监理检测网校:环氧沥青材料研究应用现状

2019-07-18 作者:地理   |   浏览(72)

  近十几年来,我国桥梁建设取得了举世瞩目的进步,业已成为世界桥梁大国。预计到2020 年我国将新建多座大跨径钢桥,钢桥面总铺装面积将超过 1000 万平方米。

  随着桥梁工程建设的不断发展,对桥面的铺装材料性能的要求也越来越高。但是钢桥面的铺装一直是世界性难题,与普通混凝土桥面相比,钢桥面自身的结构与恶劣的使用环境对材料的使用提出了更高更严格的要求。

  石油沥青是路面铺装建设与养护不可或缺的材料,其性能直接决定了沥青路面的工程质量和路面的结构形式。由于石油沥青的分子量分布和极性变化较大,这样的组成和结构特点决定了其在高温时易软化,低温时又易脆裂。

  因此,为了提高沥青的使用性能,通常是采用添加聚合物的办法来进行改性。通常情况下,用于沥青改性的聚合物可分为四大类: 热塑性树脂、橡胶、热塑性弹性体和反应性聚合物。

  橡胶( 如丁苯橡胶,SBR) 和热塑性弹性 体 ( 如 苯 乙 烯—丁 二 烯—苯 乙 烯 三 元 共 聚 物,SBS) 将赋予改性沥青很好的弹性,而热塑性树脂( 如聚乙烯,PE 和乙烯一醋酸乙烯醋共聚物,EVA) 和反应性聚合物( 如马来酸酐改性的热塑性弹性体和含有环氧基团的乙烯基共聚物) 将会提高改性沥青的刚性和降低载荷下的变形。

  环氧沥青作为一种新型桥面铺装材料,是传统筑路沥青材料的革命性升级,近年来取得了一定的发展,目前国产环氧沥青已打破了国外环氧沥青在国内的垄断地位,并在一些大型交通工程上得到了应用。

  它从根本上改变了沥青的热塑性本质,扩大了沥青的使用温度范围,并在某种程度上延长了路面的使用寿命,因此,也越来越受到研究人员的关注。

  作为一种良好的结合材料,环氧沥青的用处不仅仅局限于密集配环氧沥青混凝土面层,还可为其他类型的沥青混合料及其应用带来显著的益处。

  目前许多路面工程已经成功运用环氧沥青混合料的特性解决了一些棘手问题。但环氧沥青混合料的成本相对较高,包括建设成本与建筑材料成本等。

  环氧沥青( EA) 是一种聚合物改性沥青,是环氧树脂改性沥青的简称,由于环氧树脂是一种热固性树脂,其与固化剂反应后会形成一种三维不溶不熔的交联网络( 热固性) 。

  因而以环氧树脂作为沥青的改性剂而得到的环氧沥青也具一定的有热固性,沥青被束缚在交联网络中,从而在根本上改变沥青所固有的热塑性行为。

  一旦沥青中的环氧树脂与固化剂发生固化反应,就会形成一种不可逆的两相三维热固性复合物,这种两相热固性复合物是以交联的环氧树脂作为连续相,沥青作为分散相。

  沥青被牢牢地束缚在环氧树脂形成的交联网络中,这样在高温时沥青无法流动,低温时沥青的抗裂性也得到提高,因此从根本上改变沥青的热塑性行为,赋予其优良的性能。

  环氧沥青按照用途可以分为结合料和粘结料,环氧沥青结合料按照铺装温度分为温拌型( 拌合温度 110℃~ 140℃ ) 和热拌型( 拌合温度 160℃ ~ 190 ℃ ) 与冷拌型( 常温) 三种。

  环氧沥青混凝土的马歇尔稳定度是普通沥青混凝土稳定度的 5 ~ 8 倍,而流值却大致相同。凭借其强度高的特点,环氧沥青混合料刚度、韧性也较高。

  环氧沥青作为一种热固性材料,在高温下会变软但不会流动。用环氧沥青混凝土摊铺的钢桥面铺装具有良好的高温稳定性,一般不出现车辙或推挤拥包等病害。而在低温下它也不过分脆硬,强度反而低于普通沥青混凝土。

  使用环氧沥青摊铺的粘结层具有很好的粘结能力。在 23℃ 温度下,以 500mm /min 的延伸率对环氧沥青粘结层材料进行拉伸试验,其拉伸强度可达 8. 1MPa,断裂延伸率可达 230% ,要远远优于普通粘结层材料。

  无论是环氧沥青混凝土本身的疲劳性能还是混凝土和钢板复合试件的疲劳性能都远大于普通沥青混凝土,一般至少高出一个数量级。

  ( 6) 环氧沥青混凝土的线收缩系数与钢板的比较接近,当温度变化时只会在层间产生微小的剪应力,因此低温时不会发生铺装层的破坏。

  ( 7) 环氧沥青作为钢桥面铺装材料还具最小交通耽搁和操作简便不需专门进口特殊的劳工等优点。

  以上这些特性能使一些常见的路面病害得到解决或延迟发生,提高了交通道路工程的质量,这也为环氧沥青在交通工程上的应用提供了良好的前景。

  20 世纪 50 年代末荷兰壳牌公司最先致力于环氧沥青的研究,其主要目的是为了解决当时飞机燃油和喷气对机场路面的侵害,而寻找解决的途径。

  Thomas F. Mkia等人在 1961 年开始研究并制造了环氧树脂改性沥青,他们把松焦油作为共容剂,并以此来改进环氧树脂与沥青的相容性,制成了一种不熔不溶的热固性材料。

  此后,更多的人开始研究环氧沥青材料,在配方上也不断的进行改进和创新。1967 年美国粘合剂工程公司首次将环氧沥青应用于美国 San Mateo - Hayward 大桥正交异性钢桥面的铺装,经过 40 多年的运营,这座桥的路面性能一直良好。

  美国学者 MetCalf 也对环氧沥青桥面铺装材料进行了模拟疲劳试验,研究表明环氧沥青混凝土抗疲劳性能明显优于普通沥青混凝土,该试验结果大大促进了环氧沥青混凝土铺装在美国的广泛应用。

  Hayashi 等人在1979 年提出了一种包括 A 组分—纯环氧树脂和 B 组分—顺酐改性的沥青和胺类的环氧树脂固化剂组成的双组分环氧树脂改性沥青。

  MeltemCubuk 等人对环氧树脂和多种添加剂改性沥青进行研究后发现环氧树脂可以使沥青的抗车辙性能显著提高。

  截止到 2001 年,美国、拿大和巴西等共有 22 座钢桥面,其中包括美国著名的金门大桥在 1986 年重新铺装时就采用美国化学系统公司生产的环氧沥青进行铺装。

  由于其优良性能,环氧沥青随后在加拿大、荷兰和澳大利亚等国也得到迅速的应用,广泛应用于钢桥面铺装、机场道路、公交车站台、重交通路面等。

  亚洲一些国家,直到上世纪 90 年代,特别是日本对环氧沥青的认识才进入到较为成熟的阶段,在日本的应用研究日渐深入,并有相关产品出现,如 Watanabegumi 公司的 W - Epox。

  日本在 1983年所制订的《日本本州四国连络桥桥面铺装标准》,他们也对环氧沥青的铺装技术从设计到施工等各个环节制订了相关的条文、专利。

  同期,日本生产的 KD-BEP-Ep-oxy( 原称 TAF) 等环氧沥青专利产品进入我国市场,并成功应用在虎门大桥、江阴长江大桥铺装维修工程中。

  南沙大桥钢铺装面积达13万平方米,是世界上单体热拌环氧沥青铺装面积最大的工程,热拌环氧沥青铺装工艺及技术要求苛刻,包括“四大结构层、六道工序”,单层累积作业面积达78万平方米,相当于110个足球场;

  环氧沥青价格昂贵,整个施工过程必须严丝合缝,不容有失,否则不但会造成质量问题,还会造成巨大经济损失。极为关键的是,钢箱梁桥面沥青混凝土铺装的高温稳定性一直是桥梁施工的一道世界级难题。

  施工面积大、质量要求高、高温稳定性不可控等多个难点,给建设者带来了极大的挑战。

  为了攻克这个世界级的难题,保证百年工程的质量,建设者大胆尝试、不断创新,经过严密的设计、反复的试验,钢桥面铺装采用了当前先进的双层热拌环氧沥青铺装体系。

  由于沥青是一种非极性物质,相反环氧树脂是一种极性物质,两者很难形成热力学稳定体系,相容性较差,所以改善沥青和环氧树脂之间的相容性是制备兼具环氧树脂固化物的热固性和沥青良好的延性和展性的环氧沥青的关键。

  同时沥青、环氧树脂、固化剂以及其他添加剂在环氧沥青混合体系中的优化配比是最终生产性能优良的环氧沥青产品的一个非常重要的因素。

  此外,相对于普通沥青对施工工艺的要求而言,环氧沥青的铺装要求更加严格。必须在规定的时间内,完成运输、摊铺和压实等一系列工序,而各工序之间必须衔接有序、紧密配合。环氧沥青铺装作为当前交通工程中一个研究热点,需要一个长期的研究与实践过程,才能真正实现从大规模的生产应用。返回搜狐,查看更多

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