水性环氧树脂复合材料在高速公路养护中的应用

刘斯坦，苏小培，张 博

（河南省交通运输发展集团有限公司洛阳分公司,河南洛阳471000）

环氧树脂凭借其良好的热稳定性、化学稳定性、力学性能和加工性能,已在道路、桥梁等工程领域得到了广泛研究与应用[1]。但传统有机溶剂型环氧树脂存在污染环境和危害人体健康的技术缺陷,因此,近年来工程领域对环氧树脂提出了更高的要求,其正朝着高效、节能、生态环保、低挥发性有机化合物的水性化方向发展[2]。水性环氧树脂是通过适当方法,使环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配得的稳定分散体系[3]。它不仅拥有传统有机溶剂型环氧树脂的众多优异性能和特点,还具有较低VOC、施工性好、耐水性好、成本低廉和安全性好等显著特点,已广泛应用于微表处、桥面防水黏结层等工程措施[4]。

1 水性环氧树脂特性

水性环氧树脂是用水作为连续相,以某种方法将环氧树脂分散在水中,以液滴或者微粒形式与水两者混合形成稳定分散的乳液。具有价格低廉、易于储存,且环保性好、易清洗等特点[5]。水性环氧树脂既保留了原有的环氧树脂的特点,又不含空气污染物和挥发性有机化合物从而受到人们广泛关注。

1.1 水性环氧树脂制备方法及优缺点

①化学改性法。又称自乳化法,是将亲水性化学官能团引入环氧树脂分子骨架上,从而具备自乳化能力。常见的亲水官能团有羧基、磷酸基、氨基[6]。化学改性法的优势在于不用外加乳化剂的情况下,使改性环氧树脂分散在水中,得到粒径较小水性环氧乳液,其成膜性、物化性和稳定性均较好,不易发生破乳现象。也是广泛认可的最有效的环氧树脂水性化制备方法。但其合成步骤多、工艺较为复杂、成本较高,致其推广难度较大。

②机械法。是一种用少量的乳化剂制取水性环氧树脂的方法。优点是制备成功的水性环氧乳液价格低廉,制备操作工艺简单。但是由于工艺限制,制备的水性环氧乳液环氧颗粒的分散粒径较大、粒子形状不规则,乳液稳定性较差,成膜性能差。

③相反转法。相反转法是将聚合物从油包水转变成水包油状态的方法,制备的乳液不但性能稳定性且成膜性好,乳液分散相粒径也较小。该方法制取的乳液与采用的表面活性剂存在直接的关系,若选取分子质量低的表面活性剂,则由于其与环氧树脂的相容性较差,制得的乳液稳定性差,有较多的表面活性剂存在,成膜后涂膜的硬度、耐溶剂性等会受到一定影响。

1.2 水性环氧树脂材料特性

水性环氧树脂具有低污染性、健康环保的优势特点,受到广大科研工作者和企业广泛关注,被广泛应用于复合型材料的生产领域。根据目前针对水性环氧树脂的研究,可以将水性环氧树脂材料总结为三大特性：良好的热稳定性、良好的形状自我修复能力和良好的耐腐蚀、抗腐蚀性能。

2 水性环氧树脂复合材料在高速公路养 护中的应用

2.1 水性环氧乳化沥青

乳化沥青作为一种常见的路面修补材料,具有节能减排、降低污染等优点,在沥青路面施工和养护工程中得到了广泛应用。但普通乳化沥青具有黏结能力低、弹性及高温性能差、强度低等缺点,不足以保证修补后的沥青路面具有一定的耐久性。水性环氧树脂分子结构中含有较多的羟基、苯环、醚键、碳-碳键等多个基团,具有多种优良的品质,并且与乳化沥青同属于水性乳液,因此可以用作乳化沥青的改性剂[7]。使用水性环氧树脂对沥青进行改性后具有化学性质稳定、强度极高且热固性良好的性能,广泛应用于公路、桥面等建筑工程的养护中。

在公路的养护过程中,在行车载荷的作用下微表处会受到剪切应力的作用,乳化沥青作为微表处中的主要胶结料,对微表处的使用效果影响较大。若乳化沥青的粘接能力不足,对公路微表处产生的裂缝并不能起到有效的作用,会出现微表处推移、裂纹和飞散坑槽等重大问题[8]。不仅如此,乳化沥青的粘接能力还会影响着微表处与原路面的层间粘结性能[9]。水性环氧树脂的加入会向整个反应体系中引入羧基、羟基、氨基等亲水官能团,与乳化沥青相互作用,同时环氧树脂在固化剂的作用下发生固化反应。然后破乳后的沥青分子规则均匀地分布在由环氧树脂形成的规则空间网状结构中,破乳后的乳化沥青和固结后的环氧树脂分子间作用力由物理键以及化学键提供[10],由此形成了稳定的新的整体。新形成的水性环氧改性乳化沥青使得水性环氧乳化沥青在路面常见的高温剪切所用下也具有高强度和稳定性。水性环氧改性乳化沥青强度增强机理如图1所示[11]。水性环氧乳化沥青强大的路用性能使其在微表处的应用中,不仅可以快速解决路面早期病害,防止原路面发生进一步破坏,延长其服务年限,还可以减少道路养护所需费用,创造更高的经济效益[12]。

图1 水性环氧改性乳化沥青强度形成机理Fig.1 Strength formation mechanism of water-based epoxy modified emulsified asphalt

2.2 水泥水环氧灌缝用浆

水泥-水性环氧灌缝用浆是将水泥和水性环氧树脂为原材料经过一定比例混合调配而成的具有一定粘稠度的浆液,常用于对公路和桥面等水泥基建筑缝隙的填充和修复,以及对建筑工程表面的表层加固处理[13]。对于公路和桥梁等建筑而言,使用水泥水环氧灌缝用浆对表层进行加固处理时,可以减少传统的表层加固处理工艺的干燥步骤,减少施工时间。这种特点在以混凝土等水泥基材料为主体的建筑工程中尤为明显。水泥水环氧灌缝用浆作为继承水性环氧材料亲水性的特点,可以实现在极短的时间里成型并具有较高的强度,且通过对水泥的选择,例如选用超细水泥材料时,可以实现对水泥水环氧灌缝用浆力学性能的调整,有研究表明,控制粒径30μm的成分含量小于 5%且粒径在 6μm 以内的颗粒含量大于 40%时,当其在缝宽小于1mm 的细小裂缝中使用,水泥水环氧灌缝用浆的抗压强度在3天时就可达到25MPa,在28天后可达41MPa,且膨胀率不超过0.05%,是对高速公路缝隙进行填补的理想材料,可能从本质上控制细微裂缝的蔓延与发展[14]。

2.3 水性环氧水泥混凝土

在对水泥混凝土材料的配置过程中,通过减少实际用水的含量,将水性环氧树脂代替缺失的水含量,可以得到早期强度极高的水性环氧水泥混凝土材料。通常而言,水性环氧树脂的添加量在水泥材料的30%左右。水性环氧水泥混凝土材料常用于坑槽和伸缩缝的加固处理中,由于水性环氧水泥混凝土材料的早强极高,所以在对高速公路的坑槽进行加固处理时可以极快恢复正常使用。同时,水性环氧水泥混凝土材料的施工过程的具体工艺流程和普通混凝土材料的加固处理方式几乎没有区别,且通过水性环氧水泥混凝土材料中混凝土材料和水性环氧树脂材料的配比还可实现强度的调控[15]。

2.4 水性环氧水泥稳定基层

对于建筑工程中的整体性基层而言,水性环氧树脂乳液的改性处理可以实现强度的加固,增强其化学稳定性和力学性能的同时达到相对较好的耐水性,保证在长期湿润的工作环境下稳定服役,避免基层的损伤和破坏。这两种特性使得水性环氧水泥稳定基层在雨水较多的区域得到广泛应用,如长三角和珠三角地区。研究人员对水性环氧水泥稳定基层中水性环氧树脂乳液的实际掺入量和基层性能进行了实验,结果表明,随着水性环氧树脂乳液实际掺加量的增大,在一周养护过后,基层材料的无侧限抗压强度有着明显的提高,且密度也有少量的增加,同时,在对材料进行温度浸泡后,发现基层的强度没有明显变化,并未受到多水环境的影响,证明了水性环氧水泥稳定基层良好的耐水性。水性环氧树脂乳液的掺加,无论是在提高强度还是增强耐水性上,都起到了重要作用[16]。

3 结语

水性环氧树脂具有机械强度高、施工安全便捷的特性,在公路养护材料中有着独特的优势,特别是改性后的水性环氧树脂性能更优,水性环氧树脂对乳化沥青和混凝土等水泥基材料的性能指标有着显著的提高,使得道路的抗裂缝发展性能和抗重载车辙性能显著提高。水性环氧树脂是在公路养护工程中充当重要角色的新材料,经过其改性后的新型复合材料具备的优良的高温稳定性、低温抗开裂性、耐磨及防水防腐性,使其在公路养护工作中得到广泛的推广和应用。