CN115819027B - 一种热拌环氧沥青混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及沥青技术领域，具体公开了一种热拌环氧沥青混凝土及其制备方法和应用。一种热拌环氧沥青混凝土的原料包括柔性环氧树脂；固化剂；基质沥青；萜烯树脂；玄武岩纤维；水泥；骨料；水；其制备方法为：将柔性环氧树脂和固化剂在40‑60℃条件下搅拌；预热基质沥青到130‑150℃，加入玄武岩纤维和萜烯树脂共同搅拌；将上述物质混合，并升温至160‑180℃，保持30‑90min制得环氧沥青；将骨料和水泥混合均匀，并加入水在至165‑190℃的条件下拌合，将环氧沥青加入继续拌合，在170‑190℃保温1‑3小时，制得环氧沥青混凝土。其具有提高环氧沥青的柔韧性的优点。

Description

一种热拌环氧沥青混凝土及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及沥青技术领域，更具体地说，它涉及一种热拌环氧沥青混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国经济持续快速的发展，带动了我国桥梁的建设，特别是钢箱梁桥，新材料新结构的广泛应用使得斜拉桥、悬索桥等大跨径钢箱梁桥的建设技术得到了很大的进步，但是国内在桥梁建设方面仍然有一些技术问题有待进一步解决，其中就包括非常棘手的钢桥面铺装问题，这一直都是桥梁建设中的一个关注焦点。
目前，世界上钢桥面铺装基本形成了“五种铺装材料，三类铺装结构”的格局。各国在钢桥面铺装上采用的材料有：一是以德国和日本为代表的浇注式沥青混凝土；二是以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土；三是改性沥青SMA；四是环氧沥青混凝土；五是我国近年采用的树脂沥青组合体系。三类铺装结构分别为同质单层，同质双层和异质双层铺装结构。常见的钢桥面铺装结构有：双层环氧沥青混凝土、单层浇注式沥青混凝土、双层改性沥青SMA、下层浇注式沥青混凝土加上层改性密级配沥青混凝土，一般改性沥青层加树脂类铺装层组合结构等。
在相关技术中提供了一种环氧沥青，由环氧树脂、固化剂和基质沥青按一定的配比及方式混合而成的一种沥青料，其重要组分环氧树脂与固化剂所组成的环氧体系使沥青相对均匀的分散在环氧树脂固化后所形成的三维空间网络结构中，最终形成一种不可逆的固化产物，从根本上改变了沥青在高温下易流淌变形的热塑性本质，使最终产物以树脂为连续相，沥青为分散相。环氧沥青的使用改善了路面的耐久性、延长了道路使用寿命。
针对上述中的相关技术，在温度较低时，转变为玻璃态的环氧沥青通常模量高且质脆，容易产生温度应力而引起开裂，或在过高载荷下发生脆性断裂。
发明内容
为了提高环氧沥青的柔韧性，本申请提供一种热拌环氧沥青混凝土及其制备方法和应用。
第一方面，本申请提供一种热拌环氧沥青混凝土，采用如下的技术方案：
一种热拌环氧沥青混凝土，由如下重量份的原料制成：
柔性环氧树脂8-12份；
固化剂2-6份；
基质沥青19-23份；
萜烯树脂8-12份；
玄武岩纤维4-8份；
水泥10-20份；
骨料50-70份；
水10-50份；
所述柔性环氧树脂是通过二异氰酸酯、双酚A和环氧氯丙烷为原料进行制备的柔性环氧树脂。
通过采用上述技术方案，通过向环氧树脂中引入二异氰酸酯，二异氰酸酯能与环氧树脂中的仲羟基反应生成化学键，从而通过引入柔性链来设计柔性环氧树脂，在沥青混凝土中的应用中用来提高柔韧性；玄武岩纤维显碱性，碱性玄武岩纤维可以和沥青中的酸和酸酐反应生成化学键，同时玄武岩纤维也能与萜烯树脂反应产生化学键，将萜烯树脂添加到沥青中，从而在最终的混合中，萜烯树脂和环氧树脂均带有极性基团，根据相似相溶原理，将萜烯树脂和玄武岩纤维加入到基质沥青中能有效的提高基质沥青在环氧树脂中的分散性。
优选的，所述柔性环氧树脂的制备步骤如下：
(1)将双酚A和环氧氯丙烷以1：(3-7)的体积比混合，在氮气的保护中，30-60℃的条件下，将二异氰酸酯滴加入反应体系，反应1-3小时；
(2)在50-80℃的条件下，向(1)中的反应体系中滴加20％的氢氧化钠溶液，反应1-3小时。反应完毕后，用去离子水水洗，静置分层，收集有机相，减压蒸馏，直至再无馏分蒸出，得到柔性环氧树脂。
通过采用上述技术方案，在惰性气体氮气的保护下，二异氰酸酯与双酚A上的仲羟基连接，形成中间体，在碱性条件下与过量的环氧氯丙烷反应合成柔性环氧树脂。在碱性物质的作用下，中间体和环氧氯丙烷一步反应，同时进行环氧氯丙烷的开环醚化过程和氯醇的脱除氯化氢的环化过程，即碱的作用为同时催化醚化和环化这两个过程。通过一步法合成环氧树脂操作简单，影响因素较少，成本较低。
优选的，所述二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯。
通过采用上述技术方案，六亚甲基二异氰酸酯是一种脂肪族二异酸酯，结构中不含有苯环，且能在溶液中自由卷曲形成无规线团，从而用六亚甲基二异氰酸酯设计合成的环氧树脂拥有极好的柔韧性。
优选的，所述固化剂为间苯二胺。
通过采用上述技术方案，间苯二胺能和柔性环氧树脂上的环氧基发生开环反应，从而产生交联作用，生成三维网络结构，且为不可逆的反应，能有效的提高环氧树脂的硬度和强度。
优选的，所述玄武岩纤维为纳米级玄武岩纤维。
通过采用上述技术方案，纳米级玄武岩纤维的粒径为10-100nm的玄武岩纤维颗粒，采用纳米级玄武岩纤维能增大玄武岩纤维的比表面积，从而使得玄武岩纤维与基质沥青和萜烯树脂的连接更加紧密，同时纳米级玄武岩纤维的分散效果优于常规的玄武岩纤维，对后续与柔性环氧树脂结合的更加紧密，制备得到的环氧沥青的硬度更好。
优选的，所述骨料包括石块和河砂，以热拌环氧沥青混凝土的重量份为基准：
石块25-35份；
河砂25-35份。
通过采用上述技术方案，通过石块和河砂之间产生的级配作用能有效的对混凝土的硬度和强度进行提升。
第二方面，本申请提供一种热拌环氧沥青混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种热拌环氧沥青混凝土的制备方法，制备步骤如下：
S1：将柔性环氧树脂和固化剂在40-60℃条件下搅拌混合得到混合物A；
S2：预热基质沥青到130-150℃，加入玄武岩纤维和萜烯树脂共同搅拌得到混合物B；
S3：将混合物B倒入混合物A中，并升温至160-180℃，保持30-90min制得环氧沥青；
S4：将骨料和水泥混合均匀，并加入水在165-190℃的条件下拌合，将S3中制得的环氧沥青加入进来继续拌合，在170-190℃保温1-3小时，即制得环氧沥青混凝土。
通过采用上述技术方案，首先是将柔性环氧树脂和固化剂混合制成混合物A，混合物A为三维网状结构，能提高柔性环氧树脂的交联作用，将基质沥青和玄武岩纤维以及萜烯树脂共混能使得玄武岩纤维将萜烯树脂和基质沥青之间通过化学键连接起来，使得制得的混合物B拥有和柔性环氧树脂相同的极性，在将混合物A和混合物B混合之后制得的环氧沥青能使沥青很好的分散在柔性环氧树脂中，从而使沥青很好的分散在三维空间网状结构中，最后再和骨料、水泥混合进行热拌制得拥有柔性的热拌环氧沥青混凝土。
第三方面，本申请提供一种热拌环氧沥青混凝土在钢桥面的铺装中应用，一种热拌环氧沥青混凝土采用权利要求1-4任一项制备的热拌环氧沥青混凝土或采用权利要求5-7的热拌环氧沥青混凝土的制备方法制备的热拌环氧沥青混凝土。
通过采用上述技术方案，将柔性环氧沥青混凝土应用在钢桥面的铺装应用中，能有效的减小桥面开裂的现象。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用柔性环氧树脂，将二异氰酸酯添加到环氧树脂的设计过程中，使制备出来的环氧树脂中拥有柔性链，从而提高了环氧树脂的柔韧性，使得在低温状态下，环氧沥青转变为玻璃态后的柔韧性提高，从而降低了因产生温度应力引起的开裂，降低了发生脆性断裂的可能。
2、本申请中优选采用间苯二胺作为固化剂，间苯二胺能和环氧基发生开环反应，产生交联作用，生成三维网状结构，在沥青中引入玄武岩纤维和萜烯树脂是为了让沥青拥有极性的特性，从而在基质沥青和柔性环氧树脂共混后，带有萜烯树脂的基质沥青块能有效的分散在柔性环氧树脂中的三维网络结构的网格中，从而提升了环氧沥青的综合性能。
3、本申请的方法，通过使用六亚甲基二异氰酸酯来对环氧树脂进行设计，由于六亚甲基二异氰酸酯是脂肪族的二异酸酯，且结构中不含有苯环，在溶液当中能自由卷曲形成无规则线团，从而对环氧树脂中的柔韧性进行了大幅度的提升，使合成后的柔性环氧树脂拥有柔韧性，在实际应用中降低了低温开裂等现象。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请中使用的原料来源如下所示：
柔性环氧树脂的制备例
制备例1
柔性环氧树脂的制备方法：
(1)将20ml双酚A和100ml环氧氯丙烷加入250ml的圆底烧瓶中混合，在氮气的保护中，45℃的条件下，将5ml六亚甲基二异氰酸酯缓慢滴加入反应体系，在30min内滴完，反应2小时；
(2)在65℃的条件下，向(1)中的反应体系中滴加20ml，20％的氢氧化钠溶液，在1小时内滴完，反应2小时。反应完毕后，用去离子水水洗3次，静置分层，收集有机相，减压蒸馏，直至再无馏分蒸出，得到柔性环氧树脂。
制备例2
柔性环氧树脂的制备方法：
(1)将20ml双酚A和100ml环氧氯丙烷加入250ml的圆底烧瓶中混合，在氮气的保护中，45℃的条件下，将5ml间苯二异氰酸酯缓慢滴加入反应体系，在30min内滴完，反应2小时；(2)在65℃的条件下，向(1)中的反应体系中滴加20ml，20％的氢氧化钠溶液，在1小时内滴完，反应1小时。反应完毕后，用去离子水水洗3次，静置分层，收集有机相，减压蒸馏，直至再无馏分蒸出，得到柔性环氧树脂。
制备例3
柔性环氧树脂的制备方法：
(1)将20ml双酚A和140ml环氧氯丙烷加入250ml的圆底烧瓶中混合，在氮气的保护中，45℃的条件下，将5ml 4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯缓慢滴加入反应体系，在30min内滴完，反应2小时；
(2)在65℃的条件下，向(1)中的反应体系中滴加20ml，20％的氢氧化钠溶液，在1小时内滴完，反应3小时。反应完毕后，用去离子水水洗3次，静置分层，收集有机相，减压蒸馏，直至再无馏分蒸出，得到柔性环氧树脂。
实施例
实施例1
热拌环氧沥青混凝土的制备方法：
柔性环氧树脂10kg；固化剂4kg；基质沥青21kg；萜烯树脂10kg；玄武岩纤维6kg；水泥15kg；骨料60kg；水30kg。
S1：将10kg柔性环氧树脂和4kg固化剂，固化剂为间苯二胺在50℃条件下搅拌混合得到混合物A；
S2：预热21kg基质沥青到140℃，加入6kg玄武岩纤维和10kg萜烯树脂共同搅拌得到混合物B；
S3：将混合物B倒入混合物A中，并升温至170℃，保持70min制得环氧沥青；
S4：将60kg骨料和15kg水泥混合均匀，骨料包括30kg河砂和30kg石块。加入30kg水在180℃的条件下拌合，将S3中制得的环氧沥青加入进来继续拌合，在190℃保温3小时，即制得环氧沥青混凝土。
玄武岩纤维颗粒的粒径约为10-100nm。
原料采用制备例1中制备的柔性环氧树脂。
实施例2-3
一种热拌环氧沥青混凝土，与实施例1的不同之处在于，其原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。
表1实施例1-3中各原料及其重量(kg)
组分 实施例1 实施例2 实施例3
柔性环氧树脂 10 8 12
间苯二胺 4 6 2
基质沥青 21 19 23
萜烯树脂 10 12 8
玄武岩纤维 6 4 8
水泥 15 20 10
石块 30 25 35
河砂 30 35 25
水 30 50 10
实施例4
一种热拌环氧沥青混凝土，与实施例1的不同之处在于，原料采用制备例2中制备的柔性环氧树脂。
实施例5
一种热拌环氧沥青混凝土，与实施例1的不同之处在于，原料采用制备例3中制备的柔性环氧树脂。
实施例6
一种热拌环氧沥青混凝土，与实施例1的不同之处在于，所述玄武岩采用单丝直径为9-17μm玄武岩纤维。
对比例
对比例1
一种热拌环氧沥青混凝土，与实施例1的不同之处在于，采用的环氧树脂为普通的环氧树脂；环氧树脂的制备方法为：将20ml双酚A和100ml环氧氯丙烷加入250ml的圆底烧瓶中混合，在65℃的条件下，向圆底烧瓶中的反应体系中滴加20ml，20％的氢氧化钠溶液，在1小时内滴完，反应2小时。反应完毕后，用去离子水水洗3次，静置分层，收集有机相，减压蒸馏，直至再无馏分蒸出，得到环氧树脂。
对比例2
一种热拌环氧沥青混凝土，与实施例1的不同之处在于，组分中不包括玄武岩纤维。
应用例
将实施例1中制备的热拌环氧沥青混凝土应用于钢桥面铺装。
性能检测试验
1.柔韧性测试：
柔性系数：通过低温弯曲试验，确定弯曲劲度模量SB，进而得到柔性系数。按规范成型车辙板，并将其切割成尺寸为250mm×30mm×35mm小梁试件。采用万能材料试验机(MTS810)作为加载平台，在-10±0.5℃的环境中以50mm/min的加载速率对试件加载直至破坏，然后按式(1)-(3)进行计算。
Figure BDA0004015653690000071
Figure BDA0004015653690000072
Figure BDA0004015653690000073
式中：PB为试验过程中的最大荷载；RB为抗弯拉强度；εB是最大弯拉应变；d为跨中挠度；h和b为跨中断面处试件的宽度、高度，mm；L为小梁跨径200mm。
根据弯拉疲劳试验确定试件发生破坏时对应的荷载作用次数，即Nf。先按规范成型车辙板，切割尺寸为250mm×40mm×40mm的小梁试件后，选择恰当的应力水平进行加载。由于小梁弯拉疲劳应力水平的选择以0.1分级，且环氧沥青混凝土疲劳寿命较长，因此试验采用0.2-0.54个等级，以应力控制方式进行加载，结合下列算式进行计算。
Nf＝k(1/σ0)n
式中：σ0为初始弯拉应力；
k和n为试验确定的系数；
n越大，说明疲劳寿命随着应力水平的增加衰减的越快；k越大，说明材料的疲劳性能越好。
表2
Figure BDA0004015653690000074
Figure BDA0004015653690000081
结合实施例1-6和对比例1并结合表2可以看出，实施例1-6中采用的均为柔性环氧树脂和基质沥青结合用来制备混凝土，对比例1中制备的环氧树脂混凝土用到的环氧树脂为不添加柔性链的环氧树脂，根据柔韧性测试的结果可清晰的对比出，实施例6是采用柔性环氧树脂得到的柔性最差的环氧树脂混凝土，由实施例6和对比例1进行对比可明显的看出，采用添加了柔性链的环氧树脂为原料制备的混凝土比普通环氧树脂制得的混凝土的k值高出约1.6倍，从而添加了柔性链之后的环氧树脂制备的混凝土在实际应用中的柔韧性更好。
结合实施例1、实施例6和对比例2并结合表2可以看出，实施例1中采用的玄武岩纤维是纳米级的玄武岩纤维，其玄武岩纤维颗粒的粒径约为10-100nm，实施例6采用的玄武岩纤维为单丝直径在9-17μm之间的玄武岩纤维，对比例2中不添加玄武岩纤维，首先，添加了玄武岩纤维之后，能促使环氧树脂和沥青的混合效果更好，从而对柔韧性的促进效果更好，采用的纳米级玄武岩颗粒使得玄武岩颗粒的分散效果更好，从而使得环氧树脂对基质沥青的结合效果越好，使得最终制得的混凝土柔韧性更好。
结合实施例1和实施例5和实施例6并结合表2可以看出，实施例1和实施例5以及实施例6的不同之处在于采用的原料分别为制备例1、2和3，制备例1-3的区别为用到的二异氰酸酯分别是六亚甲基二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯和4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯。其中，六亚甲基二异氰酸酯是直链二异氰酸酯，直链的结构意味着有更多的角度变化的可能性，其结构中的刚性弱，柔韧性好；其次，4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯的中间位置也有一条直链可以有角度的变化，但是能变化角度的直链非常少，因此，柔韧性低；最后是间苯二异氰酸酯，其中没有脱离苯环的链，其角度变化的可能几乎不存在，因此间苯二异氰酸酯是刚性最强，柔性最差的，根据是实力的数据看判断可进一步的佐证，六亚甲基二异氰酸酯的柔性效果最好，最终起到的抗裂效果也最好。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种热拌环氧沥青混凝土，其特征在于，由如下重量份的原料制成：
柔性环氧树脂8-12份；
固化剂2-6份；
基质沥青19-23份；
萜烯树脂8-12份；
玄武岩纤维4-8份；
水泥10-20份；
骨料50-70份；
水10-50份；
所述柔性环氧树脂是通过二异氰酸酯、双酚A和环氧氯丙烷为原料进行制备的柔性环氧树脂，所述二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯；
热拌环氧沥青混凝土的制备方法包括如下步骤：
S1：将柔性环氧树脂和固化剂在40-60℃条件下搅拌混合得到混合物A；
S2：预热基质沥青到130-150℃，加入玄武岩纤维和萜烯树脂共同搅拌得到混合物B；
S3：将混合物B倒入混合物A中，并升温至160-180℃，保持30-90min制得环氧沥青；
S4：将骨料和水泥混合均匀，并加入水在165-190℃的条件下拌合，将S3中制得的环氧沥青加入进来继续拌合，在170-190℃保温1-3小时，即制得环氧沥青混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种热拌环氧沥青混凝土，其特征在于：所述柔性环氧树脂的制备步骤如下：
（1）将双酚A和环氧氯丙烷以1:（3-7）的体积比混合，在氮气的保护中，30-60℃的条件下，将二异氰酸酯滴加入反应体系，二异氰酸酯和双酚A的体积比为1:（4-6），反应 1-3 小时；
（2）在50-80℃的条件下，向（1）中的反应体系中滴加20%的氢氧化钠溶液，反应1-3小时，反应完毕后，用去离子水水洗，静置分层，收集有机相，减压蒸馏，直至再无馏分蒸出，得到柔性环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的一种热拌环氧沥青混凝土，其特征在于：所述固化剂为间苯二胺。
4.根据权利要求1所述的一种热拌环氧沥青混凝土，其特征在于：所述玄武岩纤维为纳米级玄武岩纤维。
5.根据权利要求1所述的一种热拌环氧沥青混凝土，其特征在于：所述骨料包括石块和河砂，以热拌环氧沥青混凝土的重量份为基准：
石块25-35份；
河砂25-35份。
6.一种热拌环氧沥青混凝土在钢桥面的铺装中应用，其特征在于，热拌环氧沥青混凝土采用权利要求1-5任一项制备所述的热拌环氧沥青混凝土。
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