着特性， 能耐各类腐蚀，机械强度高、固化后收缩率小，并且可以重复施工，现场冷固化。 因此，当环氧树脂和固化剂混合发生开环反应形成三维交联网状结构后，形成的固化物有着优异的综合性能。

1.2 改性步骤

1.2.1 主剂确定

选择粘接力强、收缩性小、稳定性高的E-44 型双酚型环氧树脂，并掺配25%的E-51 型环氧树脂，以克服E-44 型双酚型环氧树脂低温条件下粘度很大、冬天施工不便的缺点，复配作为环氧树脂水泥路面填缝料的主剂。

1.2.2 固化剂选择

固化剂的选择对环氧树脂填缝料的性能有至关重要的影响。 环氧树脂固化剂种类多样，如有机胺类、有机酸酐、咪唑类、有机高聚物类和其他改性品种等。T-31 环氧固化剂是一种无毒的综合性能优良的酚醛胺，有助于提高环氧树脂的耐热性和耐腐蚀性。 该种固化剂适用范围广，不仅适用于室温环境，同时还适用于低温、潮湿等环境。为了研究固化剂用量对性能的影响，在室温条件下，取100 g 环氧树脂主剂，通过改变T-31 固化剂用量， 考察固化剂用量对环氧树脂胶的耐热性、拉伸剪切强度的影响，从而优选出合适的固化剂用量。

由图1 可知，剪切强度和玻璃化温度随着固化剂用量的增加而增加，固化剂用量到达18 g 后剪切强度变化趋于平缓且逐步下降； 固化剂用量到达20 g 后，玻璃化温度到达最高点，并随着固化剂用量的增加而降低。 因此固化剂T-31 的用量最优选择为20 g。

图1 固化剂用量对耐热性、剪切强度的影响

1.2.3 稀释剂确定

使用环氧树脂作为填缝材料，液体填缝料需要有合适的初始粘度、适宜的可操作时间。 不添加稀释剂的情况下，环氧树脂填缝料的粘度较大，同时固化时间相对较短，从而对施工造成影响。 添加适量的稀释剂，可提高填缝料的施工性能，同时延长固化时间，但添加量过大会影响材料的力学性及耐热性能。 为确定稀释剂的最佳掺量，取复配环氧树脂100 份，固化剂20 份，取不同添加量的稀释剂先与环氧树脂主剂混合均匀，再加入固化剂，考察不同量稀释剂对环氧树脂填缝料的凝胶时间、 固化时间及对材料耐热性、剪切强度的影响，结果如表1 所示。

表1 稀释剂添加量对材料性能影响

由表1 可知，环氧树脂的凝胶时间、固化时间随稀释剂用量的增加而增加。 添加稀释剂后降低了材料的耐热性，添加少量该稀释剂有提高材料剪切强度的性能， 添加超过12 份稀释剂后剪切强度明显降低。 综合考虑，稀释剂的用量12 份为最佳。

1.2.4 环氧树脂增韧改性

液体丁腈橡胶在高温条件下，经过催化剂的作用，与环氧基反应，橡胶柔性链段与环氧树脂形成交联结构，从而达到增韧的效果。 形成的两相体系中，环氧树脂构成连续相，丁腈橡胶构成分散相，从而提高固化物的韧性。

聚氨酯塑料在高温潮湿的环境下易发生水解，这一缺点在聚氨酯塑料和环氧树脂交联后可得到克服。 聚氨酯中的氨基与环氧树脂中的环氧基形成开环反应，异氰酸酯基团和环氧树脂中的羟基或开环反应生成的羟基发生反应，环氧树脂因此发生固化。 由于将聚氨酯中醚键引入到环氧树脂交联网络之中，使得固化物具有良好的韧性，且耐低温、耐酸碱腐蚀。 因此，经过聚氨酯改性的环氧树脂可大幅提高弹性恢复强度，提高抗剥落强度，使冷热伸缩变小，并且耐冲击、耐热、耐油。

2 液体填缝料配制

2.1 液体填缝料材料制备

2.1.1 液体填缝材料配方

液体填缝料材料主要由A 组分（主剂）和B 组分（固化剂）混合搅拌凝固而成，其配方如表2 所示。

表2 液体填缝材料配方

2.1.2 液体填缝料制备方法

以双酚A 型环氧树脂E-44、E-51、固化剂、CTBN、碳酸钙等为原料制备液体填缝料。（1）组分A 制备：按要求将E-44、E-51 树脂入加热搅拌罐中，调节搅拌转速，并开始加热，恒温控制180℃；当温度达到要求后，称重投入占环氧树脂15%的CTBN，搅拌混合2.5 h，冷却至50℃；投入占环氧树脂4%的聚氨酯，继续搅拌混合1 h，再加入氧化铝、氧化镁、偶联剂，搅拌混合均匀即可得到A 组分。 （2）组分B 制备：固化剂100 份、稀释剂12 份、填料75 份投入球磨机中，搅拌一定时间得到组分B。

2.2 性能测试

对制备得到的液体填缝料进行贯入稠度、失粘时间、弹性恢复等试验，结果如下：（1）灌入稠度。 如表3 所示， 温度值越低， 填缝料的灌入稠度越大。（2）失粘时间。 试样HY 在20℃、40℃、60℃条件下，失粘时间分别为17 h、12 h、8 h， 符合规范值20℃下6～24 h 的要求，表明随着温度的提高，失粘时间减少。 （3）常温弹性。 常温下，环氧树脂填缝料的弹性恢复性能良好，弹性恢复率可以达到92%，远远超过规范值（＞75%）的要求。（4）流动度。双酚A-酚醛树脂与固化剂发生固化反应后形成的结构致密且性质稳定，在高温下流动度为0%。（5）高温老化。环氧树脂填缝料在高温老化试验之后， 针入度为3.2 mm，弹性恢复率为88%，对比失粘时间试验结果及常温下弹性恢复率（92%）可知，高温环境下环氧树脂填缝料弹性恢复率呈小幅度下降，表明其具有优良的抗高温老化性能。（6）低温弹性。环氧树脂填缝料的低温弹性恢复值可达到86%，远超规范要求（＞75%）。 （7）低温拉伸。 在-10℃的温度条件下以5±0.1 mm/min 的匀速对环氧树脂填缝料试样进行低温拉伸试验，所得试验结果显示其低温拉伸测试值达20.6 mm，远超规范要求的＞16 mm，对试验后的样品进行观察可以发现，环氧树脂填缝料与水泥混凝土粘结良好。

?表3 灌入稠度试验结果试样测试结果/s规范值10℃20℃30℃HY171311＜20 s未改性684336

2.3 带湿固化液体填缝料配方确定

环氧树脂通常只能在干燥条件下粘结，若在潮湿或水下的条件下，粘结强度将大幅下降。 为降低对周边环境的要求，保证雨天或潮湿天也能进行灌缝，同时不影响灌缝质量，需制备能在潮湿环境下固化的环氧树脂填缝料。

2.3.1 原理

在潮湿环境及水下固化环氧树脂对固化剂有特殊的要求， 要求固化剂能够对水泥表面润湿，同时要求固化剂与疏水物质相容，这就需要固化剂具有一定的极性和黏度。 胺类固化剂的特点在于含有NH2基团， 该基团可以与基材产生氢键作用，并且可能成盐，因此胺类固化剂是水下环氧固化剂的主要成分。

酮亚胺即酮类封闭的多元胺，它是由酮类和多元伯胺反应制得的缩聚物， 该反应为可逆反应，在水和潮气的作用下酮亚胺会解离出多元胺及相应的酮类，由于解离出的多元胺可以与环氧树脂发生固化反应，因此适用于潮湿环境和水下固化（图2）。

图2 酮亚胺反应原理

2.3.2 配方

T-31 在潮湿环境下具有良好的固化效果，为提高潮湿环境下环氧树脂和水泥间的粘结力，将酚醛胺类固化剂（T-31）与酮亚胺固化剂共混，制备出潮湿条件下固化性能好的固化剂。 酮亚胺改性脂肪胺选择广州维立纳化工有限公司生产的一种粘度低、可操作时间长的产品，相关参数如下：25℃粘度<（10±5）mPa.s；胺值（mg KOH/g）480±40；色泽（Gardner）<8；比重（g/mm3）0.875；活性氢当量80；使用量（phr）20～40。 由于酮亚胺价格较贵，按照厂家的推荐使用量，会明显提高填缝料的成本，考虑T-31 固化剂也有一定的潮湿固化能力， 提出利用少量酮亚胺固化剂与T-31 混合，作为潮湿固化剂。

2.3.3 制备方法

A 组分及B 组分按照2.1 节所述方法制备，另添加酮亚胺固化剂少量。酮亚胺添加量的确定：环氧树脂主剂100 份，在B 组分中，保持其他组分比例不变，分别添加不同质量的酮亚胺，在潮湿条件下固化24 h，测量粘结强度，循环5 次，结果如表4 所示。

表4 潮湿条件下液体填缝料粘结强度（不同酮亚胺添加量）

按照 《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》（JC/T1041-2007）的要求，潮湿条件下的粘结强度大于2 MPa，从表4 可知，在未添加酮亚胺的情况下，环氧树脂填缝料潮湿条件下粘结能力较差， 在经过3 次循环后，试件已脱落，说明T-31 固化剂在潮湿条件下有一定的固化能力，但因水的存在粘结能力差。 添加酮亚胺后，环氧树脂对水泥面的粘结能力提升，而且经过多次循环，无脱落，粘结情况良好，因为酮亚胺在遇到水后分离出多元胺及相应的酮类，该多元胺可促进环氧树脂固化。 添加6～8 份酮亚胺时，材料的粘结强度已达到较优效果，与只添加酮亚胺作为固化剂的相比，效果相当。 因此，将添加了酮亚胺的B 组分作为潮湿固化剂， 主要含有20 份T-31 固化剂、6 份酮亚胺、稀释剂10 份、填料15 份。

为考察添加6 份酮亚胺后，环氧树脂液体填缝料能否满足施工要求， 对此做了以下指标测试，由表5 可知，使用湿固化剂的环氧树脂指标基本满足相关技术要求。 同时，通过对带湿环境下固化的环氧树脂进行了粘结力测试，结果表明通过添加酮亚胺固化剂，可制备出带湿固化剂的环氧树脂液体填缝料，满足潮湿环境下施工需要，可有效降低环氧树脂的施工条件限制要求。

表5 环氧树脂液体填缝料施工指标测试结果（带湿固化剂）

3 工程施工

新型环氧树脂液体填缝料施工工艺如下：（1）清缝深度：清缝深度只需要20 mm 左右；如果需要，清缝深度70 mm 亦可填满。（2）清吹灰尘：需要使用强力风机，以清理缝中没有灰尘为准；清吹后应立即灌缝， 若因故没有施工， 灌缝前应再次清吹。（3）配料：新型环氧树脂液体填缝料需要在施工现场进行调配， 按规定比例配制液体填缝料。 （4）加压：调制好的液体填缝料倒入灌缝机料仓，灌缝机料仓密封好后加压至0.6 MPa。 （5）灌缝：灌缝量以低于路面3～5 mm 为佳，因为是液体状态，填缝料在缝中会自己找平，在凝固的过程中会膨胀。

4 结论

（1）新型环氧树脂液体填缝料主剂为E-44 型双酚型环氧树脂，并掺配25%的E-51 型环氧树脂；固化剂采用T-31 环氧固化剂，含量为20%；稀释剂含量为12%。使用液体丁腈橡胶和聚氨酯提升填缝料性能。 （2）新型环氧树脂液体填缝料具有较好的流动性，易于搅拌均匀混合，固化后弹性恢复率达到92%， 高温流动率为0%， 高温老化后针入度3.2 mm，弹性恢复率为88%，低温条件弹性恢复率为86%，低温拉伸为20.6 mm，具有耐油、耐磨、耐腐蚀及耐高低温、使用寿命长等特点。 （3）新型环氧树脂液体填缝料中添加酮亚胺改性脂肪胺，可以提升环氧树脂与水泥面的粘结能力，而且经过多次循环无脱落，满足带湿环境下的施工要求。