環氧樹脂在公路工程中的應用研究綜述

郝鵬舉 伍思豫 向 豪 趙 曦 曹軍生 邢明亮 劉建峰 蘇 丹

(1.山西交通養護集團有限公司 太原 030001;2.長安大學材料科學與工程學院 西安 710064;3.陜西省交通規劃設計院有限公司 西安 710065;4.西安公路研究院 西安 710065)

0 引言

環氧樹脂是指分子中含有兩個以上環氧基團的聚合物總稱,一般而言,環氧樹脂難以單獨使用,需與固化劑反應形成三維網絡結構以后使用,其固化產物具有力學強度高,耐化學腐蝕性強,固化收縮率低,成型壓力小,固化溫度范圍寬,交聯密度可控以及與多種基材粘接性良好等優點,廣泛應用于公路工程領域[1-2]。目前,環氧樹脂已在橋面鋪裝體系、公路預防性養護、矯正性養護以及彩色路面鋪筑等多個領域中得到應用[3]?；诖?本文對環氧橋面鋪裝層及粘結層、環氧微表處與霧封層、環氧抗滑表層以及環氧路面修補等方面的研究成果及應用現狀加以分析總結,以期為環氧樹脂材料在公路工程中的進一步推廣應用提供參考。

1 環氧樹脂在橋面鋪裝體系中的應用

橋面鋪裝是橋梁建設中的重要環節,對于橋面服役性能具有重要影響。然而,由于鋼橋面本身結構的特點,其鋪裝層受力和變形情況較普通路面更為復雜,加之存在重載及超載現象,因此常采用高強度、耐腐蝕的環氧材料作為橋面鋪裝材料,以保證行車質量及使用壽命。此外,環氧的高粘接性也使其成為橋面鋪裝結構中防水粘層的常用材料[4]。圖1為環氧橋面鋪裝圖。

圖1 環氧橋面鋪裝

1.1 橋面鋪裝層

研究顯示:采用環氧瀝青混凝土鋪裝橋面,鋼面板剛度大,瀝青層強度高,即使在長期車載作用下,橋面亦很少出現車轍[5]。

李云江等[6]采用環氧樹脂+高粘改性SMA復合體系進行橋面鋪裝,該體系主要由鋼箱梁頂板+1cm的環氧薄層+環氧粘層+4cm厚的高粘改性瀝青SMA組成,所選環氧樹脂具有與鋼橋面結構粘結力優異且低溫柔韌性良好的特點。通過環氧樹脂的拉拔與拉剪試驗,高粘改性SMA混合料性能測試以及鋪裝結構斜剪試驗、拉拔試驗、低溫彎曲試驗以及疲勞試驗,對復合體系性能進行評價。結果表明,該環氧+高粘改性SMA體系性能良好,推廣前景較好。

彭政瑋[7]在現有橋面用環氧樹脂瀝青鋪裝層研究結果的基礎上,利用Abaqus對石首長江大橋鋪裝層進行有限元分析,通過對鋪裝層在不同厚度、模量以及荷載條件下的受力分析,并結合相關試驗結果表征環氧瀝青鋪裝層的路用性能。結果表明,采用下層EA+上層改性SMA雙層體系進行橋面鋪裝,其高溫性能、力學強度及其與鋼橋面的粘性性能俱佳。此外,對該體系的施工工藝提出要求,主要包括在施工過程中要保持干燥,施工方式為一次性半幅全斷面攤鋪法,初壓、復壓及終壓溫度分別不低于155℃、110℃及90℃等。

然而,隨著環氧材料的應用,橋面鋪裝層在服役過程中極易形成裂縫且難以自行修復,這限制了環氧瀝青混凝土在橋面鋪裝中的進一步應用。因此,改善環氧瀝青混凝土的柔韌性成為一個亟須解決的問題。

1.2 防水粘結層

防水和粘結是鋼橋面鋪裝的核心之一,相關學者進行了大量的研究[8]。蔣夢雅等[9]對添加了水泥的水性環氧改性乳化瀝青混凝土橋面防水粘層材料的微觀結構及其與瀝青及水泥基面的粘結性能進行研究。拉拔試驗結果表明,環氧粘層材料與水泥基體的拉拔強度更大,這是由于環氧材料與水泥界面之間的粘結力不但來自于水泥水化產生的鈣離子的化學鍵合及環氧酯基水解產生的羧基,還依賴于環氧中大量的極性基團緊密吸附于水泥顆粒表面。因此,水性環氧改性乳化瀝青混凝土橋面防水粘層與水泥界面的粘結強度高于瀝青界面。此外,微觀試驗結果顯示,水泥的加入連接了瀝青與環氧,使得環氧樹脂和瀝青形成均勻且互穿的網絡結構。

魯國烽等[10]通過拉拔強度試驗探究了濕度、灰塵含量及刮涂時間對環氧橋面防水粘結層的粘結性能,并得出以下結論:①濕度對拉拔強度不利,在相同刮涂時間的條件下,濕度越大,拉拔強度越低;②刮涂時間不宜過長,在濕度不變的情況下,刮涂越久,拉拔強度越小;③灰塵含量≤10g/m2,否則環氧防水粘層的拉拔強度將大幅度下降。

賴嘉洲[11]采用水性環氧與SBR膠乳對瀝青進行復合改性,制備水性環氧/SBR改性乳化瀝青橋面粘層材料。通過對其蒸發殘留物的拉伸性、針入度指標以及微觀形貌測試,得出以下結論:水性環氧的加入有效提高了SBR改性乳化瀝青的高溫性能和拉伸性能,但由于環氧性脆,致使復合體系的低溫延展性、斷裂伸長率降低。此外,當水性環氧及SBR膠乳的用量分別在6%～8%及4%～8%之間時,所制備的防水粘層材料,其斷裂伸長率及拉伸強度較佳。

何麗紅等[12]針對橋面防水粘層性能不佳的問題,采用常溫共混法研制出一種水性環氧乳化瀝青防水粘層材料,成型了模擬橋面鋪裝結構的復合試件,對其進行拉拔試驗、剪切試驗、水穩試驗及高溫穩定性試驗,并著重對其層間粘結性能進行研究。結果表明,環氧樹脂的加入顯著提高了環氧粘層材料的熱穩定性、水穩定性、拉拔強度和剪切強度;環氧粘層材料的層間粘結強度隨其灑布量的增加呈現先升高后降低的變化趨勢。當水性環氧樹脂的用量為15%、灑布量為0.8 kg/m2時,所制備的防水粘層材料,其層間粘結性最佳且經濟性良好。

總之,環氧樹脂類材料強度高,具有憎水性,是理想的防水材料,其施工效果如圖2所示。然而,在施工過程中,環氧材料對界面水分極其敏感,極易出現粘結強度不足的問題,從而導致橋面出現脫層和開裂。因此,在實際應用中,在保證操作界面干凈、干燥、撒布干燥碎石外,還應在不影響材料強度的情況下提高環氧樹脂材料用量,從而形成較厚的防水層,提高其防水性。

圖2 環氧樹脂粘層

2 環氧樹脂在公路預防性養護中的應用

公路預防性養護是指在路面結構良好,僅路表性能下降的情況下,為恢復路面使用性能、防止路面功能進一步衰減從而影響路面結構所采取的一種周期性養護措施[13]。環氧樹脂具有高強、耐磨、耐腐蝕、耐高溫且粘結性優良的優勢,是公路預防性養護中的常見材料,目前,環氧材料用于公路預防性養護中的途徑主要是微表處、霧封層以及彩色抗滑表層。

2.1 微表處

環氧樹脂微表處技術是指將具有流動性的環氧改性乳化瀝青混合料均勻灑布于路面的路表封層,其主要組成材料為水性環氧改性乳化瀝青、砂石和填料。

研究顯示,利用水性環氧樹脂對乳化瀝青進行改性,可以有效提高乳化瀝青的路用性能,將其用在微表處中能夠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,減少養護費用。傳統微表處膠結料粘附性不足、高溫性能不佳,多添加纖維等外加劑進行二次改性,而水性環氧樹脂乳化瀝青微表處具有高強度、高粘結力的特點[14]。

Liu[15]采用水性環氧樹脂(waterborne epoxy resin, WER)改性乳化瀝青來克服普通微表處材料所常見的磨損、車轍、飛散病害和耐久性差等缺點。通過輪載試驗、濕輪磨耗試驗、抗滑試驗、輪載跟蹤試驗、車轍試驗和加速加載試驗,對比不同配方下微表處材料與丁苯橡膠(SBR)改性微表處的抗滑性能、粘結性能、車轍性能和磨耗性能。結果表明,WER能顯著改善微表處的早期路用性能和耐久性,尤其是對粘結性和抗車轍性能的提升效果非常顯著。此外,在浸水、凍融和重載交通的臨界條件下,WER的使用大幅度減少了病害的發生。

鄭木蓮等[16]采用水性環氧樹脂與丁苯橡膠對乳化瀝青進行復合改性,制得WER/SBR復合改性乳化瀝青微表處,并進行WER/SBR復合改性瀝青乳液及其微表處混合料的路用性能測試。結果表明,水性環氧的加入有效提高了SBR改性乳化瀝青的高低溫性能及其與集料的粘附性能;與未添加水性環氧的SBR改性乳化瀝青混合料相比,WER/SBR復合改性乳化瀝青混合料具有更好的水穩定性、抗滑耐磨性能和耐久性能。

李林萍等[17]在現有乳化瀝青微表處研究結果的基礎上,結合納米TiO2光催化降解尾氣技術,制備具有降解尾氣功能的水性環氧/納米TiO2復合改性微表處,并對其相關性能進行測試。結果表明,當納米TiO2的用量為50%時,所制備的水性環氧/納米TiO2復合改性微表處材料的尾氣降解效率較高且具有良好的經濟效益,而納米TiO2的加入對原水性環氧乳化瀝青微表處其他性能的影響微乎其微。季節等[18]采用先乳化后改性及共混的方法制備水性環氧樹脂改性乳化瀝青及其微表處混合料,并通過車轍填補試驗和罩面車轍試驗評價微表處的抗車轍性能。結果表明,所制備的水性環氧改性乳化瀝青微表處混合料的寬度變形率和車轍深度率較小,可用于路面早期壓密性車轍填補,有效提高了填補路面的高溫抗變形能力,有助于路面平整度的快速恢復。

由于微表處混合料在拌和過程中,易引起水性環氧樹脂改性乳化瀝青起泡,氣泡的介入導致混合料的空隙率增大,在水分蒸發的過程中,環氧樹脂開始固化,形成初期強度,微表處很難在固化時依靠自身重力和流動性進行自密實。因此,在施工后應及時利用行車進行碾壓密實或采用輕型壓路機進行壓實,以保證微表處的不透水性。

2.2 霧封層

環氧霧封層技術可用于中、輕交通荷載的各等級公路,能夠改善老化、滲水以及有輕度松散麻面的瀝青路面,還可用于防止路面出現龜裂、坑洞及網裂等病害,是目前高速公路早期最有效的預防性養護措施之一。

Hu[19]將納米二氧化鈦以不同比例添加到水性環氧樹脂中,并采用新開發的汽車尾氣分解研究裝置對所制備的TiO2涂層進行粘合剪切強度試驗和實驗室光催化性能試驗。采用英國擺錘、砂斑法和路面滲透試驗,分析了TiO2涂層對瀝青路面抗滑和滲透性能的影響。結果表明,TiO2水性環氧樹脂涂層對汽車尾氣中的NOx、HC和CO污染物均有很好的分解效果。此外,采用水性環氧樹脂作為霧封層可以保持路面的抗滑性能,提高路面的抗滲性能。

劉艷等[20]選擇粒徑分布均勻且固化物韌性較好的水性環氧樹脂作為含砂霧封層的主體膠結料,并采用砂膠同步噴灑和砂膠混合噴灑兩種方式進行施工。結果顯示:兩種含砂霧封層的外觀、構造深度和抗滑系數相差不大,但砂膠同步噴灑含砂霧封層的施工效率更高,更適用于大面積的施工作業。

陳俊宇[21]研究了水性環氧改性乳化瀝青的路用性能及其固化機理,并通過相關試驗研究了水性環氧對瀝青乳液及其霧封層性能的影響。結果表明,水性環氧樹脂能夠有效提高瀝青的高溫性能及粘度。水性環氧樹脂的用量對其改性乳化瀝青霧封層的磨耗性能影響重大,其灑布砂的粒徑對霧封層的抗滑性能具有重要影響。此外,相較于普通乳化瀝青霧封層而言,水性環氧樹脂霧封層具有與集料更好的粘附性能,更經久耐用。

綜上所述,霧封層技術能夠改善和提高原有瀝青路面的防水滲透和抗滑性能,延長瀝青路面的使用壽命。對于環氧霧封層材料的研究,目前缺乏相關設計規范,現有評價標準局限性較強,尚待完善。作為一種預防性養護技術,霧封層主要預防路面出現裂縫等早期病害,其原理也只是在既有路面上形成一層薄膜,并不能改變原有路面的結構強度,也不能增加原有路面的結構承載力?？稍诖嘶A上研制具有附加功能性的霧封層,如在抗滑的基礎上加入融雪化冰功能具有實際意義。

2.3 彩色抗滑表層

環氧樹脂彩色抗滑表層是指在現有路面上灑布一層環氧樹脂粘結料,再撒一層耐磨性好的彩色陶瓷顆粒形成薄層(如圖3所示),其中,環氧為特殊的雙組分、耐濕、高強和低模量粘結料,這種固結成型后的抗滑表層紋理構造深度大且長期摩擦系數高,可顯著減少雨天潮濕路面上車輛打滑事故和特殊路段的交通事故[22]。

圖3 彩色抗滑表層示意圖

劉彥兵[23]通過對環氧膠及抗滑骨料的改進,開發出一種顏色持久、使用壽命長、抗滑性能較好的環氧彩色抗滑薄層,并進行室內試驗研究。結果表明,隨著顏料用量的增加,環氧體系的力學性能呈先上升后下降的趨勢,當顏料用量為5%時,拉伸強度達到18.87MPa,斷裂伸長率達到49.37%,剪切強度為14.65MPa,力學性能最優。此外,采用聚氨酯增韌劑改性環氧樹脂,隨著增韌劑用量的增加,環氧體系拉伸強度、斷裂伸長率呈先上升后下降的趨勢,當增韌劑用量為7%時,環氧體系的拉伸強度和斷裂伸長率達到最優;經80℃水煮老化7d、14d后,其粘接強度破壞形式仍為混凝土破壞,表明改性樹脂膠粘劑的粘結強度仍高于混凝土本體強度,耐水煮老化性能較好。

魏強[24]分別以彩色陶粒、煅燒鋁礬土及玄武巖三種3～5mm單粒徑顆粒作為雙組分環氧樹脂抗滑薄層的粗骨料,通過室內7h加速加載磨耗試驗,研究了三種不同骨料抗滑薄層的抗滑衰減規律。結果表明,三種骨環氧抗滑薄層前期(約3h)抗滑性能衰減均較快,BPN與TD值下降較快,屬于衰變突出期;后期(3h后)抗滑性能衰減趨勢減緩,BPN與TD值趨于穩定,屬于衰變穩定期。上述三種骨料的環氧抗滑薄層經過7h加速加載磨耗試驗后,BPN值均在60以上,TD值仍在1.5mm以上,結合質量損失試驗(磨耗量)結果,表明三種環氧抗滑薄層均具有較好的抗滑和耐磨性。

周彤[25]通過拉伸性能測試研究了紫外線吸光劑用量對彩色環氧抗滑磨耗材料性能的影響,通過紫外老化試驗、紅外光譜和電鏡分析研究了吸光劑對該材料的作用機理,并通過小梁彎曲試驗、車轍試驗、凍融劈裂試驗和間接拉伸劈裂試驗測試了添加吸光劑老化前后彩色環氧抗滑層材料的路用性能。結果表明,該吸光劑最佳添加質量分數為1%,其可有效抑制羰基的分解,明顯提高材料的耐老化性和路用性能,滿足工程實際需求。

隨著環氧抗滑表層的推廣應用,環氧樹脂體系存在的問題也逐漸暴露。如能夠常溫快速固化的環氧抗滑體系,其脆性大、剛性強,在鋪筑以后極易出現開裂的病害,耐久性較差;而柔韌性較好的環氧樹脂抗滑體系,其膠粘劑固化速度慢,導致鋪設以后養生時間過長。因此,如何在保證快速固化的同時提高環氧抗滑體系柔韌性的問題成為近年來研究的熱點。

3 環氧樹脂在公路工程矯正性養護中的應用

在公路工程矯正性養護領域內,環氧樹脂多用于瀝青路面的坑槽修補?？硬鄄『ψ鳛楣贩圻^程中最常見的一種病害形式,也是公路養護中最為突出和棘手的病害。水性環氧樹脂具有成型迅速、與瀝青/水泥基材粘結性強的特點,同時水性環氧樹脂乳化瀝青還具有乳化瀝青在常溫條件下流動性較好的特點,已然成為不少高效瀝青路面冷修補材料中不可或缺的原材料[26]。趙富強等[27]采用環氧組分對普通溶劑型冷修補材料進行改性,研究結果表明,水性環氧樹脂能夠顯著改善溶劑型冷修補材料的強度、水穩定性及與集料的粘結性。此外,不同的環氧組分適用于不同的情況,如固化適用期較長的環氧組分儲存性佳,可用于存儲式環氧瀝青冷修補材料的生產,而固化適用期較短的環氧組分,多用于應急性修補。

張爭奇等[28]采用環氧組分和SBR膠乳對溶劑型瀝青冷修補材料進行復合改性,研制低溫瀝青路面冷修補材料,并發現環氧組分和SBR膠乳均能夠很好地分散在稀釋瀝青中。此外,當基質瀝青、稀釋劑、環氧組分和SBR膠乳的用量分別為26%、5%、4%和2%時,該復合改性瀝青冷修補材料的力學強度與高溫性能均得到顯著改善,且其殘留穩定度達到89%。

苗超杰[29]制備了水性環氧改性乳化瀝青冷修補材料,并對其膠結料及混合料進行相關性能測試。結果表明,環氧的加入顯著提高了乳化瀝青的高溫性能、疲勞性能和粘結強度;當環氧與固化劑的比例為3∶2時,其拉拔強度達到最大;當水性環氧乳液、礦粉、水泥同水的用量分別為8.83%、4%、2%和2%時,所制備的冷修補材料具有最佳的高溫性能和水穩定性。

Guo[30]采用水性環氧樹脂增強普通硅酸鹽水泥(OPC)砂漿制備聚合物水泥修補材料,并通過研究發現,環氧樹脂改性OPC砂漿的彎曲韌性得到了明顯提高,且其抗壓強度損失較小。此外,添加水性環氧的OPC砂漿,其界面彎拉粘結強度、直剪強度和抗拉強度比不摻環氧樹脂時分別提高了約16.7%、29.8%和6.9%。通過掃描電鏡試驗結合粘結劑成分和裂紋橋接效應,可以認為是環氧樹脂形成的聚合物薄膜改善了OPC砂漿的微觀結構,從而改善其性能。

總之,環氧樹脂類快速修補材料具有早期強度高、收縮變形小、粘結力強、耐水性能好、極限應變大及快速凝固等優點。然而,目前對于環氧修補材料的研究,多集中于材料的選擇及施工技術方面,對其長期力學性能演變、粘結機理及其與既有路面結合后的疲勞性能研究鮮少。

4 結語

環氧樹脂材料以其優異的力學強度、熱穩定性、化學穩定性及其與瀝青、水泥基材良好的粘結性而廣泛應用于橋面鋪裝、公路預防性養護及矯正性養護等多個領域,并取得了顯著的成效。經環氧改性后的瀝青及其混合料,其高溫穩定性、抗水損害能力、力學強度以及與集料的粘結性能均得到顯著的改善。然而,由于環氧樹脂內部存在高度交聯的三維網狀結構,致其性脆易斷裂,這也導致了環氧的加入在一定程度上降低了瀝青及其混合料的低溫性能,如當環氧材料用于橋面鋪裝面層、微表處、霧封層以及抗滑表層時,極易出現開裂病害。此外,環氧樹脂的抗紫外老化能力差,這在一定程度上了降低了其改性材料的耐久性能。因此,如何提高環氧樹脂的抗老化性能和斷裂韌性,是進一步拓寬環氧樹脂在公路工程領域中應用的關鍵。