水性环氧改性乳化沥青在沥青路面养护中的应用研究进展

2017-11-09郭东红蔡丽娜

山西交通科技 2017年1期

郭东红，蔡丽娜

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

0 引言

近年来，随着我国交通事业的飞速发展，沥青路面的总里程急速增长，交通量和汽车载重量不断增加，沥青路面存在裂缝、车辙等路面损害[1-2]，亟需沥青路面养护材料，对沥青路面进行针对性养护。乳化沥青作为一种优异的沥青路面养护材料，具有施工简便、环境友好的特点，但普通乳化沥青存在黏结强度低、弹性较差的缺点，需要对乳化沥青进行改性[3]。水性环氧树脂主要以水分子为分散介质，可以很好地解决环氧树脂在应用过程中有机溶剂使用的问题，具有环境友好的特性，而且具有黏结强度高、温度稳定性高、弹性恢复能力强、抗形变能力好等优点，可以弥补普通乳化沥青黏结度低、强度低等缺点，具有十分重要的研究价值和现实意义，已有研究成果研究了水性环氧改性乳化沥青的基本原理和基本方法，并初步进行了工程试验研究。

1 环氧树脂水性化方法

目前，常用的环氧树脂水性化方法主要有化学改性法和外加乳化剂乳化法两种，下面分别对这两种方法进行介绍。

1.1 化学改性法

化学改性法又叫自乳化法，是目前水性环氧树脂水性化技术研究的重点和难点，其基本的原理是利用环氧树脂的环氧基、仲羟基及次甲基上的氢等活性反应基团，将其他的亲水性基团或链段（如氨基、羧基、酯基）引入到环氧树脂分子结构中，使环氧树脂具有亲水、亲油两亲性，改善其水分散性能，得到水性环氧树脂溶液或者乳液。图1以二乙醇胺接枝改性烷氧基为例示意了环氧树脂化学改性法接枝氨基的基本原理。

图1 环氧树脂化学改性法接枝氨基的基本原理示意图

裴强等[4]利用含有亲水性氧化乙烯嵌段的聚乙二醇与E51中的环氧基团发生反应，制备了一种自乳化型非离子水性环氧树脂乳液，该乳液稳定性能好，与沥青的配伍性能优异，其固化物有一定强度，且韧性好，解决了一般水性环氧树脂与乳化沥青配伍性较差，容易导致分层或破乳的问题。利用马来酸酐接枝双酚A型环氧树脂，在其主链上引入亲水性-COOH，也可制备出自乳化水性环氧树脂[5]。通过对反应溶剂、温度、时间、反应物配比等因素的进一步研究，确定了合成自乳化水性环氧树脂的最优条件，且所制备的水性环氧树脂的水分散性能和固化性能优异。周莹莹等[6]利用以一定量二乙醇胺与双酚A型环氧树脂E-44中进行化学改性，对其中的环氧基进行开环反应，引入亲水性基团羟基和氨基，并尽可能环氧基团，制备出了稳定性良好的水性环氧树脂。进一步的研究表明，环氧树脂的亲水性能与二乙醇胺的用量成正比，而环氧树脂的粒径大小与二乙醇胺与环氧基物质的量比成反比，当二乙醇胺与环氧基的物质的量比为0.5∶1时，所制备的环氧树脂水溶液具有良好的稳定性，该方法可解决环氧树脂反应性与亲水性难以兼得的矛盾，使二者达到合理的平衡。

1.2 外加乳化剂乳化法

一般具有机械法和相反转法。机械法是指通过直接加入乳化剂，采用高速搅拌、剪切或超声振荡等机械法获得环氧树脂乳液。该方法制备的乳液粒径大、分布宽，且稳定性较差。

相反转法是通过相反转将聚合物从油包水状态转变成水包油状态，从而提高环氧树脂的亲水性，对环氧树脂进行乳化得到乳液。李金凤等[7]以表面活性剂Span-80和十二烷基苯磺酸钠（SDS）为复合乳化剂，将环氧树脂E-51用相反转法乳化成水包油的稳定乳液。进一步研究了环氧树脂E-51水基乳液稳定性的影响因素和环氧树脂相反转乳化的制备工艺，通过得到的乳液稳定性较好，乳液粒子大小均匀、粒径分布较窄。黄四平[8]采用环氧树脂E-44和表面活性剂OP-10、聚乙二醇在三乙醇胺的催化下合成水性环氧树脂乳化剂，然后采用相反转法，将油包水状态环氧树脂转化成水包油状态的水性环氧树脂，进一步研究了水性环氧树脂乳化剂用量、反应温度等对水性环氧树脂乳液粒径和结构的影响。

相反转法是一种常用的高分子乳液的制备方法，所制备的乳液粒径大小均匀，且分布较窄，但其制备过程操作相对复杂，且该方法制备的水乳液一般容易破乳，不能满足稳定性的需求。

表1针对几种常见的水性环氧树脂制备方法从所制备的乳液粒径大小、储存稳定性和制备过程中是否需要乳化剂以及制备成本等方面进行了对比，通过表1可以看出，化学稳定法虽然成本较高，但其所制备的乳液粒径为纳米级，且分布均匀，储存稳定性好，是一种优异的制备水性环氧树脂的方法。

表1 水性环氧树脂制备方法的对比

2 水性环氧树脂改性乳化沥青的方法

水性环氧树脂具有热稳定性好、强度高和黏结力强的优点，而且可在室温条件下以及潮湿环境中固化，将水性环氧树脂作为用于乳化沥青的改性剂，可以提高乳化沥青的路用性能。

张庆等[9]采用固化剂乳化法制备的水性环氧树脂对实验室自制的SBR改性阳离子乳化沥青进行改性，综合提高乳化沥青残留物的性能，通过改变水性环氧树脂在乳化沥青中的掺量调控改性后乳化沥青的储存稳定性，通过Image-Pro Plus图像分析软件定量化研究水性环氧树脂改性乳化沥青的黏附性，提高了乳化沥青的黏附性。何远航[10]研究了水性环氧树脂改性乳化沥青的制备工艺，根据水性环氧树脂和乳化沥青的特点，采用同时乳化和改性的方法制备了水性环氧改性乳化沥青，研究了乳化过程水温对乳化效果的影响，确定出合理的剪切时间。环氧树脂沥青乳液破乳成膜后，环氧树脂分子均匀分布且其中的环氧基与羟基碳原子交联，形成空间网状结构，沥青均匀分布在该网状空间里，使沥青分子不易收缩，因此，水性环氧树脂改性乳化沥青材料与未改性相比，其高温稳定性、低温抗裂性和耐久性均有较显著提高。

3 水性环氧树脂改性乳化沥青在沥青路面养护中的应用

3.1 微表处

水性环氧树脂的强度高、黏结力强，将其作为改性材料用于微表处技术后可减小微表处抗滑性、抗剥落性的衰减速率，是改善微表处耐久性的有效措施。张庆等[11]利用水性环氧树脂对微表处混合料进行改性，并设计黏聚力增长试验和冻融湿轮磨耗试验，研究了改性后材料强度的发展趋势和耐久性，结果表明，水性环氧树脂改性的微表处混合料的强度和耐久性得到显著改性。何远航[10]利用水性环氧树脂改性乳化沥青的乳化方法、改性机理、制备工艺和储存稳定性，研究了水性环氧树脂改性乳化沥青的配伍性，并研究了水性环氧树脂改性乳化沥青微表处的设计方法、路用性能和微表处混合料的施工性能。结果表明，水性环氧树脂改性剂的掺入能显著提高乳化沥青微表处混合料的黏结性能和高低温性能。

3.2 雾封层

雾封层预养护是路面预防性养护的主要手段之一，具有方便施工、经济有效的特点，是预防路面早期病害的养护技术。曾德亮等[12]采用水性环氧树脂改性乳化沥青制得乳化沥青雾封层材料，由于环氧树脂黏结能力强，可有效固结路面松散的集料、使路面的防水抗渗功能明显提高，表明水性环氧树脂改性乳化沥青作为雾封层材料有良好的路用性能。水性环氧树脂改性乳化沥青雾封层施工工艺简单，具有较强的抗水性能和固结松散结合料作用，与普通乳化沥青相比，提高了防水性及黏附效果，与SBS改性乳化沥青相比，提高了乳化沥青的稳定性，是一种有效的预防性养护手段。钱海涛等[13]在分析无锡某县道的路面现状的基础上，将水性环氧乳化沥青封层技术应用到该县道的养护工作中，充分利用水性环氧沥青材料的水性流动及渗透性对沥青路面的孔隙进行渗透封闭，而且环氧树脂的固化反应黏结强度高可以起到抗松散老化胶结作用，提高路面的防渗水性能，解决路面的抗松散、老化问题，延缓了路面状况的进一步恶化，降低了养护费用。

3.3 坑槽及裂缝修补

坑槽、裂缝是常见的沥青路面病害，是路基路面水损害的主要原因，对路面的平整度和行车舒适度具有严重的影响。殷立文[14]采用水性环氧树脂和乳化沥青以冷拌的方式制成沥青混合料或者以雾状喷洒到路面表面进行沥青路面的坑槽修补。对不同配比方案试件进行拉拔剪切试验，结果表明水性环氧乳化沥青的抗剪强度远超过纯乳化沥青，而且这种水性环氧乳化沥青黏结料还具有VOC含量低、使用简单、无污染、稳定性好、黏结强度强、温度稳定性好等优点，可有效对沥青路面的坑槽、车辙等病害进行填补，达到延长道路寿命的目的，而且施工简单，能在几小时内开放交通，是一种有效的坑槽修补方法，可用于沥青路面的养护。