新型沥青混凝土路面裂缝修复材料的制备及性能研究

摘要

沥青混凝土路面裂缝的修补是我国高等级公路建设过程中急需解决的重大问题。论文以研制出一种高效、环保和可修复沥青混凝土路面裂缝的灌浆材料为目的，同时开展纳米二氧化硅(Nano-SiO2)改性水溶性环氧衣康酸酯(W-EI)以及废弃印刷电路板非金属粉末(W-FR4)改性环氧丙烯酸酯(EA)两种灌浆材料的系统研究。
　　论文首先进行了W-EI的合成研究，探讨了单体配比、助溶剂选择和催化剂种类对合成效果的影响，通过正交试验考察了反应温度、催化剂用量和阻聚剂用量对反应酸值的影响，确定了合成W-EI的最佳化条件:单体环氧基与衣康酸的摩尔比为1∶1.05，乙醇为助溶剂，苄基三乙基氯化铵为催化剂，反应温度110℃，反应时间4h，催化剂用量1.8％（质量百分数，下同），阻聚剂用量0.1％，之后采用中和剂甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)将目标产物中的羧基中和成盐(pH=7.5)。中和之前红外光谱表征证实目标产物为未中和的W-EI。
　　论文还成功制备了Nano-SiO2改性W-EI和W-FR4改性EA两种复合灌浆材料。改性之前，首先采用电导率法对硅烷偶联剂KH-550（3-氨基丙基三乙氧基硅烷）的水解程度进行检测，确定KH-550∶乙醇∶水体积比为1∶15∶4时，水解12 min达到平衡。在此基础上得到了KH-550对Nano-SiO2和W-FR4进行表面处理的最佳工艺条件:首先用0.1 mol/L的NaOH溶液对Nano-SiO2或W-FR4进行润湿，之后加入水解后的KH-550（KH-550的用量相对于改性对象为4％），80℃下超声2h，过滤，90℃下烘干。针对Nano-SiO2改性W-EI复合灌浆材料，考察了含水量、经表面处理的Nano-SiO2用量、引发剂用量、促进剂用量及环境温度对复合材料各项性能的影响，含水量根据实际灌浆对粘度的要求可调至98 mPa·s以下，Nano-SiO2用量为2％，引发剂和促进剂用量可根据灌浆时间的要求而定（可调范围为数分钟至数小时），复合材料固化后具备良好的力学性能(劈裂拉伸强度达3.28 MPa，力延度达35 mm，针入度低至12 mm)。针对W-FR4改性EA复合灌浆材料，首先通过差热分析和粒径分析，确定了W-FR4主要由玻璃纤维和环氧树脂组成。然后研究了W-FR4粒径大小及用量、稀释剂用量对此类复合材料各项性能的影响，确定了W-FR4的粒径范围为0.075～0.106 mm，用量为15％，稀释剂用量可根据实际灌浆粘度需要而定（可调至20.53 mPa·s以下），固化后复合材料的抗压强度达87.28 MPa，劈裂拉伸强度达6.88 MPa。
　　由此可见，Nano-SiO2改性W-EI复合灌浆材料，综合了一般灌浆材料强度高、粘结力强和粘度低等优点。W-FR4改性EA复合灌浆材料，有效地实现了W-FR4的回收利用，同时对EA进行了增强增韧改性。两种灌浆材料均能够很好地应用于沥青混凝土路面裂缝的修补。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 沥青混凝土路面修补概述

1．1．1 沥青路面的裂缝类型及形成原因

1．1．2 沥青路面裂缝修补技术要求

1．1．3 裂缝修补材料性能要求

1．2 化学灌浆材料的研究概况

1．2．1 灌浆及化学灌浆材料基本概念

1．2．2 化学灌浆材料发展历史

1．2．3 高分子化学灌浆材料概述

1．3 聚合物基纳米复合化学灌浆材料研究概况

1．3．1 纳米材料的特性与应用

1．3．2 水溶性环氧树脂研究概况

1．3．3 纳米材料改性聚合物基复合材料

1．4 论文选题的意义、目的及研究内容

1．4．1 论文选题意义

1．4．2 论文选题目的

1．4．3 论文的主要研究内容

2 水溶性环氧衣康酸酯与环氧丙烯酸酯的合成

2．1 水溶性环氧衣康酸酯树脂的合成

2．1．1 合成机理

2．1．2 合成方法及步骤

2．1．3 实验分析与测试

2．2 环氧丙烯酸酯树脂的合成

2．3 实验原料、设备及装置

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 单体配比的确定

2．4．2 助溶剂的确定

2．4．3 催化剂种类对W-EI合成反应的影响

2．4．4 红外谱图分

2．4．5 正交试验

2．4．6 中和剂对W-EI性能的影响

2．4．7 稀释剂对浆液粘度的影响

2．5 本章小结

3 Nano-SiO2的表面处理及W-FR4的组成研究

3．1 硅烷偶联剂对Nano-SiO2表面处理

3．1．1 硅烷偶联剂的作用机理

3．1．2 硅烷偶联剂KH-550水解程度的测定

3．1．3 硅烷偶联剂KH-550对Nano-SiO2的表面处理方法

3．1．4 表面处理后Nano-SiO2红外光谱测定

3．2 W-FR4的组成分析

3．2．1 W-FR4差热分析

3．2．2 W-FR4的粒径分析

3．3 实验原料及设备

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 水解时间对硅烷偶联剂水解效果的影响

3．4．2 处理方法对Nano-SiO2表面处理效果的影响

3．4．3 KH-550处理前后Nano-SiO2红外光谱图分析

3．4．4 差热分析对W-FR4组成的鉴定

3．4．5 粒径对W-FR4形貌的影响

3．5 本章小结

4 粉体改性环氧灌浆材料的制备及性能研究

4．1 复合材料的固化机理及其制备方法

4．1．1 固化机理

4．1．2 Nano-SiO2改性W-EI灌浆材料的制备方法

4．1．3 W-FR4粉末改性EA灌浆材料的制备方法

4．2 实验原料及设备

4．3 复合材料相关力学性能的检测方法

4．3．1 力延度

4．3．2 针入度

4．3．3 劈裂拉伸试验

4．3．4 抗压强度试验

4．4 W-EI灌浆材料体系实验结果与讨论

4．4．1 引发剂、促进剂用量和环境温度对可操作时间与固化时间的影响

4．4．2 含水量对复合材料性能的影响

4．4．3 改性Nano-SiO2用量对复合材料性能的影响

4．5 EA灌浆材料体系实验结果与讨论

4．5．1 W-FR4粒径对复合材料力学性能的影响

4．5．2 未改性W-FR4用量对复合材料力学性能的影响

4．5．3 改性W-FR4用量对复合材料力学性能的影响

4．5．4 稀释剂用量对复合材料粘度及力学性能的影响

4．6 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果目录

致谢