郭東紅，蔡麗娜

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)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(yǎng)護(hù)材料，對瀝青路面進(jìn)行針對性養(yǎng)護(hù)。乳化瀝青作為一種優(yōu)異的瀝青路面養(yǎng)護(hù)材料，具有施工簡便、環(huán)境友好的特點，但普通乳化瀝青存在黏結(jié)強(qiáng)度低、彈性較差的缺點，需要對乳化瀝青進(jìn)行改性[3]。水性環(huán)氧樹脂主要以水分子為分散介質(zhì)，可以很好地解決環(huán)氧樹脂在應(yīng)用過程中有機(jī)溶劑使用的問題，具有環(huán)境友好的特性，而且具有黏結(jié)強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性高、彈性恢復(fù)能力強(qiáng)、抗形變能力好等優(yōu)點，可以彌補(bǔ)普通乳化瀝青黏結(jié)度低、強(qiáng)度低等缺點，具有十分重要的研究價值和現(xiàn)實意義，已有研究成果研究了水性環(huán)氧改性乳化瀝青的基本原理和基本方法，并初步進(jìn)行了工程試驗研究。

1 環(huán)氧樹脂水性化方法

目前，常用的環(huán)氧樹脂水性化方法主要有化學(xué)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(jìn)行介紹。

1.1 化學(xué)改性法

化學(xué)改性法又叫自乳化法，是目前水性環(huán)氧樹脂水性化技術(shù)研究的重點和難點，其基本的原理是利用環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基、仲羥基及次甲基上的氫等活性反應(yīng)基團(tuán)，將其他的親水性基團(tuán)或鏈段（如氨基、羧基、酯基）引入到環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中，使環(huán)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(huán)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(huán)氧樹脂化學(xué)改性法接枝氨基的基本原理。

圖1 環(huán)氧樹脂化學(xué)改性法接枝氨基的基本原理示意圖

裴強(qiáng)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(huán)氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，制備了一種自乳化型非離子水性環(huán)氧樹脂乳液，該乳液穩(wěn)定性能好，與瀝青的配伍性能優(yōu)異，其固化物有一定強(qiáng)度，且韌性好，解決了一般水性環(huán)氧樹脂與乳化瀝青配伍性較差，容易導(dǎo)致分層或破乳的問題。利用馬來酸酐接枝雙酚A型環(huán)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(huán)氧樹脂[5]。通過對反應(yīng)溶劑、溫度、時間、反應(yīng)物配比等因素的進(jìn)一步研究，確定了合成自乳化水性環(huán)氧樹脂的最優(yōu)條件，且所制備的水性環(huán)氧樹脂的水分散性能和固化性能優(yōu)異。周瑩瑩等[6]利用以一定量二乙醇胺與雙酚A型環(huán)氧樹脂E-44中進(jìn)行化學(xué)改性，對其中的環(huán)氧基進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)，引入親水性基團(tuán)羥基和氨基，并盡可能環(huán)氧基團(tuán)，制備出了穩(wěn)定性良好的水性環(huán)氧樹脂。進(jìn)一步的研究表明，環(huán)氧樹脂的親水性能與二乙醇胺的用量成正比，而環(huán)氧樹脂的粒徑大小與二乙醇胺與環(huán)氧基物質(zhì)的量比成反比，當(dāng)二乙醇胺與環(huán)氧基的物質(zhì)的量比為0.5∶1時，所制備的環(huán)氧樹脂水溶液具有良好的穩(wěn)定性，該方法可解決環(huán)氧樹脂反應(yīng)性與親水性難以兼得的矛盾，使二者達(dá)到合理的平衡。

1.2 外加乳化劑乳化法

一般具有機(jī)械法和相反轉(zhuǎn)法。機(jī)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(jī)械法獲得環(huán)氧樹脂乳液。該方法制備的乳液粒徑大、分布寬，且穩(wěn)定性較差。

相反轉(zhuǎn)法是通過相反轉(zhuǎn)將聚合物從油包水狀態(tài)轉(zhuǎn)變成水包油狀態(tài)，從而提高環(huán)氧樹脂的親水性，對環(huán)氧樹脂進(jìn)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(fù)合乳化劑，將環(huán)氧樹脂E-51用相反轉(zhuǎn)法乳化成水包油的穩(wěn)定乳液。進(jìn)一步研究了環(huán)氧樹脂E-51水基乳液穩(wěn)定性的影響因素和環(huán)氧樹脂相反轉(zhuǎn)乳化的制備工藝，通過得到的乳液穩(wěn)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(huán)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(huán)氧樹脂乳化劑，然后采用相反轉(zhuǎn)法，將油包水狀態(tài)環(huán)氧樹脂轉(zhuǎn)化成水包油狀態(tài)的水性環(huán)氧樹脂，進(jìn)一步研究了水性環(huán)氧樹脂乳化劑用量、反應(yīng)溫度等對水性環(huán)氧樹脂乳液粒徑和結(jié)構(gòu)的影響。

相反轉(zhuǎn)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(fù)雜，且該方法制備的水乳液一般容易破乳，不能滿足穩(wěn)定性的需求。

表1針對幾種常見的水性環(huán)氧樹脂制備方法從所制備的乳液粒徑大小、儲存穩(wěn)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(jìn)行了對比，通過表1可以看出，化學(xué)穩(wěn)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(wěn)定性好，是一種優(yōu)異的制備水性環(huán)氧樹脂的方法。

表1 水性環(huán)氧樹脂制備方法的對比

2 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的方法

水性環(huán)氧樹脂具有熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高和黏結(jié)力強(qiáng)的優(yōu)點，而且可在室溫條件下以及潮濕環(huán)境中固化，將水性環(huán)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(huán)氧樹脂對實驗室自制的SBR改性陽離子乳化瀝青進(jìn)行改性，綜合提高乳化瀝青殘留物的性能，通過改變水性環(huán)氧樹脂在乳化瀝青中的摻量調(diào)控改性后乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性，通過Image-Pro Plus圖像分析軟件定量化研究水性環(huán)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(yuǎn)航[10]研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的制備工藝，根據(jù)水性環(huán)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(huán)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(huán)氧樹脂瀝青乳液破乳成膜后，環(huán)氧樹脂分子均勻分布且其中的環(huán)氧基與羥基碳原子交聯(lián)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青均勻分布在該網(wǎng)狀空間里，使瀝青分子不易收縮，因此，水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青材料與未改性相比，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性均有較顯著提高。

3 水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

3.1 微表處

水性環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)，將其作為改性材料用于微表處技術(shù)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(huán)氧樹脂對微表處混合料進(jìn)行改性，并設(shè)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(qiáng)度的發(fā)展趨勢和耐久性，結(jié)果表明，水性環(huán)氧樹脂改性的微表處混合料的強(qiáng)度和耐久性得到顯著改性。何遠(yuǎn)航[10]利用水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的乳化方法、改性機(jī)理、制備工藝和儲存穩(wěn)定性，研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的配伍性，并研究了水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青微表處的設(shè)計方法、路用性能和微表處混合料的施工性能。結(jié)果表明，水性環(huán)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(jié)性能和高低溫性能。

3.2 霧封層

霧封層預(yù)養(yǎng)護(hù)是路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的主要手段之一，具有方便施工、經(jīng)濟(jì)有效的特點，是預(yù)防路面早期病害的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。曾德亮等[12]采用水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青制得乳化瀝青霧封層材料，由于環(huán)氧樹脂黏結(jié)能力強(qiáng)，可有效固結(jié)路面松散的集料、使路面的防水抗?jié)B功能明顯提高，表明水性環(huán)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(huán)氧樹脂改性乳化瀝青霧封層施工工藝簡單，具有較強(qiáng)的抗水性能和固結(jié)松散結(jié)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(wěn)定性，是一種有效的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段。錢海濤等[13]在分析無錫某縣道的路面現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，將水性環(huán)氧乳化瀝青封層技術(shù)應(yīng)用到該縣道的養(yǎng)護(hù)工作中，充分利用水性環(huán)氧瀝青材料的水性流動及滲透性對瀝青路面的孔隙進(jìn)行滲透封閉，而且環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)黏結(jié)強(qiáng)度高可以起到抗松散老化膠結(jié)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(jìn)一步惡化，降低了養(yǎng)護(hù)費用。

3.3 坑槽及裂縫修補(bǔ)

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(yán)重的影響。殷立文[14]采用水性環(huán)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(jìn)行瀝青路面的坑槽修補(bǔ)。對不同配比方案試件進(jìn)行拉拔剪切試驗，結(jié)果表明水性環(huán)氧乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)超過純?nèi)榛癁r青，而且這種水性環(huán)氧乳化瀝青黏結(jié)料還具有VOC含量低、使用簡單、無污染、穩(wěn)定性好、黏結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可有效對瀝青路面的坑槽、車轍等病害進(jìn)行填補(bǔ)，達(dá)到延長道路壽命的目的，而且施工簡單，能在幾小時內(nèi)開放交通，是一種有效的坑槽修補(bǔ)方法，可用于瀝青路面的養(yǎng)護(hù)。

4 展望

綜上所述，環(huán)氧樹脂的水性化方法取得了較大的進(jìn)展，水性化方法相對成熟，但水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青的性能研究和將其應(yīng)用到瀝青路面養(yǎng)護(hù)的研究還有待進(jìn)一步研究。

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

b）仍需進(jìn)一步研究與水性環(huán)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(huán)氧樹脂改性乳化瀝青需要進(jìn)一步在瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程中進(jìn)行應(yīng)用，并需要對其進(jìn)行長期性能監(jiān)測。

水性環(huán)氧樹脂-乳化瀝青體系的基礎(chǔ)研究將進(jìn)一步推進(jìn)我國瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展，對我們交通事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義和深遠(yuǎn)的影響。