摘要：以改性水性环氧树脂配置聚丙烯纤维混凝土，测试不同水性环氧树脂掺量的聚丙烯纤维混凝土的劈裂抗拉、抗折力学性能，进行了水性环氧树脂增强聚丙烯纤维的水泥附着性能试验和水性环氧树脂的不同掺量下增强聚丙烯纤维混凝土阻裂、抗渗性能效应试验，并对水性环氧树脂掺入聚丙烯纤维混凝土中后对各项性能的增强机理进行了探讨。以番禺大石大桥桥面铺
装工程为例，介绍了水性环氧树脂掺入聚丙烯纤维混凝土的工程应用。
关键词：水性环氧树脂；聚丙烯纤维；混凝土
中图分类号：TU57+8.12；TU528.572 文献标识码：B 文章编号：1001- 702X（2006）11- 0060- 04
0 引言
水性环氧树脂突出的优点是可在室温、潮湿或过湿的环境中固化，能与水泥、石膏、混凝土等水性胶合物混合，提高其各种力学性能，增强粘结能力。在普通混凝土内掺入一定量聚丙烯纤维能抑制混凝土的塑性收缩微裂缝，提高混凝土的抗裂和防水性能。由于聚丙烯纤维具有化学性能稳定、耐酸碱，以及掺混工艺简单、掺量少、价格较低等优点，在公路、桥梁、机场跑道、港口码头等工程中得到了广泛的应用。但是，未经处理的聚丙烯纤维与水泥的相容性较差，水泥不易粘附在聚丙烯纤维表面，影响聚丙烯纤维与水泥的握裹力和增强作用。
基于这些因素，加入一定量的水性环氧树脂，改善纤维与水泥的表面亲合性，以增强聚丙烯纤维与水泥基之间的粘结力。使这种复合水性环氧树脂聚丙烯纤维混凝土具有更为优良的抗拉、抗折强度和抗裂、防水性能。
1 水性环氧树脂对聚丙烯纤维混凝土力学性能影响的试验
1.1 试验材料
水泥：广州石井牌P.O42.5 普通硅酸盐水泥；细骨料：河砂，最大粒径5 mm，细度模数2.5，表观密度2.58 g/cm3，堆积密度1480 kg/cm3；粗骨料：石灰岩碎石，表观密度2.98 g/cm3，堆积密度1540 kg/cm3，颗粒级配为5～20 mm，连续级配；聚丙烯纤维：美国杜拉纤维，密度0.91 g/cm3,长度20 mm；水性环氧树脂：广州东风化工厂生产；固化剂：DFG—88 芳香族胺类固化剂，用量为水性环氧树脂用量的25%。
1.2 试验方法及试验设备
按照CECS 13：89 《纤维混凝土试验方法》进行劈裂抗拉、抗折强度的测试。劈裂抗拉强度试件尺寸为150 mm×150mm×150 mm；抗折强度试件尺寸为150 mm×150 mm×550mm。每种性能测试所用试件均为3 个。
劈裂抗拉强度的测试采用济南试验机厂生产的UH- 250型材料试验机；抗折强度的测试采用上海试验机械制造厂的VFB 型3000 kN 压力机。
1.3 配合比
选取一个聚丙烯纤维混凝土配合比作为基准配合比，改变水性环氧树脂在聚丙烯纤维混凝土中的掺入量进行对比分析。水性环氧树脂是一种水分散型的高分子聚合物乳液，根据测定，水性环氧树脂乳液中含水量为40%。因此，经水性环氧树脂改性后的聚丙烯纤维混凝土与基准混凝土的各项性能对比试验中，对改性后的聚丙烯纤维混凝土的水灰比应严格控制，以保持与原聚丙烯纤维混凝土各项试验中水灰比的一致。基准配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纤维）=400∶603∶1225 ∶172∶0.9 ，水灰比W/C=0.43，砂率为33%，
聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3。水性环氧树脂掺量按水泥用量的5%～25%掺入，每5%递增，水性胺类固化剂用量为水性环氧树脂用量的25%。
1.4 试验结果与分析
对水性环氧树脂的掺量对聚丙烯纤维混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度的影响进行了测试，并与普通聚丙烯纤维混凝土进行比较，试验结果见表1。从表1 试验结果得出：
（1）由于水性环氧树脂与水性胺类固化剂发生化学反应后，生成的树脂固化物具有很强的内聚力和粘结力，在水泥浆、骨料与聚丙烯纤维三者之间形成具有较高粘结力的膜，在与水泥水化时，水化产物与聚合物膜相互交织在一起形成互穿网络结构，使得聚丙烯纤维更紧密地吸附在混凝土的骨料和水泥基的表面。因此，掺入水性环氧树脂改性后的聚丙烯纤1 水性环氧树脂对聚丙烯纤维混凝土力学性能影响的试验
1.1 试验材料
水泥：广州石井牌P.O42.5 普通硅酸盐水泥；细骨料：河砂，最大粒径5 mm，细度模数2.5，表观密度2.58 g/cm3，堆积密度1480 kg/cm3；粗骨料：石灰岩碎石，表观密度2.98 g/cm3，堆积密度1540 kg/cm3，颗粒级配为5～20 mm，连续级配；聚丙烯纤维：美国杜拉纤维，密度0.91 g/cm3,长度20 mm；水性环氧树脂：广州东风化工厂生产；固化剂：DFG—88 芳香族胺类固化剂，用量为水性环氧树脂用量的25%。
1.2 试验方法及试验设备
按照CECS 13：89 《纤维混凝土试验方法》进行劈裂抗拉、抗折强度的测试。劈裂抗拉强度试件尺寸为150 mm×150mm×150 mm；抗折强度试件尺寸为150 mm×150 mm×550mm。每种性能测试所用试件均为3 个。
劈裂抗拉强度的测试采用济南试验机厂生产的UH- 250型材料试验机；抗折强度的测试采用上海试验机械制造厂的VFB 型3000 kN 压力机。
1.3 配合比
选取一个聚丙烯纤维混凝土配合比作为基准配合比，改变水性环氧树脂在聚丙烯纤维混凝土中的掺入量进行对比分析。水性环氧树脂是一种水分散型的高分子聚合物乳液，根据测定，水性环氧树脂乳液中含水量为40%。因此，经水性环氧树脂改性后的聚丙烯纤维混凝土与基准混凝土的各项性能对比试验中，对改性后的聚丙烯纤维混凝土的水灰比应严格控制，以保持与原聚丙烯纤维混凝土各项试验中水灰比的一致。
基准配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纤维）=400∶603∶1225 ∶172∶0.9 ，水灰比W/C=0.43，砂率为33%，聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3。水性环氧树脂掺量按水泥用量的5%～25%掺入，每5%递增，水性胺类固化剂用量为水性环氧树脂用量的25%。
1.4 试验结果与分析
对水性环氧树脂的掺量对聚丙烯纤维混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度的影响进行了测试，并与普通聚丙烯纤维混凝土进行比较，试验结果见表1。从表1 试验结果得出：
（1）由于水性环氧树脂与水性胺类固化剂发生化学反应后，生成的树脂固化物具有很强的内聚力和粘结力，在水泥浆、骨料与聚丙烯纤维三者之间形成具有较高粘结力的膜，在与水泥水化时，水化产物与聚合物膜相互交织在一起形成互穿网络结构，使得聚丙烯纤维更紧密地吸附在混凝土的骨料和水泥基的表面。因此，掺入水性环氧树脂改性后的聚丙烯纤
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（2）掺入水性环氧树脂15%～20%的聚丙烯纤维混凝土，成本增加较少，其各项力学性能提高较大，粘结性适当，便于施工操作。
2 水性环氧树脂增强聚丙烯纤维水泥附着性能试验
为了评估水性环氧树脂改性聚丙烯纤维后的粘结性效果，进行水泥对聚丙烯纤维附着性大小的对比试验[1]。第Ⅰ组：长度为20 mm 聚丙烯纤维；第Ⅱ组：将长度为20 mm 的聚丙烯纤维掺入以100 份水性环氧树脂+25 份固化剂混合搅拌制成的水性环氧树脂乳液中，浸泡3 min；再将第Ⅰ组和第Ⅱ组纤维材料分别掺入水灰比为0.5 的水泥净浆中，搅拌2 min，静止放置10 min，然后用镊子夹住聚丙烯纤维一端将纤维取出，滴干水，用滤纸吸干附着在纤维末端的水分，称量，计算纤维吸附水泥的量。每组纤维试样测试10 个数据，将测试结果中的最大值和最小值去掉，得出水性环氧树脂乳液对聚丙烯纤维改性后，其纤维表面的水泥附着性吸附量的统计平均值：第Ⅰ组为311.2 mg/20 mm；第Ⅱ组为420.5 mg/20 mm。
试验可知，水性环氧树脂改性后的聚丙烯纤维的水泥吸附量提高了35%。这是由于经过水性环氧树脂乳液浸泡的聚丙烯纤维表面带有羧酸根离子（—COO-），在碱性环境下与水泥水化产生的大量Ca2+发生化学反应，使得聚丙烯纤维的水泥附着性能增强。
3 水性环氧树脂掺入聚丙烯纤维混凝土后阻裂效应试验研究
3.1 混凝土塑性裂缝机理[2- 3]
混凝土在成型之初由于内部的水分迁移至表面，其内部存在较多的原生微裂缝。在混凝土终凝前后，混凝土逐渐失去塑性, 但强度尚未发展，而混凝土表面水分蒸发的结果可能造成混凝土表面细微原生裂缝扩展成宏观裂缝。由于这种裂缝是混凝土在塑性期失水形成的，所以被称为塑性裂缝。混凝土塑性裂缝的形状是不规则、无取向性的，最易发生在混凝土浇注后的3～4 h。
3.2 试验方法
以文献[4]推荐的方法，自行设计制作了用于测定纤维混凝土塑性开裂试验的装置，装置的外形尺寸：高100 mm，长600 mm，宽400 mm，中间突起部位高80 mm，两端突起部位高40 mm。试验原理：新搅拌的混凝土倒入该装置后，装置两端突起部位用于限制混凝土的自由收缩，由于混凝土在装置中间部位的厚度相对较小（20 mm），塑性收缩的结果将使新拌混凝土沿装置中线发生塑性裂缝（如图1 所示）。通过测量中线处塑性裂缝的宽度来评价水性环氧树脂增强后的聚丙烯纤维混凝土的阻裂效应。
试验：将掺入一定量水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土倒入图1 所示装置中，用刮刀将表面抹平，进行吹风试验，在相对干燥（相对湿度40%）和高温（35 ℃）的条件下，观测干缩270 min 后，水性环氧树脂不同掺量的聚丙烯纤维混凝土塑性裂缝宽度变化。
3.3 试验结果
在上述试验条件下，水性环氧树脂的不同掺量对聚丙烯纤维混凝土塑性裂缝宽度影响的试验结果，见图2。
3.4 试验结果分析
由图2 可见，掺入水性环氧树脂能显著降低聚丙烯纤维混凝土塑性裂缝宽度，并且阻裂效应随着水性环氧树脂掺量的增大而增强，也因此提高了纤维混凝土的防裂、抗渗性能。从性价比、施工操作和阻裂效果等几方面评价，水性环氧树脂掺量为15%～20%为最佳。
由于混凝土中的水性环氧乳液随着水分的蒸发，能迅速填补混凝土表面因水分蒸发产生的微裂缝；水性环氧乳液和聚丙烯纤维混凝土一起均匀搅拌，水性环氧乳液被均匀地分散于混凝土中，并填补因聚丙烯纤维分布不均而造成混凝土内部产生的裂缝，加强聚丙烯纤维之间的粘聚力；使得改性后的聚丙烯纤维混凝土内部形成一个网状的结构，避免由于聚丙烯纤维分布不均造成的应力集中现象。
4 掺水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土抗渗性能试验
4.1 试验原理
该试验根据GBJ 82—1985《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》实施，试验所用材料种类、混凝土配合比以及水性环氧树脂掺量与力学性能试验相同，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，试验龄期为28 d。试验采用HS- 4B 型混凝土渗透仪，其加压范围为0～4 MPa，每次试验安装1 组试件（6个），试验时由初始的0.1MPa 开始加压，加压持续8 h，如未发现试件出现透水或透水试件总数不超过3 个时，试验压力递增0.1MPa，依次类推，直至透水试件超过3 个时试验结束。
4.2 试验结果（见表2）
4.3 试验结论
表2 结果表明，在聚丙烯纤维混凝土中掺入水性环氧树脂，可大幅度提高混凝土的抗渗性能，而且随着水性环氧树脂掺量的增大，聚丙烯纤维混凝土的抗渗性能也随之提高，不仅抗渗时间大幅度增加，而且耐水压力也大幅度提高。
在试验中对未产生透水现象的试件剖开对比发现，尚未完全透水的未掺水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土试件透水高度均达到了120 mm，而掺入水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土试件透水高度为60~90 mm，且水性环氧树脂掺量越大，透水高度越低。从性价比、施工操作和抗渗性能等几方面考虑，水性环氧树脂掺量在15%～20%为最佳掺量。
5 工程应用
5.1 工程概况
番禺大石大桥位于番禺区大石镇内，桥全长455.50 m，主跨为2×38.2 m预应力钢筋混凝土T 型刚构+24.3 m 预应力钢筋混凝土简支挂梁；引桥为12 跨，每跨25.0 m 预应力钢筋混凝土简支T 梁。
该桥原采用的是普通混凝土与改性沥青混凝土上下2 层的加铺层。在对该桥进行加固期间，发现箱梁内有多处渗漏水，主要以顶板、腹板漏水为主，从桥面也可以观察到多处开裂。这表明桥面在多种因素的影响下，其防水能力已明显降低或局部失效。如果大量渗漏水积存在箱梁内，将加速内部预应力钢筋及普通钢筋的锈蚀，影响桥梁结构耐久性，这将成为该桥的安全隐患，因此，需对箱梁部分桥面铺装层进行防裂、防水处理。
5.2 加固方法
根据各项试验结果，对番禺大石大桥箱梁部位的桥面铺装层，拟采用掺入一定量水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土铺装。具体加固结构形式为：掺有水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土防水层+AC- 20Ⅰ改性沥青混凝土面层。掺有水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土的材料配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纤维）∶m（水性环氧树脂）∶m（固化剂）=400∶603∶1225∶125∶0.9∶80∶20，水灰比W/C=0.43，砂率33%。
5.3 施工工艺
（1）凿除箱梁部位的桥面原有加铺层，并清除旧桥面铺装层破损后留下的杂质。对箱梁顶部的裂缝进行处理，用灌浆料对裂缝进行压力灌缝。
（2）按确定配合比进行配料，先将水性环氧树脂与固化剂倒入容器中，搅拌制成乳液，掺入聚丙烯纤维浸泡10～15min。
（3）按配比将水泥、砂混合，再加入浸泡后的纤维一起拌合，然后该混合物与水性环氧乳液投入搅拌机与石料一起搅拌制成混凝土。
（4）浇注掺有水性环氧树脂的聚丙烯纤维混凝土，采用震捣板进行震捣密实。
5.4 使用情况
番禺大石大桥桥面铺装层维修于2004 年10 月底完成，至今已2 年时间。从目前的使用效果看，修补后的铺装层完好无损，箱梁内未发现有渗漏水现象。新铺的铺装层表面未出现明显裂缝，所出现的微裂缝均为初期养护及行车振动后引起。从跟踪的观测结果看，这些微裂缝均保持稳定，没有扩展。
6 结语
（1）水性环氧树脂掺入聚丙烯纤维混凝土后，混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度抗裂和抗渗性能有一定的提高。
（2）聚丙烯纤维混凝土中掺入一定量的水性环氧树脂，混凝土的抗裂和抗渗性能有明显的提高
（3）随着水性环氧树脂掺入量增加，聚丙烯纤维混凝土各项力学性能均有提高，但从经济考虑，水性环氧树脂掺量越多，成本越高，不利于工程的广泛应用；从施工角度考虑，水性环氧树脂掺量越多，混凝土的粘性也越大，施工操作也越困难。因此，水性环氧树脂在纤维混凝土中应用存在一个最佳掺量问题，本试验中水生环氧树脂最佳掺量为15%～20%。
参考文献:
[1] 黄承亚，龚克成，李红.改性聚丙烯纤维水泥基复合材料力学性能研究.混凝土与水泥制品，2001（12）：40- 42.
[2] 戴建国，黄承逵.网状聚丙烯纤维混凝土的试验研究.混凝土与水泥制品，1999（4）：35- 38.
[3] 刘兰强，曹诚.聚丙烯纤维在混凝土中的阻裂效应研究.公路，2000（6）：39- 42.
[4] 朱江.聚丙烯纤维混凝土的防水性能及其应用.新型建筑材料，2002（2）：38- 39.
