李 義 杜紅艷
(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710068)
本研究采用的防水粘結(jié)材料為國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青、日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青以及SK-SBS改性瀝青。國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青由A、B兩組分組成,其中,A組分的技術(shù)指標(biāo)見表1,B組分的技術(shù)指標(biāo)見表2,日本環(huán)氧粘結(jié)劑由主劑、固化劑兩組分組成,其中,主劑的物理性能和技術(shù)指標(biāo)見表3,固化劑的物理性能和技術(shù)指標(biāo)見表4。日本環(huán)氧瀝青為日本環(huán)氧粘結(jié)劑和埃索-90#基質(zhì)瀝青按1:1的比例配制而成,其中,埃索-90#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表5。SK-SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表6。
表1 國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A組分技術(shù)指標(biāo)
表2 國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A組分技術(shù)指標(biāo)
表3 日本環(huán)氧粘結(jié)劑主劑物理技術(shù)指標(biāo)
表4 日本環(huán)氧粘結(jié)劑固化劑劑物理技術(shù)指標(biāo)
表5 埃索-90#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)
表6 SK-SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)
環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的A組分為環(huán)氧樹脂,B組分為固化組分。欲制備并研究環(huán)氧基防水粘結(jié)材料,首先應(yīng)確定A、B組分的比例,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其他性能指標(biāo)的研究。本節(jié)采用幾種不同比例,通過鋼板間拉剪和拉拔試驗(yàn),得出拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度,綜合比較各比例下的鋼板間拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度,確定出A、B組分的最佳比例。具體試驗(yàn)方法如下所示。
進(jìn)行試驗(yàn)之前,首先需要制備國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青、日本環(huán)氧粘結(jié)劑和日本環(huán)氧瀝青,具體方法如下:
(1)根據(jù)A、B兩組分比例,國產(chǎn)HLN-7611的兩組分比例 A:B 分別為:1:6.0、1:7.0、1:7.2、1:7.4、1:7.6、1:7.8 和1:8.0。日本環(huán)氧粘結(jié)劑的主劑和固化劑的比例A:B為1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1 和 1:1.2;日本環(huán)氧瀝青為日本環(huán)氧粘結(jié)劑與基質(zhì)瀝青按1:1的比例混合,其主劑和固化劑的比例與日本環(huán)氧粘結(jié)劑的比例相同),分別計(jì)算出各種材料所需的相應(yīng)A、B組分的質(zhì)量及日本環(huán)氧瀝青需要的基質(zhì)瀝青的質(zhì)量。
(2)對于國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青,分別對稱好質(zhì)量的A、B組分進(jìn)行加熱并攪拌,使其溫度升至120℃,將已升至要求溫度的A、B組分混合,在120℃下用高速攪拌試驗(yàn)儀攪拌3~5分鐘,使其混合均勻,制備成國產(chǎn)環(huán)氧瀝青;對于日本環(huán)氧粘結(jié)劑,在室溫條件下將稱好質(zhì)量的A、B組分進(jìn)行混合,并用高速攪拌試驗(yàn)儀攪拌3~5分鐘使其混合均勻,制備成日本環(huán)氧粘結(jié)劑;對于日本環(huán)氧瀝青,分別對稱好質(zhì)量的日本環(huán)氧粘結(jié)劑A、B組分進(jìn)行加熱并攪拌,使其溫度升至120℃,將已升至要求溫度的A、B組分混合,然后加到相應(yīng)質(zhì)量的基質(zhì)瀝青中,在120℃下用高速攪拌試驗(yàn)儀攪拌3~5分鐘,使其混合均勻,制備成日本環(huán)氧瀝青。
1)拉剪試驗(yàn)
對于國產(chǎn)環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青,稱量2.5g制備好的120℃下的不同比例的環(huán)氧瀝青,均勻涂抹于潔凈的鋼板表面,然后迅速與另一塊鋼板粘結(jié)在一起,并長寬對齊,用膠帶纏繞固定成型試件,防止瀝青在高溫下溢流。試件成型后,將其放入60℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化24h,然后將溫度升至120℃繼續(xù)養(yǎng)生12h。
對于日本環(huán)氧粘結(jié)劑(常溫下的日本環(huán)氧粘結(jié)劑),稱量2.5g制備好的不同比例的環(huán)氧粘結(jié)劑,均勻涂抹于潔凈的鋼板表面,然后迅速與另一塊鋼板粘結(jié)在一起,并長寬對齊,用膠帶纏繞固定成型試件,防止粘結(jié)劑溢流。試件成型后,將其放入40℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化養(yǎng)生48h。
圖1 拉剪試驗(yàn)試模
養(yǎng)生結(jié)束后,即可將試件放在所需要的試驗(yàn)溫度(20℃ ±1℃)下保溫4h,保溫結(jié)束后,將試件置于萬能拉力機(jī)上進(jìn)行拉剪試驗(yàn),拉剪速率為5mm/min,記錄試件破壞時(shí)的最大荷載。拉剪強(qiáng)度按式(1)計(jì)算:
式中:P——拉剪強(qiáng)度,MPa;
F——最大荷載,N;
A——剪切面積,mm2。
試驗(yàn)結(jié)果取3位有效數(shù)字,并以四個(gè)試件的算術(shù)平均值表示。
2)拉拔試驗(yàn)
對于國產(chǎn)環(huán)氧瀝青和日本環(huán)氧瀝青,稱量4g制備好的120℃下的不同比例的環(huán)氧瀝青,均勻涂抹于潔凈的直徑為50mm的鋼板拉拔頭表面,然后迅速與另一直徑為50mm的拉拔頭粘在一起,上下對齊并用膠帶纏繞固定,以成型試件。試件成型后,將其放入60℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化24h,然后將溫度升至120℃繼續(xù)養(yǎng)護(hù)12h。
對于日本環(huán)氧粘結(jié)劑,稱量4g制備好的常溫下的不同比例的環(huán)氧粘結(jié)劑,均勻涂抹于潔凈的直徑為50mm的鋼板拉拔頭表面,然后迅速將另一直徑為50mm的拉拔頭粘在該拉拔頭上,上下對齊并用膠帶纏繞固定,以成型試件。試件成型后,將其放入40℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中預(yù)固化養(yǎng)生48h。
圖2 拉拔試驗(yàn)試模
養(yǎng)生結(jié)束后,即可將試件放在所需要的試驗(yàn)溫度(20℃ ±1℃)下保溫4h,保溫結(jié)束后,將試件置于裝有專用拉拔器具的萬能拉力機(jī)上進(jìn)行拉拔試驗(yàn),拉拔速率為5mm/min,記錄試件破壞時(shí)的最大荷載。拉拔強(qiáng)度按式(2)計(jì)算:
式中:P——拉拔強(qiáng)度,MPa;
F——試件最大荷載,N;
A——試件斷面面積,mm2。
試驗(yàn)結(jié)果取3位有效數(shù)字,并以四個(gè)試件的算術(shù)平均值表示。
根據(jù)上述環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的制備方法及鋼板間拉剪和拉拔試驗(yàn)方法,進(jìn)行防水粘結(jié)材料在不同組分比例下的拉剪和拉拔試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下。
(1)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青組分比例的選擇
采用上述試驗(yàn)方法,分別進(jìn)行不同組分比例下國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的拉剪及拉拔試驗(yàn),得出國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青在不同組分比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度,如圖3所示。
圖3 國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A、B組分不同比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖
由圖3可見,國產(chǎn)HLN-7611型環(huán)氧瀝青拉剪強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化存在一個(gè)峰值,兩組分比例(B:A)在7.2~7.8之間時(shí),拉剪強(qiáng)度變化不大,且B:A為7.6時(shí)拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值1.73MPa。同時(shí),國產(chǎn)HLN-7611型環(huán)氧瀝青的鋼板拉拔強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化也存在一個(gè)峰值,即B:A為7.6時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值3.77MPa。因此,根據(jù)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青拉剪和拉拔強(qiáng)度的變化規(guī)律,可確定A組分:B組分=1:7.6為國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的最佳配比。
綜合國產(chǎn)環(huán)氧瀝青的拉剪強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)國產(chǎn)環(huán)氧瀝青A組分與B組分之比為1:7.6時(shí),拉剪及拉拔強(qiáng)度均達(dá)到最大值。其原因?yàn)?對于一定量的A組分,需要適量的B組分,才能使其充分固化;當(dāng)B組分的量大于或者小于該定量時(shí),均會對固化反應(yīng)有不利影響。故A組分:B組分=1:7.6為國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的最佳配比。
(2)日本環(huán)氧粘結(jié)劑組分比例的選擇
采用上述試驗(yàn)方法,分別進(jìn)行不同組分比例下日本環(huán)氧粘結(jié)劑的拉剪及拉拔試驗(yàn),得出日本環(huán)氧粘結(jié)劑在不同組分比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度,如圖4所示。
圖4 日本環(huán)氧粘結(jié)劑A、B組分不同比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖
由圖4可見,日本環(huán)氧粘結(jié)劑拉剪強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化先增大后減小,存在一個(gè)峰值,在B:A為1.0時(shí)拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值3.55MPa。同時(shí),日本環(huán)氧粘結(jié)劑的鋼板拉拔強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化趨勢與拉剪強(qiáng)度基本相同,在B:A為1.0時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值4.35MPa。因此,根據(jù)日本環(huán)氧粘結(jié)劑拉剪和拉拔強(qiáng)度的變化規(guī)律,確定日本環(huán)氧粘結(jié)劑的A組分環(huán)氧樹脂與B組分固化劑的最佳配比為1:1。
綜合日本環(huán)氧粘結(jié)劑的鋼板間拉剪強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)日本環(huán)氧粘結(jié)劑A組分與B組分之比為1:1時(shí),拉剪及拉拔強(qiáng)度均達(dá)到最大值。因?yàn)?,對于一定量的環(huán)氧樹脂,需要適量的固化劑,才能使其充分固化,形成性能優(yōu)良的材料;B組分含量多于或者低于最佳比例對應(yīng)的含量,均會對固化后生成的材料性能有消極影響。只有A、B兩組分的比例適當(dāng),才能使制備的環(huán)氧粘結(jié)劑達(dá)到性能最佳。故A組分:B組分=1:1為日本環(huán)氧粘結(jié)劑的最佳配比。
(3)日本環(huán)氧瀝青組分比例的選擇
采用上述試驗(yàn)方法,分別進(jìn)行不同組分比例下日本環(huán)氧瀝青的拉剪及拉拔試驗(yàn),得出日本環(huán)氧瀝青在不同組分比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度,如圖5所示。
圖5 日本環(huán)氧瀝青A、B組分不同比例下的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度關(guān)系圖
由圖5可見,日本環(huán)氧瀝青拉剪強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化先增大后減小,存在一個(gè)峰值,在B:A為1.0時(shí)拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大值2.73MPa。同時(shí),日本環(huán)氧瀝青的鋼板拉拔強(qiáng)度隨著A、B組分比例的變化趨勢與拉剪強(qiáng)度相同,也存在一個(gè)峰值,即B:A為1.0時(shí)拉拔強(qiáng)度達(dá)到最大值4.01MPa。
綜合日本環(huán)氧瀝青的鋼板間拉剪強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)日本環(huán)氧瀝青A組分與B組分之比為1:1時(shí),拉剪及拉拔強(qiáng)度均達(dá)到最大值。A組分環(huán)氧樹脂和B組分固化劑比例不同,所制備的環(huán)氧瀝青性能也各不相同,且相差較大,只有A、B兩組分的比例適當(dāng),才能使制備的環(huán)氧瀝青達(dá)到性能最佳。對于一定量的基質(zhì)瀝青,需要加入適量的環(huán)氧樹脂和固化劑,才能使其充分固化,生成性能優(yōu)良的熱固性材料。因此,確定日本環(huán)氧瀝青的最佳配比為:A組分環(huán)氧樹脂與B組分固化劑的比例為1:1且環(huán)氧樹脂和固化劑之和與基質(zhì)瀝青的比例為1:1。
采用上述試驗(yàn)方法,同時(shí)進(jìn)行SBS改性瀝青的鋼板間拉剪和拉拔試驗(yàn),各防水粘結(jié)材料的最佳拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度如圖6所示。
由圖6可見,三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的鋼板間拉剪和拉拔強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青,且三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的拉剪和拉拔強(qiáng)度大小依次為:日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青和國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青,其中國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青的拉剪強(qiáng)度分別比日本環(huán)氧粘結(jié)劑和日本環(huán)氧瀝青降低約51%和37%,拉拔強(qiáng)度分別比日本環(huán)氧粘結(jié)劑和日本環(huán)氧瀝青降低約13%和6%,相差較小;日本環(huán)氧瀝青的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度分別比日本環(huán)氧粘結(jié)劑降低約23%和8%。
圖6 各防水粘結(jié)材料的拉剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度比較關(guān)系圖
環(huán)氧基防水粘結(jié)材料與SBS改性瀝青的拉剪和拉拔強(qiáng)度之間存在很大差異,因?yàn)榄h(huán)氧基防水粘結(jié)材料為熱固性材料,SBS改性瀝青為熱塑性材料,而熱固性材料所能承受的破壞荷載大于熱塑性材料所能承受的荷載。
三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料之間性能存在差異,是因?yàn)槿N材料所采用的環(huán)氧樹脂和固化劑種類不同,分子內(nèi)化學(xué)鍵作用力不同,經(jīng)固化反應(yīng)后生成的固化產(chǎn)物性能也存在差異,且日本環(huán)氧粘結(jié)劑不摻加瀝青,環(huán)氧樹脂與固化劑能夠充分固化反應(yīng),而另兩種材料中均需加入瀝青,瀝青的存在可能會對固化反應(yīng)有一定影響,最終造成三種環(huán)氧基材料性能的差異。
本章分別對國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青、日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青等三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料進(jìn)行制備并比較測試其拉剪和拉拔強(qiáng)度性能。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論:
(1)國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青A、B兩組分的最佳比例為1:7.6;日本環(huán)氧粘結(jié)劑A、B兩組分的最佳比例為1:1;日本環(huán)氧瀝青A、B兩組分的最佳比例為1:1,且環(huán)氧樹脂與基質(zhì)瀝青的比例為1:1。
(2)鋼板間拉剪和拉拔強(qiáng)度優(yōu)劣依次為:日本環(huán)氧粘結(jié)劑、日本環(huán)氧瀝青、國產(chǎn)HLN-7611環(huán)氧瀝青和SBS改性瀝青,且三種環(huán)氧基防水粘結(jié)材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青。
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