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摘要：本文主要依据传统环氧沥青材料的固化体系和反应机理，结合环氧树脂的相关增韧技术，引入柔性链段材料对普通有机酸酐类固化剂进行改性得到柔韧性固化剂，通过自制柔韧性固化剂来制备低温性能优异的环氧沥青材料。
关键词：环氧沥青；低温性能；柔性链段；增韧；容留时间
0 引言
低温环境中，环氧沥青材料的脆性增加、韧性降低，内部的温度应力比普通的沥青混凝土大，若出现裂纹，无法像其它的热塑性聚合物改性沥青那样升温自愈[1]。目前环氧沥青的研究多集中于高温性能，对低温性能的研究匮乏。
因此，有必要对环氧沥青的低温性能加以研究并改善，减少其低温开裂破坏，这对拓展环氧沥青材料的工程应用具有重要意义。
1 传统环氧沥青体系
传统环氧沥青材料主要由环氧树脂、固化剂和沥青组成，一混合便发生不可逆的化学反应，故将其分成A（环氧树脂）、B（固化剂、石油沥青以及其它铺剂等）组分。
环氧树脂是指含有两个或以上环氧基团，以脂肪族、芳香族或脂环族等有机化合物为骨架的热固性有机聚合物[2]。由于价格低廉、毒副作用小等，缩水甘油醚类中的双酚A型环氧树脂的应用范围最广，因此本文采用E-51型环氧树脂。
环氧树脂本身非常稳定，故环氧树脂固化剂便成为影响环氧沥青性能的关键因素。有机酸酐类固化剂由于挥发性小、毒性低、操作方便，与环氧树脂配合量大等，被认为是最佳的环氧沥青固化剂[3]。因此，本文选择对其进行改性。
环氧沥青的高强度来源于环氧树脂与固化剂反应生成的交联体型固化物。为了改善其低温性能，应从改善固化产物的延展性和脆性入手，即增加柔韧性。
2 环氧沥青的增韧技术研究
本文将引入柔性链段材料对有机酸酐类固化剂进行改性合成柔韧性固化剂来增韧环氧沥青材料，其实质是降低固化物的交联密度。环氧树脂固化物的强度和变形能力与其交联密度有关，交联密度越低，则固化物强度越低，柔韧性越高[4]。
采用含有酸酐官能基团的固化剂，通过化学反应，引入数均分子量分别为200、400和800的柔性链段材料对普通有机酸酐类固化剂进行改性，制备得到三种柔韧性固化剂a、b、c，期望在损失环氧沥青混凝土一定强度的情况下有效提高其低温时的柔韧性，改善低温性能。
3 原材料及制备流程
本文石油沥青采用70号重交沥青，环氧树脂采用无锡树脂厂生产的E51树脂。
环氧沥青材料的A组分无需进行专门的制备，故主要研究B组分的制备，柔韧性固化剂与环氧树脂之间一般存在一个最佳反应比例。确定最佳反应比例之后，根据掺入的沥青含量便可计算得到自制环氧沥青材料A、B组分之间的最佳反应比例。
为方便研究，本文固定固化温度为120℃，自制环氧沥青材料的施工容留时间通过添加催化剂进行调整，研究其时间-粘度关系，可得到催化剂最佳掺量及施工容留时间。
4 耐低温环氧沥青材料力学性能研究
4.1 应力-应变试验方法
固化产物的力学性能常采用静态试验中的应力-应变试验方法进行评价，用破坏时的荷载表示强度，用断裂时的延伸率表示韧性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆试验时将环氧树脂与固化剂按一定的比例在120℃下充分混合均匀，浇注在一定厚度的特制刚模中，特制钢模应预先保温2个小时，然后于120℃高温下养生4个小时，取出脱模后冷却至室温，将材料冲模成型成哑铃型试件，在电子拉力机上进行拉伸试验，以拉伸速率为500mm/min拉伸试件直至断裂并读取断裂时最大荷载及变形。
4.2 最佳反应比例的确定
自制的柔韧性固化剂a、b、c与环氧树脂的最佳反应比例根据理论预估分别为1.5：1、2：1及3：1，需经过试验验证，因此每种柔韧性固化剂于理论预估反应比例附近再选择两个个比例进行试验，试验结果为：
a：反应比例1：1（断裂延伸率28%/拉伸强度6.44MPa）、1.5：1（46%/ 4.16MPa）、2：1（42%/ 4.27MPa）；
b：反应比例1.5：1（48%/2.16MPa）、2：1（92%/ 1.25MPa）、2.5：1（84%/1.33MPa）；
c：反应比例2.5：1（120%/0.25MPa）、3：1（124%/ 0.22MPa）、3.5：1（105%/ 0.23MPa）。
由此可知，当固化剂与环氧树脂按最佳理论反应比例进行反应时，固化产物具有较好的拉伸强度和断裂延伸率，因此以其作为最终反应比例是合适的。
4.3 沥青对力学性能的影响
沥青按B组分总质量50%的比例掺入，与柔韧性固化剂、适量的相容剂在120℃条件下高速剪切共混1h制备得到分别含有三种柔韧性固化剂的B组分I、II、III。由上一节研究可知三种环氧沥青材料B组分与A组分的最佳反应比例分别为3：1、4：1及6：1。将制备得到三种环氧沥青材料B组分与A组分按最佳比例进行反应并进行拉伸试验，试验结果为：I（断裂伸长率64%/拉伸强度2.67MPa）、II（148%/ 0.81MPa）、III（183%/ 0.12MPa）。
分析可知，沥青的加入在一定程度上降低了体系的交联密度从而提高了断裂伸长率，但当沥青含量超过一定比例后，沥青颗粒容易在环氧树脂中发生团聚沉积作用导致应力集中，使得在外力的作用下体系的拉伸强度反而降低。
5 耐低温环氧沥青材料粘度-时间关系研究
一般将一定温度下环氧沥青材料两个组分开始混合到混合料完成摊铺、碾压的这段时间称之为容留时间。本文要求体系粘度在120℃条件下达到1000mPa.s的时间应大于50min。由于本研究固化温度固定为120℃，因此可通过添加催化剂加快或减缓固化反应速率，从而达到调整容留时间的目的。
本文采用Brookfield粘度计测试固化反应进程中体系粘度随时间的变化，选用64#转子，转速设定为50r/min，在120℃条件下进行测试并绘制粘度-时间的变化曲线，每分钟记录一次粘度值直至粘度值达到3000mPa.s，催化剂按B组分质量的0.15%、0.1%、0.075%进行添加。
分析不同催化剂含量下自制环氧沥青材料粘度-时间数值可得，催化剂含量为0.1%时，三种环氧沥青材料粘度达到1000mPa.s的时间都满足规范要求，容留时间分别为49min、55min、57min，具有较合适的固化速度和容留时间，因此催化剂的最佳用量为B组分质量的0.1%。
6 结论
本文选择合成柔韧性固化剂来改善环氧沥青材料的低温性能。根据成膜及拉伸试验结果，确定了自制环氧沥青材料A、B组分的最佳反应比例。根据粘度增长测试结果，确定自制环氧沥青材料的最佳催化剂添量及施工容留时间。
参考文献：
[1]王康.柔韧性环氧沥青混凝土钢桥面铺装技术研究[D].长安大学硕士论文，2012年.
[2]Su W-F A，Thermoplasticand thermoset main chain liquid crystal polymers prepared from biphenyl mesogen[J].Journal of Polymer Science：Part A：Polymer Chemistry，1993，31（13）：3251-3256.
[3]李桂林.环氧树脂与环氧涂料[M].北京：化学工业出版社，2003.
[4]张占军，闵召辉，黄卫.不同交联度环氧沥青混合料低温弯曲性能研究[J].中国公路学报，2012，01：35-39.
论文作者:黄潇
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第35期
论文发表时间:2017/3/30
标签：固化剂论文; 沥青论文; 环氧论文; 环氧树脂论文; 柔韧性论文; 组分论文; 材料论文; 《北方建筑》2016年12月第35期论文;