水性環氧改性乳化瀝青在瀝青路面養護中的應用研究進展

郭東紅，蔡麗娜

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著我國交通事業的飛速發展，瀝青路面的總里程急速增長，交通量和汽車載重量不斷增加，瀝青路面存在裂縫、車轍等路面損害[1-2]，亟需瀝青路面養護材料，對瀝青路面進行針對性養護。乳化瀝青作為一種優異的瀝青路面養護材料，具有施工簡便、環境友好的特點，但普通乳化瀝青存在黏結強度低、彈性較差的缺點，需要對乳化瀝青進行改性[3]。水性環氧樹脂主要以水分子為分散介質，可以很好地解決環氧樹脂在應用過程中有機溶劑使用的問題，具有環境友好的特性，而且具有黏結強度高、溫度穩定性高、彈性恢復能力強、抗形變能力好等優點，可以彌補普通乳化瀝青黏結度低、強度低等缺點，具有十分重要的研究價值和現實意義，已有研究成果研究了水性環氧改性乳化瀝青的基本原理和基本方法，并初步進行了工程試驗研究。

1 環氧樹脂水性化方法

目前，常用的環氧樹脂水性化方法主要有化學改性法和外加乳化劑乳化法兩種，下面分別對這兩種方法進行介紹。

1.1 化學改性法

化學改性法又叫自乳化法，是目前水性環氧樹脂水性化技術研究的重點和難點，其基本的原理是利用環氧樹脂的環氧基、仲羥基及次甲基上的氫等活性反應基團，將其他的親水性基團或鏈段（如氨基、羧基、酯基）引入到環氧樹脂分子結構中，使環氧樹脂具有親水、親油兩親性，改善其水分散性能，得到水性環氧樹脂溶液或者乳液。圖1以二乙醇胺接枝改性烷氧基為例示意了環氧樹脂化學改性法接枝氨基的基本原理。

圖1 環氧樹脂化學改性法接枝氨基的基本原理示意圖

裴強等[4]利用含有親水性氧化乙烯嵌段的聚乙二醇與E51中的環氧基團發生反應，制備了一種自乳化型非離子水性環氧樹脂乳液，該乳液穩定性能好，與瀝青的配伍性能優異，其固化物有一定強度，且韌性好，解決了一般水性環氧樹脂與乳化瀝青配伍性較差，容易導致分層或破乳的問題。利用馬來酸酐接枝雙酚A型環氧樹脂，在其主鏈上引入親水性-COOH，也可制備出自乳化水性環氧樹脂[5]。通過對反應溶劑、溫度、時間、反應物配比等因素的進一步研究，確定了合成自乳化水性環氧樹脂的最優條件，且所制備的水性環氧樹脂的水分散性能和固化性能優異。周瑩瑩等[6]利用以一定量二乙醇胺與雙酚A型環氧樹脂E-44中進行化學改性，對其中的環氧基進行開環反應，引入親水性基團羥基和氨基，并盡可能環氧基團，制備出了穩定性良好的水性環氧樹脂。進一步的研究表明，環氧樹脂的親水性能與二乙醇胺的用量成正比，而環氧樹脂的粒徑大小與二乙醇胺與環氧基物質的量比成反比，當二乙醇胺與環氧基的物質的量比為0.5∶1時，所制備的環氧樹脂水溶液具有良好的穩定性，該方法可解決環氧樹脂反應性與親水性難以兼得的矛盾，使二者達到合理的平衡。

1.2 外加乳化劑乳化法

一般具有機械法和相反轉法。機械法是指通過直接加入乳化劑，采用高速攪拌、剪切或超聲振蕩等機械法獲得環氧樹脂乳液。該方法制備的乳液粒徑大、分布寬，且穩定性較差。

相反轉法是通過相反轉將聚合物從油包水狀態轉變成水包油狀態，從而提高環氧樹脂的親水性，對環氧樹脂進行乳化得到乳液。李金鳳等[7]以表面活性劑Span-80和十二烷基苯磺酸鈉（SDS）為復合乳化劑，將環氧樹脂E-51用相反轉法乳化成水包油的穩定乳液。進一步研究了環氧樹脂E-51水基乳液穩定性的影響因素和環氧樹脂相反轉乳化的制備工藝，通過得到的乳液穩定性較好，乳液粒子大小均勻、粒徑分布較窄。黃四平[8]采用環氧樹脂E-44和表面活性劑OP-10、聚乙二醇在三乙醇胺的催化下合成水性環氧樹脂乳化劑，然后采用相反轉法，將油包水狀態環氧樹脂轉化成水包油狀態的水性環氧樹脂，進一步研究了水性環氧樹脂乳化劑用量、反應溫度等對水性環氧樹脂乳液粒徑和結構的影響。

相反轉法是一種常用的高分子乳液的制備方法，所制備的乳液粒徑大小均勻，且分布較窄，但其制備過程操作相對復雜，且該方法制備的水乳液一般容易破乳，不能滿足穩定性的需求。

表1針對幾種常見的水性環氧樹脂制備方法從所制備的乳液粒徑大小、儲存穩定性和制備過程中是否需要乳化劑以及制備成本等方面進行了對比，通過表1可以看出，化學穩定法雖然成本較高，但其所制備的乳液粒徑為納米級，且分布均勻，儲存穩定性好，是一種優異的制備水性環氧樹脂的方法。

表1 水性環氧樹脂制備方法的對比

2 水性環氧樹脂改性乳化瀝青的方法

水性環氧樹脂具有熱穩定性好、強度高和黏結力強的優點，而且可在室溫條件下以及潮濕環境中固化，將水性環氧樹脂作為用于乳化瀝青的改性劑，可以提高乳化瀝青的路用性能。

張慶等[9]采用固化劑乳化法制備的水性環氧樹脂對實驗室自制的SBR改性陽離子乳化瀝青進行改性，綜合提高乳化瀝青殘留物的性能，通過改變水性環氧樹脂在乳化瀝青中的摻量調控改性后乳化瀝青的儲存穩定性，通過Image-Pro Plus圖像分析軟件定量化研究水性環氧樹脂改性乳化瀝青的黏附性，提高了乳化瀝青的黏附性。何遠航[10]研究了水性環氧樹脂改性乳化瀝青的制備工藝，根據水性環氧樹脂和乳化瀝青的特點，采用同時乳化和改性的方法制備了水性環氧改性乳化瀝青，研究了乳化過程水溫對乳化效果的影響，確定出合理的剪切時間。環氧樹脂瀝青乳液破乳成膜后，環氧樹脂分子均勻分布且其中的環氧基與羥基碳原子交聯，形成空間網狀結構，瀝青均勻分布在該網狀空間里，使瀝青分子不易收縮，因此，水性環氧樹脂改性乳化瀝青材料與未改性相比，其高溫穩定性、低溫抗裂性和耐久性均有較顯著提高。

3 水性環氧樹脂改性乳化瀝青在瀝青路面養護中的應用

3.1 微表處

水性環氧樹脂的強度高、黏結力強，將其作為改性材料用于微表處技術后可減小微表處抗滑性、抗剝落性的衰減速率，是改善微表處耐久性的有效措施。張慶等[11]利用水性環氧樹脂對微表處混合料進行改性，并設計黏聚力增長試驗和凍融濕輪磨耗試驗，研究了改性后材料強度的發展趨勢和耐久性，結果表明，水性環氧樹脂改性的微表處混合料的強度和耐久性得到顯著改性。何遠航[10]利用水性環氧樹脂改性乳化瀝青的乳化方法、改性機理、制備工藝和儲存穩定性，研究了水性環氧樹脂改性乳化瀝青的配伍性，并研究了水性環氧樹脂改性乳化瀝青微表處的設計方法、路用性能和微表處混合料的施工性能。結果表明，水性環氧樹脂改性劑的摻入能顯著提高乳化瀝青微表處混合料的黏結性能和高低溫性能。

3.2 霧封層

霧封層預養護是路面預防性養護的主要手段之一，具有方便施工、經濟有效的特點，是預防路面早期病害的養護技術。曾德亮等[12]采用水性環氧樹脂改性乳化瀝青制得乳化瀝青霧封層材料，由于環氧樹脂黏結能力強，可有效固結路面松散的集料、使路面的防水抗滲功能明顯提高，表明水性環氧樹脂改性乳化瀝青作為霧封層材料有良好的路用性能。水性環氧樹脂改性乳化瀝青霧封層施工工藝簡單，具有較強的抗水性能和固結松散結合料作用，與普通乳化瀝青相比，提高了防水性及黏附效果，與SBS改性乳化瀝青相比，提高了乳化瀝青的穩定性，是一種有效的預防性養護手段。錢海濤等[13]在分析無錫某縣道的路面現狀的基礎上，將水性環氧乳化瀝青封層技術應用到該縣道的養護工作中，充分利用水性環氧瀝青材料的水性流動及滲透性對瀝青路面的孔隙進行滲透封閉，而且環氧樹脂的固化反應黏結強度高可以起到抗松散老化膠結作用，提高路面的防滲水性能，解決路面的抗松散、老化問題，延緩了路面狀況的進一步惡化，降低了養護費用。

3.3 坑槽及裂縫修補

坑槽、裂縫是常見的瀝青路面病害，是路基路面水損害的主要原因，對路面的平整度和行車舒適度具有嚴重的影響。殷立文[14]采用水性環氧樹脂和乳化瀝青以冷拌的方式制成瀝青混合料或者以霧狀噴灑到路面表面進行瀝青路面的坑槽修補。對不同配比方案試件進行拉拔剪切試驗，結果表明水性環氧乳化瀝青的抗剪強度遠超過純乳化瀝青，而且這種水性環氧乳化瀝青黏結料還具有VOC含量低、使用簡單、無污染、穩定性好、黏結強度強、溫度穩定性好等優點，可有效對瀝青路面的坑槽、車轍等病害進行填補，達到延長道路壽命的目的，而且施工簡單，能在幾小時內開放交通，是一種有效的坑槽修補方法，可用于瀝青路面的養護。

4 展望

綜上所述，環氧樹脂的水性化方法取得了較大的進展，水性化方法相對成熟，但水性環氧樹脂改性乳化瀝青的性能研究和將其應用到瀝青路面養護的研究還有待進一步研究。

a）水性環氧樹脂與乳化瀝青的配伍性、水性環氧樹脂乳液的穩定性以及水性環氧樹脂改性乳化瀝青的性能需要進一步的研究。

b）仍需進一步研究與水性環氧樹脂配套的水性固化劑，并研究固化劑與乳化瀝青的配伍性。

c）水性環氧樹脂改性乳化瀝青需要進一步在瀝青路面養護工程中進行應用，并需要對其進行長期性能監測。

水性環氧樹脂-乳化瀝青體系的基礎研究將進一步推進我國瀝青路面養護技術的發展，對我們交通事業的發展具有重要的意義和深遠的影響。