环氧树脂在公路工程中的应用研究综述

郝鹏举 伍思豫 向 豪 赵 曦 曹军生 邢明亮 刘建峰 苏 丹

(1.山西交通养护集团有限公司 太原 030001;2.长安大学材料科学与工程学院 西安 710064;3.陕西省交通规划设计院有限公司 西安 710065;4.西安公路研究院 西安 710065)

0 引言

环氧树脂是指分子中含有两个以上环氧基团的聚合物总称,一般而言,环氧树脂难以单独使用,需与固化剂反应形成三维网络结构以后使用,其固化产物具有力学强度高,耐化学腐蚀性强,固化收缩率低,成型压力小,固化温度范围宽,交联密度可控以及与多种基材粘接性良好等优点,广泛应用于公路工程领域[1-2]。目前,环氧树脂已在桥面铺装体系、公路预防性养护、矫正性养护以及彩色路面铺筑等多个领域中得到应用[3]。基于此,本文对环氧桥面铺装层及粘结层、环氧微表处与雾封层、环氧抗滑表层以及环氧路面修补等方面的研究成果及应用现状加以分析总结,以期为环氧树脂材料在公路工程中的进一步推广应用提供参考。

1 环氧树脂在桥面铺装体系中的应用

桥面铺装是桥梁建设中的重要环节,对于桥面服役性能具有重要影响。然而,由于钢桥面本身结构的特点,其铺装层受力和变形情况较普通路面更为复杂,加之存在重载及超载现象,因此常采用高强度、耐腐蚀的环氧材料作为桥面铺装材料,以保证行车质量及使用寿命。此外,环氧的高粘接性也使其成为桥面铺装结构中防水粘层的常用材料[4]。图1为环氧桥面铺装图。

图1 环氧桥面铺装

1.1 桥面铺装层

研究显示:采用环氧沥青混凝土铺装桥面,钢面板刚度大,沥青层强度高,即使在长期车载作用下,桥面亦很少出现车辙[5]。

李云江等[6]采用环氧树脂+高粘改性SMA复合体系进行桥面铺装,该体系主要由钢箱梁顶板+1cm的环氧薄层+环氧粘层+4cm厚的高粘改性沥青SMA组成,所选环氧树脂具有与钢桥面结构粘结力优异且低温柔韧性良好的特点。通过环氧树脂的拉拔与拉剪试验,高粘改性SMA混合料性能测试以及铺装结构斜剪试验、拉拔试验、低温弯曲试验以及疲劳试验,对复合体系性能进行评价。结果表明,该环氧+高粘改性SMA体系性能良好,推广前景较好。

彭政玮[7]在现有桥面用环氧树脂沥青铺装层研究结果的基础上,利用Abaqus对石首长江大桥铺装层进行有限元分析,通过对铺装层在不同厚度、模量以及荷载条件下的受力分析,并结合相关试验结果表征环氧沥青铺装层的路用性能。结果表明,采用下层EA+上层改性SMA双层体系进行桥面铺装,其高温性能、力学强度及其与钢桥面的粘性性能俱佳。此外,对该体系的施工工艺提出要求,主要包括在施工过程中要保持干燥,施工方式为一次性半幅全断面摊铺法,初压、复压及终压温度分别不低于155℃、110℃及90℃等。

然而,随着环氧材料的应用,桥面铺装层在服役过程中极易形成裂缝且难以自行修复,这限制了环氧沥青混凝土在桥面铺装中的进一步应用。因此,改善环氧沥青混凝土的柔韧性成为一个亟须解决的问题。

1.2 防水粘结层

防水和粘结是钢桥面铺装的核心之一,相关学者进行了大量的研究[8]。蒋梦雅等[9]对添加了水泥的水性环氧改性乳化沥青混凝土桥面防水粘层材料的微观结构及其与沥青及水泥基面的粘结性能进行研究。拉拔试验结果表明,环氧粘层材料与水泥基体的拉拔强度更大,这是由于环氧材料与水泥界面之间的粘结力不但来自于水泥水化产生的钙离子的化学键合及环氧酯基水解产生的羧基,还依赖于环氧中大量的极性基团紧密吸附于水泥颗粒表面。因此,水性环氧改性乳化沥青混凝土桥面防水粘层与水泥界面的粘结强度高于沥青界面。此外,微观试验结果显示,水泥的加入连接了沥青与环氧,使得环氧树脂和沥青形成均匀且互穿的网络结构。

鲁国烽等[10]通过拉拔强度试验探究了湿度、灰尘含量及刮涂时间对环氧桥面防水粘结层的粘结性能,并得出以下结论:①湿度对拉拔强度不利,在相同刮涂时间的条件下,湿度越大,拉拔强度越低;②刮涂时间不宜过长,在湿度不变的情况下,刮涂越久,拉拔强度越小;③灰尘含量≤10g/m2,否则环氧防水粘层的拉拔强度将大幅度下降。

赖嘉洲[11]采用水性环氧与SBR胶乳对沥青进行复合改性,制备水性环氧/SBR改性乳化沥青桥面粘层材料。通过对其蒸发残留物的拉伸性、针入度指标以及微观形貌测试,得出以下结论:水性环氧的加入有效提高了SBR改性乳化沥青的高温性能和拉伸性能,但由于环氧性脆,致使复合体系的低温延展性、断裂伸长率降低。此外,当水性环氧及SBR胶乳的用量分别在6%～8%及4%～8%之间时,所制备的防水粘层材料,其断裂伸长率及拉伸强度较佳。

何丽红等[12]针对桥面防水粘层性能不佳的问题,采用常温共混法研制出一种水性环氧乳化沥青防水粘层材料,成型了模拟桥面铺装结构的复合试件,对其进行拉拔试验、剪切试验、水稳试验及高温稳定性试验,并着重对其层间粘结性能进行研究。结果表明,环氧树脂的加入显著提高了环氧粘层材料的热稳定性、水稳定性、拉拔强度和剪切强度;环氧粘层材料的层间粘结强度随其洒布量的增加呈现先升高后降低的变化趋势。当水性环氧树脂的用量为15%、洒布量为0.8 kg/m2时,所制备的防水粘层材料,其层间粘结性最佳且经济性良好。

总之,环氧树脂类材料强度高,具有憎水性,是理想的防水材料,其施工效果如图2所示。然而,在施工过程中,环氧材料对界面水分极其敏感,极易出现粘结强度不足的问题,从而导致桥面出现脱层和开裂。因此,在实际应用中,在保证操作界面干净、干燥、撒布干燥碎石外,还应在不影响材料强度的情况下提高环氧树脂材料用量,从而形成较厚的防水层,提高其防水性。

图2 环氧树脂粘层

2 环氧树脂在公路预防性养护中的应用

公路预防性养护是指在路面结构良好,仅路表性能下降的情况下,为恢复路面使用性能、防止路面功能进一步衰减从而影响路面结构所采取的一种周期性养护措施[13]。环氧树脂具有高强、耐磨、耐腐蚀、耐高温且粘结性优良的优势,是公路预防性养护中的常见材料,目前,环氧材料用于公路预防性养护中的途径主要是微表处、雾封层以及彩色抗滑表层。

2.1 微表处

环氧树脂微表处技术是指将具有流动性的环氧改性乳化沥青混合料均匀洒布于路面的路表封层,其主要组成材料为水性环氧改性乳化沥青、砂石和填料。

研究显示,利用水性环氧树脂对乳化沥青进行改性,可以有效提高乳化沥青的路用性能,将其用在微表处中能够快速解决路面早期病害,防止原路面发生进一步破坏,延长其服务年限,减少养护费用。传统微表处胶结料粘附性不足、高温性能不佳,多添加纤维等外加剂进行二次改性,而水性环氧树脂乳化沥青微表处具有高强度、高粘结力的特点[14]。

Liu[15]采用水性环氧树脂(waterborne epoxy resin, WER)改性乳化沥青来克服普通微表处材料所常见的磨损、车辙、飞散病害和耐久性差等缺点。通过轮载试验、湿轮磨耗试验、抗滑试验、轮载跟踪试验、车辙试验和加速加载试验,对比不同配方下微表处材料与丁苯橡胶(SBR)改性微表处的抗滑性能、粘结性能、车辙性能和磨耗性能。结果表明,WER能显著改善微表处的早期路用性能和耐久性,尤其是对粘结性和抗车辙性能的提升效果非常显著。此外,在浸水、冻融和重载交通的临界条件下,WER的使用大幅度减少了病害的发生。

郑木莲等[16]采用水性环氧树脂与丁苯橡胶对乳化沥青进行复合改性,制得WER/SBR复合改性乳化沥青微表处,并进行WER/SBR复合改性沥青乳液及其微表处混合料的路用性能测试。结果表明,水性环氧的加入有效提高了SBR改性乳化沥青的高低温性能及其与集料的粘附性能;与未添加水性环氧的SBR改性乳化沥青混合料相比,WER/SBR复合改性乳化沥青混合料具有更好的水稳定性、抗滑耐磨性能和耐久性能。

李林萍等[17]在现有乳化沥青微表处研究结果的基础上,结合纳米TiO2光催化降解尾气技术,制备具有降解尾气功能的水性环氧/纳米TiO2复合改性微表处,并对其相关性能进行测试。结果表明,当纳米TiO2的用量为50%时,所制备的水性环氧/纳米TiO2复合改性微表处材料的尾气降解效率较高且具有良好的经济效益,而纳米TiO2的加入对原水性环氧乳化沥青微表处其他性能的影响微乎其微。季节等[18]采用先乳化后改性及共混的方法制备水性环氧树脂改性乳化沥青及其微表处混合料,并通过车辙填补试验和罩面车辙试验评价微表处的抗车辙性能。结果表明,所制备的水性环氧改性乳化沥青微表处混合料的宽度变形率和车辙深度率较小,可用于路面早期压密性车辙填补,有效提高了填补路面的高温抗变形能力,有助于路面平整度的快速恢复。

由于微表处混合料在拌和过程中,易引起水性环氧树脂改性乳化沥青起泡,气泡的介入导致混合料的空隙率增大,在水分蒸发的过程中,环氧树脂开始固化,形成初期强度,微表处很难在固化时依靠自身重力和流动性进行自密实。因此,在施工后应及时利用行车进行碾压密实或采用轻型压路机进行压实,以保证微表处的不透水性。

2.2 雾封层

环氧雾封层技术可用于中、轻交通荷载的各等级公路,能够改善老化、渗水以及有轻度松散麻面的沥青路面,还可用于防止路面出现龟裂、坑洞及网裂等病害,是目前高速公路早期最有效的预防性养护措施之一。

Hu[19]将纳米二氧化钛以不同比例添加到水性环氧树脂中,并采用新开发的汽车尾气分解研究装置对所制备的TiO2涂层进行粘合剪切强度试验和实验室光催化性能试验。采用英国摆锤、砂斑法和路面渗透试验,分析了TiO2涂层对沥青路面抗滑和渗透性能的影响。结果表明,TiO2水性环氧树脂涂层对汽车尾气中的NOx、HC和CO污染物均有很好的分解效果。此外,采用水性环氧树脂作为雾封层可以保持路面的抗滑性能,提高路面的抗渗性能。

刘艳等[20]选择粒径分布均匀且固化物韧性较好的水性环氧树脂作为含砂雾封层的主体胶结料,并采用砂胶同步喷洒和砂胶混合喷洒两种方式进行施工。结果显示:两种含砂雾封层的外观、构造深度和抗滑系数相差不大,但砂胶同步喷洒含砂雾封层的施工效率更高,更适用于大面积的施工作业。

陈俊宇[21]研究了水性环氧改性乳化沥青的路用性能及其固化机理,并通过相关试验研究了水性环氧对沥青乳液及其雾封层性能的影响。结果表明,水性环氧树脂能够有效提高沥青的高温性能及粘度。水性环氧树脂的用量对其改性乳化沥青雾封层的磨耗性能影响重大,其洒布砂的粒径对雾封层的抗滑性能具有重要影响。此外,相较于普通乳化沥青雾封层而言,水性环氧树脂雾封层具有与集料更好的粘附性能,更经久耐用。

综上所述,雾封层技术能够改善和提高原有沥青路面的防水渗透和抗滑性能,延长沥青路面的使用寿命。对于环氧雾封层材料的研究,目前缺乏相关设计规范,现有评价标准局限性较强,尚待完善。作为一种预防性养护技术,雾封层主要预防路面出现裂缝等早期病害,其原理也只是在既有路面上形成一层薄膜,并不能改变原有路面的结构强度,也不能增加原有路面的结构承载力。可在此基础上研制具有附加功能性的雾封层,如在抗滑的基础上加入融雪化冰功能具有实际意义。

2.3 彩色抗滑表层

环氧树脂彩色抗滑表层是指在现有路面上洒布一层环氧树脂粘结料,再撒一层耐磨性好的彩色陶瓷颗粒形成薄层(如图3所示),其中,环氧为特殊的双组分、耐湿、高强和低模量粘结料,这种固结成型后的抗滑表层纹理构造深度大且长期摩擦系数高,可显著减少雨天潮湿路面上车辆打滑事故和特殊路段的交通事故[22]。

图3 彩色抗滑表层示意图

刘彦兵[23]通过对环氧胶及抗滑骨料的改进,开发出一种颜色持久、使用寿命长、抗滑性能较好的环氧彩色抗滑薄层,并进行室内试验研究。结果表明,随着颜料用量的增加,环氧体系的力学性能呈先上升后下降的趋势,当颜料用量为5%时,拉伸强度达到18.87MPa,断裂伸长率达到49.37%,剪切强度为14.65MPa,力学性能最优。此外,采用聚氨酯增韧剂改性环氧树脂,随着增韧剂用量的增加,环氧体系拉伸强度、断裂伸长率呈先上升后下降的趋势,当增韧剂用量为7%时,环氧体系的拉伸强度和断裂伸长率达到最优;经80℃水煮老化7d、14d后,其粘接强度破坏形式仍为混凝土破坏,表明改性树脂胶粘剂的粘结强度仍高于混凝土本体强度,耐水煮老化性能较好。

魏强[24]分别以彩色陶粒、煅烧铝矾土及玄武岩三种3～5mm单粒径颗粒作为双组分环氧树脂抗滑薄层的粗骨料,通过室内7h加速加载磨耗试验,研究了三种不同骨料抗滑薄层的抗滑衰减规律。结果表明,三种骨环氧抗滑薄层前期(约3h)抗滑性能衰减均较快,BPN与TD值下降较快,属于衰变突出期;后期(3h后)抗滑性能衰减趋势减缓,BPN与TD值趋于稳定,属于衰变稳定期。上述三种骨料的环氧抗滑薄层经过7h加速加载磨耗试验后,BPN值均在60以上,TD值仍在1.5mm以上,结合质量损失试验(磨耗量)结果,表明三种环氧抗滑薄层均具有较好的抗滑和耐磨性。

周彤[25]通过拉伸性能测试研究了紫外线吸光剂用量对彩色环氧抗滑磨耗材料性能的影响,通过紫外老化试验、红外光谱和电镜分析研究了吸光剂对该材料的作用机理,并通过小梁弯曲试验、车辙试验、冻融劈裂试验和间接拉伸劈裂试验测试了添加吸光剂老化前后彩色环氧抗滑层材料的路用性能。结果表明,该吸光剂最佳添加质量分数为1%,其可有效抑制羰基的分解,明显提高材料的耐老化性和路用性能,满足工程实际需求。

随着环氧抗滑表层的推广应用,环氧树脂体系存在的问题也逐渐暴露。如能够常温快速固化的环氧抗滑体系,其脆性大、刚性强,在铺筑以后极易出现开裂的病害,耐久性较差;而柔韧性较好的环氧树脂抗滑体系,其胶粘剂固化速度慢,导致铺设以后养生时间过长。因此,如何在保证快速固化的同时提高环氧抗滑体系柔韧性的问题成为近年来研究的热点。

3 环氧树脂在公路工程矫正性养护中的应用

在公路工程矫正性养护领域内,环氧树脂多用于沥青路面的坑槽修补。坑槽病害作为公路服役过程中最常见的一种病害形式,也是公路养护中最为突出和棘手的病害。水性环氧树脂具有成型迅速、与沥青/水泥基材粘结性强的特点,同时水性环氧树脂乳化沥青还具有乳化沥青在常温条件下流动性较好的特点,已然成为不少高效沥青路面冷修补材料中不可或缺的原材料[26]。赵富强等[27]采用环氧组分对普通溶剂型冷修补材料进行改性,研究结果表明,水性环氧树脂能够显著改善溶剂型冷修补材料的强度、水稳定性及与集料的粘结性。此外,不同的环氧组分适用于不同的情况,如固化适用期较长的环氧组分储存性佳,可用于存储式环氧沥青冷修补材料的生产,而固化适用期较短的环氧组分,多用于应急性修补。

张争奇等[28]采用环氧组分和SBR胶乳对溶剂型沥青冷修补材料进行复合改性,研制低温沥青路面冷修补材料,并发现环氧组分和SBR胶乳均能够很好地分散在稀释沥青中。此外,当基质沥青、稀释剂、环氧组分和SBR胶乳的用量分别为26%、5%、4%和2%时,该复合改性沥青冷修补材料的力学强度与高温性能均得到显著改善,且其残留稳定度达到89%。

苗超杰[29]制备了水性环氧改性乳化沥青冷修补材料,并对其胶结料及混合料进行相关性能测试。结果表明,环氧的加入显著提高了乳化沥青的高温性能、疲劳性能和粘结强度;当环氧与固化剂的比例为3∶2时,其拉拔强度达到最大;当水性环氧乳液、矿粉、水泥同水的用量分别为8.83%、4%、2%和2%时,所制备的冷修补材料具有最佳的高温性能和水稳定性。

Guo[30]采用水性环氧树脂增强普通硅酸盐水泥(OPC)砂浆制备聚合物水泥修补材料,并通过研究发现,环氧树脂改性OPC砂浆的弯曲韧性得到了明显提高,且其抗压强度损失较小。此外,添加水性环氧的OPC砂浆,其界面弯拉粘结强度、直剪强度和抗拉强度比不掺环氧树脂时分别提高了约16.7%、29.8%和6.9%。通过扫描电镜试验结合粘结剂成分和裂纹桥接效应,可以认为是环氧树脂形成的聚合物薄膜改善了OPC砂浆的微观结构,从而改善其性能。

总之,环氧树脂类快速修补材料具有早期强度高、收缩变形小、粘结力强、耐水性能好、极限应变大及快速凝固等优点。然而,目前对于环氧修补材料的研究,多集中于材料的选择及施工技术方面,对其长期力学性能演变、粘结机理及其与既有路面结合后的疲劳性能研究鲜少。

4 结语

环氧树脂材料以其优异的力学强度、热稳定性、化学稳定性及其与沥青、水泥基材良好的粘结性而广泛应用于桥面铺装、公路预防性养护及矫正性养护等多个领域,并取得了显著的成效。经环氧改性后的沥青及其混合料,其高温稳定性、抗水损害能力、力学强度以及与集料的粘结性能均得到显著的改善。然而,由于环氧树脂内部存在高度交联的三维网状结构,致其性脆易断裂,这也导致了环氧的加入在一定程度上降低了沥青及其混合料的低温性能,如当环氧材料用于桥面铺装面层、微表处、雾封层以及抗滑表层时,极易出现开裂病害。此外,环氧树脂的抗紫外老化能力差,这在一定程度上了降低了其改性材料的耐久性能。因此,如何提高环氧树脂的抗老化性能和断裂韧性,是进一步拓宽环氧树脂在公路工程领域中应用的关键。