水性环氧乳化沥青应用进展

引言

 

目前，中国主要采用SBR胶乳对乳化沥青进行改性，SBR改性沥青具有优良的高温性能、低温性能以及高黏度、难乳化的特点，但使用常规的乳化工艺乳化效果较差，难以得到稳定的改性乳化沥青[1-2]。国内外对改性剂的使用有很多探索，其中使用水性环氧树脂改性乳化沥青(简称水性环氧乳化沥青)是较好的选择之一。水性环氧乳化沥青具有一般热固性材料的特征，固化交联后形成网络结构，胶体弹性高，在荷载反复作用下和在低温或140℃左右的高温条件下不变形、不开裂、不熔融，黏结强度优于普通沥青和SBR改性沥青、橡胶沥青等一般改性沥青。近年来，水性环氧乳化沥青开始在沥青路面黏层、桥面铺装黏结层、白加黑路面黏层、微表处、雾封层、冷拌混合料、储存式混合料和冷再生混合料等方面得到了一定的应用。本文重点阐述水性环氧乳化沥青近年来的应用现状及发展趋势。

 

水性环氧乳化沥青概述

 

水性环氧乳化沥青的组成及特点

 

水性环氧乳化沥青的性能主要取决于水性环氧树脂、固化剂以及乳化沥青的配比。乳化沥青是借助乳化剂和水将基质沥青乳化，使其可在常温下与集料拌和，或用于路面黏层。水性环氧树脂是通过特定的工艺将环氧树脂水化并降低其脆性，最终发挥作用的仍是环氧树脂。未经固化的环氧树脂是热塑性的高分子低聚物，几乎没有多大实用性，只有在加入固化剂生成网络结构之后才能发挥其优良的使用性能。

 

常见的乳化沥青包括阴离子乳化沥青和阳离子乳化沥青。阴离子乳化沥青制备工艺简单、技术成熟，不必调节就可直接使用，在乳化沥青的发展初期受到了重视。阳离子乳化沥青发展较晚，但在实践中发现它与各种矿料有更好的黏附性且用量较少等，因此得到了更广泛的应用。

 

常见的环氧树脂包括缩水甘油醚类、缩水甘油酯类(邻苯二甲酸二缩水甘油酯)、缩水甘油胺类、脂环族环氧树脂、环氧化烯烃类，以及新型的海因环氧树脂、酞亚胺环氧树脂、有机硅环氧树脂、有机铁环氧树脂等。其中以缩水甘油醚类树脂应用最为广泛，具体可分为双酚A型(全称双酚A缩水甘油醚树脂)、双酚F型、双酚S型、氢化双酚A型、酚醛型、脂肪族缩水甘油醚树脂、溴代环氧树脂等类型，又以双酚A型应用最多。

 

常见的固化剂以胺类为主，包括脂肪族多元胺类、芳香族胺类、改性胺类等。脂肪族多元胺类是最早应用的环氧树脂固化剂，具体可分为乙二胺、二乙烯三胺、多乙烯多胺、二甲基氨基丙胺、二乙基丙胺、己二胺、脂环族多胺、异佛尔酮二胺等类型。这种固化剂通常能在室温下很快固化双酚A型环氧树脂，但对缩水甘油环氧树脂以外的其他环氧树脂活性不大。芳香族胺类高温稳定性好，可在100℃~150℃下长期使用，具体可分为间苯二胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二苯基砜、间苯二甲二胺等类型。这类固化剂活性比脂肪族胺类低，且韧性较差，但黏结强度高。改性胺类可以有针对性地对胺类固化剂固化环氧树脂存在的某一方面性能缺陷进行改性，以满足特殊应用领域的特殊要求。环氧基加成改性是胺类固化剂的主要改性方法，例如可提高冲击强度的593型固化剂、可提高韧性的590型固化剂、主要提高耐腐蚀性和韧性的112型固化剂等。此外，常见的固化剂还包括叔胺类、咪唑类、多硫醇类及聚酰胺类、酸酐类等，分别通过加成聚合、阴离子催化聚合及阳离子催化聚合等方式使环氧基开环、聚合、固化。

 

由于环氧树脂及固化剂材料种类不同，因此水性环氧乳化沥青的类型也有多种。选择合适的环氧树脂和固化剂组合形式，对于材料的性能具有较大影响。长安大学的毕研秋指出，环氧树脂的类型对合成材料的韧性有很大影响，因此可根据其韧性大小将其分为刚性环氧树脂和柔性环氧树脂[8]。刚性环氧树脂在固化后更容易出现粉碎性破坏，而柔性环氧树脂则可以承受高于刚性环氧树脂数倍的应变。固化剂的类型对合成材料的强度有很大影响，不同类型的固化剂可以带来数倍的强度差异。此外，环氧树脂和固化剂的选型还应注意相容性的问题，互不相容的环氧树脂和固化剂甚至可能会导致合成材料的强度和韧性同时降低。尽管市场上常见的环氧树脂大都为刚性环氧树脂，且存在脆性大、韧性差等不足，但在科技日异进步的今天，通过对环氧树脂低聚物的化学改性及新型固化剂的选用，有希望在很大程度上对其加以克服与改进。

 

水性环氧乳化沥青的制备方法

 

在制备水性环氧乳化沥青之前需要制备水性环氧树脂乳液。环氧树脂本身不具有水溶性，无法与水互溶形成乳液，一般的思路是通过在环氧树脂中引入亲水基团或者使用外加乳化剂以及降低环氧树脂粒径等途径来实现环氧树脂与水的互溶。水性环氧树脂乳液的制备方法有机械法、化学改性法和相反转法。研究表明，相对于机械法和化学改性法，相反转法的制备工艺容易控制，并且制备的乳液稳定性好、固体含量高、黏度低，是制备水性环氧树脂乳液较为有效的方法。在使用相反转法制备水性环氧树脂乳液时，搅拌速度宜控制在1000±50r·min－1。在制备好水性环氧树脂乳液之后，即可采用先乳化后改性、先改性后乳化、同时乳化和改性3种方法制备水性环氧乳化沥青。使用这3种方法制备出的改性乳化沥青并没有明显的优劣差异，但先乳化后改性的工艺流程比较简单，因此应用较多。

 

环氧树脂、固化剂选型实例及应用效果

 

2006年，广东工业大学的张荣辉公开了一种水性环氧乳化沥青的选型及制作方法，通过双酚A型环氧树脂与水性环氧氯丙烷的反应，制备得到水性环氧树脂E44，并采用改性的芳香族类胺作为固化剂得到水性环氧乳化沥青。这种水性环氧乳化沥青具有良好的黏结性能且强度高，与普通乳化沥青相比，能更好地满足沥青道路使用性能。

 

2010年，重庆融极环保工程有限公司指出，广东工业大学张荣辉使用的芳香族类胺是市面上常见的一种离子型水性环氧固化剂，这种固化剂的使用将导致离子的产生，并影响水性环氧乳化沥青的延性。为克服上述问题，重庆融极环保工程有限公司公开了一种方法，其关键是合成一种非离子型水性环氧固化剂。这种固化剂是在一种侧链含有较长的烷基链的双环氧基化合物的两端被脂肪胺封端，接上了具有固化效果的氨基；且该固化剂中间含有较长的柔性分子链，固化之后，使得水性环氧乳化沥青具有一定柔韧性和耐冲击性。为克服同样的问题，东莞市东物合成材料有限公司公开了另一种方法：将二酚基丙烷缩水甘油醚树脂与含量为3%~8%的非离子型表面活性剂烷基酚聚环氧乙烷混合，制成水性环氧树脂乳液；用非离子型表面活性剂烷基酚聚环氧乙烷将壬基酚封端的聚氨脂树脂进行乳化，制成水性环氧树脂增韧剂；两者相混合配制成乳化柔性水性环氧树脂。

 

2011年，重庆特铺路面工程技术有限公司指出，双酚A型环氧树脂和芳香胺固化剂中含有大量刚性苯环基团，所制备的水性环氧乳化沥青呈现硬而脆的属性，柔韧性很低，甚至不如沥青，因而在荷载作用下容易脆裂，产生新的病害。为克服上述问题，有单位开发了一种基于聚氨酯环氧树脂和改性脂肪胺固化剂的水性环氧乳化沥青，目的是在环氧树脂中引入聚氨酯链段，赋予固化产物良好的柔韧性，并克服水性环氧乳化沥青高温易软化、低温易开裂的缺点。山西省交通科学研究院和山西交科公路勘察设计院使用了类似的方案，基于GEM型水性环氧树脂和GCA型固化剂制备水性环氧乳化沥青，从而在复合物中引入聚氨醋链段，不仅增加了体系的韧性，避免了单一使用水性环氧树脂而易脆裂的现象，而且其耐磨性也显著提高。

 

摘录了几种典型的环氧树脂及固化剂选型方法，以便读者快速了解水性环氧乳化沥青的组成及选型现状。

 

水性环氧乳化沥青应用进展

 

水性环氧乳化沥青作为道路材料已在沥青路面黏层、桥面铺装黏结层、白加黑路面黏层、雾封层中得到应用。以下针对这4种工程应用及其效果进行介绍。

 

在沥青路面黏层中的应用

 

层间结合状况是引起路面早期破坏的主要原因之一。路面结构层表面在经过碾压之后达到了相对密实、平整甚至平滑的状态，所以在层间结合面上的摩擦阻力降低幅度比较大，其强度就转化为对黏层油黏结能力的依赖。目前广泛应用的乳化沥青、改性乳化沥青黏层材料的黏结能力比较差，往往达不到将上下沥青结构层黏结成整体的效果，而水性环氧乳化沥青的应用则有望克服这一问题。

 

长安大学的陈忠达课题组通过室内剪切试验和拉拔试验发现，水性环氧乳化沥青的性能仅次于环氧沥青，且明显优于高黏沥青和SBS改性沥青。对试验工程的芯样性能进行检测后发现：在标准轴载作用下，抗剪强度值可达1MPa以上，远大于可能出现的剪应力，故水性环氧乳化沥青可以作为一种优良的新型路用黏层材料。水和温度对黏层材料性能有较大影响，在浸水和高温条件下黏层材料各方面性能均会下降；但水性环氧乳化沥青在耐水和耐高温性能方面明显优于普通乳化沥青及常用的SBS改性乳化沥青。因此，黏结性能、耐水性能、耐高温性能出色的水性环氧乳化沥青成为沥青路面黏层材料的理想选择。

 

在桥面铺装黏结层中的应用

 

桥面铺装黏结层破坏是导致桥面铺装病害的一个主要原因，因而桥面铺装黏结的好坏直接影响行车的安全性、舒适性，甚至桥梁的使用寿命。工程实践发现，目前常用的SBR改性沥青的黏结性较差，容易导致桥面铺装结构层间滑移破坏[17]。

 

长安大学的陈忠达课题组通过室内剪切试验和拉拔试验发现，桥面铺装水性环氧乳化沥青黏结层具有较大的抗剪强度和抗拔强度，同时具有较好的抗剪切疲劳性能[18]。在洒布水性环氧乳化沥青之后，层间界面将黏附大量沥青混合料细颗粒，可见水性环氧乳化沥青黏层材料具有很强的黏附性，是桥面铺装黏层的理想材料。

 

在白加黑路面黏层中的应用

 

在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层(简称白加黑路面)，其层间抗剪性能的好坏与路面的使用寿命有直接的关系，界面处理形式及黏层材料的选择是影响白加黑路面结构层间抗剪强度最重要的2个因素。因此，选用高黏结力的黏层材料是延长白加黑路面结构使用寿命的关键之一。

 

长安大学的陈忠达课题组针对旧水泥混凝土路面加铺沥青面层开展了水性环氧乳化沥青的应用研究：分别采用水性环氧乳化沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青做白加黑路面黏层，进行层间剪切试验和复合梁疲劳试验；发现水性环氧乳化沥青的抗剪强度可达SBS改性沥青的2倍以上；在相同应力比时，水性环氧乳化沥青白加黑路面黏层的复合梁试件疲劳次数远大于橡胶沥青和SBS改性沥青的疲劳次数。

 

在雾封层中的应用

 

由于雾封层厚度较薄，原路面裂缝等缺陷很容易反射到封层表面，因此如何提高雾封层的强度和磨耗性能就成为雾封层技术的研究重点，通过改性乳化沥青而提高性能并应用于雾封层的研究已逐渐受到重视。

 

陈俊宇通过磨耗试验发现，水性环氧乳化沥青雾封层表面的磨耗性能比传统雾封层要高出数倍。曾德亮通过渗水试验发现，水性环氧乳化沥青明显提高了雾封层防水抗渗的效果。曾德亮通过黏结强度试验发现，水性环氧乳化沥青的黏结强度高出乳化沥青10倍，可以有效固结路面松散的细集料，实现预防性养护的目的。曾德亮通过试验路工程发现，水性环氧乳化沥青雾封层材料施工方便，在改善路面抗水损害性能、固结松散结合料方面效果明显。

 

水性环氧乳化沥青混合料应用进展

 

水性环氧乳化沥青可作为结合料在常温下与集料拌和，并应用于微表处、冷拌混合料、储存式混合料和冷再生混合料中。以下针对这4种工程应用及其效果进行介绍。

 

在微表处中的应用

 

微表处能改善路面抗滑性、封堵微细裂缝、处治轻微车辙，显著改善原路面的综合使用性能；但是一些微表处工程在开放交通不久，由于其使用的乳化沥青黏结力较差，使得微表处在实施1~3年后各项性能迅速衰减，出现不同程度的松散以及抗滑性能衰减的早期损坏现象。若掺入水性环氧树脂，形成水性环氧乳化沥青，则有利于大幅度改善乳化沥青的黏结力，防止微表处早期损坏。

 

张庆和李兴富通过磨耗试验发现，随着水性环氧树脂用量的增加，微表处混合料的冻融湿轮磨耗比显著提高，明显优于SBR改性乳化沥青微表处，说明水性环氧乳化沥青对微表处混合料的耐久性具有提升作用。张庆通过标准飞散试验和浸水飞散试验发现，水性环氧乳化沥青能够提高微表处混合料的抗松散能力，且环氧树脂用量越多效果越为明显。王端宜通过加速加载试验发现，水性环氧乳化沥青的应用可以有效提高微表处的抗剥落性，减小其抗滑性和抗剥落性的衰减速率，延长使用寿命。

 

尽管水性环氧乳化沥青微表处混合料在抗紫外老化和低温抗裂性能方面仍存在不足，但可以通过复配其他材料加以改善。例如掺加Gd2O3纳米抗紫外剂可以提高其抗紫外老化能力，复配SBR胶乳或者掺入玻璃纤维可以使微表处混合料的高低温性能得以协调改善。

 

在冷拌混合料中的应用

 

由于乳化剂的破坏作用及水分的介入，导致传统的SBR、SBS改性乳化沥青冷拌混合料具有空隙率大、黏结强度低等问题，相对于现有热拌沥青混合料还有一定的差距，无法适应中国的交通水平。此外，传统的改性乳化沥青冷补混合料黏结性较差、强度成型慢、早期强度低，且成型强度相比于热拌沥青混合料也大打折扣，因此并没有大范围推广使用。水性环氧乳化沥青冷拌混合料作为一种新型高性能混合料，结合了乳化沥青常温施工及水性环氧树脂黏结性强的优点，有望克服上述问题。

 

惠丹丹、毕研秋、杨松和房增耀分别通过研究发现，水性环氧乳化沥青冷拌混合料的稳定度、流值、动稳定度均满足规范要求，且远远高于乳化沥青混合料及热拌沥青混合料；但随着水性环氧树脂掺量的增大，水性环氧乳化沥青冷拌混合料的低温性能有所下降，若掺入少量的SBS，可以有效改善其低温性能，但是会使稳定性下降，乳化变得困难。

 

在储存式混合料中的应用

 

储存式混合料是将一定级配的集料与适量的特制结合料及添加剂在常温下预先拌好，并袋装密封储存的一种路面养护材料。当发现路面上出现坑洞时，随时将储存式混合料运到现场使用，具有节省能源、运输施工方便等优点，可以实现及时的冷态修补。长安大学的陈忠达课题组针对水性环氧乳化沥青储存式混合料的性能进行研究，发现水性环氧乳化沥青储存式混合料初始强度在储存期间表现为先增长后降低的趋势。在前30d内，处于初始强度较高的性能稳定期，且可达到SBS改性沥青混合料初始强度的1.5倍以上。在30d之后，初始强度逐渐下降，这是由于在储存过程中时间越长水分散失越大，击实性越差。在60d之后，水性环氧乳化沥青储存式混合料的性能下降较为明显，此时的初始强度与SBS改性沥青混合料基本持平。

 

长安大学的陈忠达课题组指出，水性环氧乳化沥青储存式混合料在储存过程中性能的衰变主要是由水分的散失所致。对于储存后期的水性环氧乳化沥青储存式混合料，由于其水分损失过大，导致强度降低、压实性变差，不宜直接用于路面修补。在混合料施工拌和时加入一定量的水分可以改善其施工性能并提高混合料的强度，如图3所示；但是加水量不宜过大，以防水性环氧乳化沥青黏附性降低以及沥青和细料流失。

 

在冷再生混合料中的应用

 

乳化沥青作为冷再生稳定剂已被广泛使用在路面再生中。然而，因为乳化沥青黏度偏低、乳化沥青冷再生混合料强度不够等缺点，已经通车的再生路面普遍出现了早期强度低、耐久性差等问题。用水性环氧乳化沥青改善冷再生沥青混合料的使用性能已成为新的趋势。

 

李亚菲通过研究发现：相比于普通乳化沥青冷再生混合料，水性环氧乳化沥青冷再生混合料早期强度可以提高将近1倍，可见掺加水性环氧树脂显著提高了乳化沥青冷再生混合料的早期强度。需要注意的是，水性环氧乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性能与抗疲劳性能稍有下降，仍有待进一步研究。

 

试验工程及应用效果

 

水性环氧乳化沥青黏层的应用及其效果

 

长安大学的陈忠达课题组在抚吉高速公路沥青路面工程中铺筑了水性环氧乳化沥青黏层试验路段，取得了较好的应用效果。可以看出，试验工程芯样的层间抗剪强度略小于室内试件的强度，这主要是由于实际施工环境受到了降雨等不利因素的影响。即使如此，其层间抗剪强度和抗拔强度仍明显优于SBS改性沥青，足以满足路用要求。

 

水性环氧乳化沥青微表处的应用及其效果

 

北京建筑大学的常卫平在富砚高速公路沥青路面工程中铺筑了水性环氧乳化沥青微表处试验路段，开放交通后路面状况良好，如图5所示。若在路基段铺筑微表处，仅需养生5d即可开放交通；但在隧道段铺筑微表处，由于湿度大、温度低，需要养生1个月才能开放交通。此外，由于现有工程使用阳离子乳化沥青较多，故需提前用Na(OH)2溶液对微表处摊铺车的沥青罐进行冲刷清洗。

 

结语

 

(1)水性环氧树脂及固化剂材料类型繁多，其选型及相容性对水性环氧乳化沥青及其混合料的强度和韧性具有重要影响。部分研究根据韧性强弱将环氧树脂划分为刚性和柔性2种类型，研究结果在实践中已经初步得到验证。但是，固化剂如何选型以及如何判断不同类型的环氧树脂和固化剂是否相容仍然有待研究。

 

(2)目前水性环氧乳化沥青的制备大都局限于使用缩水甘油醚类环氧树脂、脂肪族多元胺类固化剂和芳香族胺类固化剂，且存在脆性大、韧性差等不足。需要通过对环氧树脂低聚物的化学改性或新型固化剂(如改性胺类固化剂)的选用等方面的研究，提高水性环氧乳化沥青的低温性能。

 

(3)由于水性环氧乳化沥青自身优异的黏结能力，在沥青路面黏层、桥面铺装黏结层和白加黑路面黏层中的应用较为成功，但在抗紫外老化和低温抗裂性能方面存在不足，在微表处、冷拌混合料、储存式混合料和冷再生混合料等养护方面的应用仍有待进一步研究。

 

(4)目前水性环氧乳化沥青和水性环氧乳化沥青混合料已经在试验工程中得到一些初步的应用，但仅进行了通车之后的效果评价，建议后续的研究进行长期监测，以评价其耐久性和耐老化性能。