水性環氧樹脂復合材料在高速公路養護中的應用

劉斯坦，蘇小培，張 博

（河南省交通運輸發展集團有限公司洛陽分公司,河南洛陽471000）

環氧樹脂憑借其良好的熱穩定性、化學穩定性、力學性能和加工性能,已在道路、橋梁等工程領域得到了廣泛研究與應用[1]。但傳統有機溶劑型環氧樹脂存在污染環境和危害人體健康的技術缺陷,因此,近年來工程領域對環氧樹脂提出了更高的要求,其正朝著高效、節能、生態環保、低揮發性有機化合物的水性化方向發展[2]。水性環氧樹脂是通過適當方法,使環氧樹脂以微粒或液滴的形式分散在以水為連續相的分散介質中而配得的穩定分散體系[3]。它不僅擁有傳統有機溶劑型環氧樹脂的眾多優異性能和特點,還具有較低VOC、施工性好、耐水性好、成本低廉和安全性好等顯著特點,已廣泛應用于微表處、橋面防水黏結層等工程措施[4]。

1 水性環氧樹脂特性

水性環氧樹脂是用水作為連續相,以某種方法將環氧樹脂分散在水中,以液滴或者微粒形式與水兩者混合形成穩定分散的乳液。具有價格低廉、易于儲存,且環保性好、易清洗等特點[5]。水性環氧樹脂既保留了原有的環氧樹脂的特點,又不含空氣污染物和揮發性有機化合物從而受到人們廣泛關注。

1.1 水性環氧樹脂制備方法及優缺點

①化學改性法。又稱自乳化法,是將親水性化學官能團引入環氧樹脂分子骨架上,從而具備自乳化能力。常見的親水官能團有羧基、磷酸基、氨基[6]。化學改性法的優勢在于不用外加乳化劑的情況下,使改性環氧樹脂分散在水中,得到粒徑較小水性環氧乳液,其成膜性、物化性和穩定性均較好,不易發生破乳現象。也是廣泛認可的最有效的環氧樹脂水性化制備方法。但其合成步驟多、工藝較為復雜、成本較高,致其推廣難度較大。

②機械法。是一種用少量的乳化劑制取水性環氧樹脂的方法。優點是制備成功的水性環氧乳液價格低廉,制備操作工藝簡單。但是由于工藝限制,制備的水性環氧乳液環氧顆粒的分散粒徑較大、粒子形狀不規則,乳液穩定性較差,成膜性能差。

③相反轉法。相反轉法是將聚合物從油包水轉變成水包油狀態的方法,制備的乳液不但性能穩定性且成膜性好,乳液分散相粒徑也較小。該方法制取的乳液與采用的表面活性劑存在直接的關系,若選取分子質量低的表面活性劑,則由于其與環氧樹脂的相容性較差,制得的乳液穩定性差,有較多的表面活性劑存在,成膜后涂膜的硬度、耐溶劑性等會受到一定影響。

1.2 水性環氧樹脂材料特性

水性環氧樹脂具有低污染性、健康環保的優勢特點,受到廣大科研工作者和企業廣泛關注,被廣泛應用于復合型材料的生產領域。根據目前針對水性環氧樹脂的研究,可以將水性環氧樹脂材料總結為三大特性：良好的熱穩定性、良好的形狀自我修復能力和良好的耐腐蝕、抗腐蝕性能。

2 水性環氧樹脂復合材料在高速公路養 護中的應用

2.1 水性環氧乳化瀝青

乳化瀝青作為一種常見的路面修補材料,具有節能減排、降低污染等優點,在瀝青路面施工和養護工程中得到了廣泛應用。但普通乳化瀝青具有黏結能力低、彈性及高溫性能差、強度低等缺點,不足以保證修補后的瀝青路面具有一定的耐久性。水性環氧樹脂分子結構中含有較多的羥基、苯環、醚鍵、碳-碳鍵等多個基團,具有多種優良的品質,并且與乳化瀝青同屬于水性乳液,因此可以用作乳化瀝青的改性劑[7]。使用水性環氧樹脂對瀝青進行改性后具有化學性質穩定、強度極高且熱固性良好的性能,廣泛應用于公路、橋面等建筑工程的養護中。

在公路的養護過程中,在行車載荷的作用下微表處會受到剪切應力的作用,乳化瀝青作為微表處中的主要膠結料,對微表處的使用效果影響較大。若乳化瀝青的粘接能力不足,對公路微表處產生的裂縫并不能起到有效的作用,會出現微表處推移、裂紋和飛散坑槽等重大問題[8]。不僅如此,乳化瀝青的粘接能力還會影響著微表處與原路面的層間粘結性能[9]。水性環氧樹脂的加入會向整個反應體系中引入羧基、羥基、氨基等親水官能團,與乳化瀝青相互作用,同時環氧樹脂在固化劑的作用下發生固化反應。然后破乳后的瀝青分子規則均勻地分布在由環氧樹脂形成的規則空間網狀結構中,破乳后的乳化瀝青和固結后的環氧樹脂分子間作用力由物理鍵以及化學鍵提供[10],由此形成了穩定的新的整體。新形成的水性環氧改性乳化瀝青使得水性環氧乳化瀝青在路面常見的高溫剪切所用下也具有高強度和穩定性。水性環氧改性乳化瀝青強度增強機理如圖1所示[11]。水性環氧乳化瀝青強大的路用性能使其在微表處的應用中,不僅可以快速解決路面早期病害,防止原路面發生進一步破壞,延長其服務年限,還可以減少道路養護所需費用,創造更高的經濟效益[12]。

圖1 水性環氧改性乳化瀝青強度形成機理Fig.1 Strength formation mechanism of water-based epoxy modified emulsified asphalt

2.2 水泥水環氧灌縫用漿

水泥-水性環氧灌縫用漿是將水泥和水性環氧樹脂為原材料經過一定比例混合調配而成的具有一定粘稠度的漿液,常用于對公路和橋面等水泥基建筑縫隙的填充和修復,以及對建筑工程表面的表層加固處理[13]。對于公路和橋梁等建筑而言,使用水泥水環氧灌縫用漿對表層進行加固處理時,可以減少傳統的表層加固處理工藝的干燥步驟,減少施工時間。這種特點在以混凝土等水泥基材料為主體的建筑工程中尤為明顯。水泥水環氧灌縫用漿作為繼承水性環氧材料親水性的特點,可以實現在極短的時間里成型并具有較高的強度,且通過對水泥的選擇,例如選用超細水泥材料時,可以實現對水泥水環氧灌縫用漿力學性能的調整,有研究表明,控制粒徑30μm的成分含量小于 5%且粒徑在 6μm 以內的顆粒含量大于 40%時,當其在縫寬小于1mm 的細小裂縫中使用,水泥水環氧灌縫用漿的抗壓強度在3天時就可達到25MPa,在28天后可達41MPa,且膨脹率不超過0.05%,是對高速公路縫隙進行填補的理想材料,可能從本質上控制細微裂縫的蔓延與發展[14]。

2.3 水性環氧水泥混凝土

在對水泥混凝土材料的配置過程中,通過減少實際用水的含量,將水性環氧樹脂代替缺失的水含量,可以得到早期強度極高的水性環氧水泥混凝土材料。通常而言,水性環氧樹脂的添加量在水泥材料的30%左右。水性環氧水泥混凝土材料常用于坑槽和伸縮縫的加固處理中,由于水性環氧水泥混凝土材料的早強極高,所以在對高速公路的坑槽進行加固處理時可以極快恢復正常使用。同時,水性環氧水泥混凝土材料的施工過程的具體工藝流程和普通混凝土材料的加固處理方式幾乎沒有區別,且通過水性環氧水泥混凝土材料中混凝土材料和水性環氧樹脂材料的配比還可實現強度的調控[15]。

2.4 水性環氧水泥穩定基層

對于建筑工程中的整體性基層而言,水性環氧樹脂乳液的改性處理可以實現強度的加固,增強其化學穩定性和力學性能的同時達到相對較好的耐水性,保證在長期濕潤的工作環境下穩定服役,避免基層的損傷和破壞。這兩種特性使得水性環氧水泥穩定基層在雨水較多的區域得到廣泛應用,如長三角和珠三角地區。研究人員對水性環氧水泥穩定基層中水性環氧樹脂乳液的實際摻入量和基層性能進行了實驗,結果表明,隨著水性環氧樹脂乳液實際摻加量的增大,在一周養護過后,基層材料的無側限抗壓強度有著明顯的提高,且密度也有少量的增加,同時,在對材料進行溫度浸泡后,發現基層的強度沒有明顯變化,并未受到多水環境的影響,證明了水性環氧水泥穩定基層良好的耐水性。水性環氧樹脂乳液的摻加,無論是在提高強度還是增強耐水性上,都起到了重要作用[16]。

3 結語

水性環氧樹脂具有機械強度高、施工安全便捷的特性,在公路養護材料中有著獨特的優勢,特別是改性后的水性環氧樹脂性能更優,水性環氧樹脂對乳化瀝青和混凝土等水泥基材料的性能指標有著顯著的提高,使得道路的抗裂縫發展性能和抗重載車轍性能顯著提高。水性環氧樹脂是在公路養護工程中充當重要角色的新材料,經過其改性后的新型復合材料具備的優良的高溫穩定性、低溫抗開裂性、耐磨及防水防腐性,使其在公路養護工作中得到廣泛的推廣和應用。