水性环氧树脂混凝土性能研究

　　摘 要：本文主要研究以水性环氧树脂为改性材料的混凝土，测定了不同掺量下的水性环氧树脂混凝土在常温和高温情况下各个龄期的力学性能指标，进行了不同掺量下的水性环氧树脂混凝土抗渗性能和干缩性能试验，并对水性环氧树脂增强水泥混凝土各种性能指标的增强机理进行了分析。

　　关键词：水性环氧树脂；混凝土；力学性能 

　　一、引言

　　近年来，随着国民经济的迅速增长，交通运输事业也发展迅速，道路与车辆的矛盾日渐显露。由于车辆数目的增加以及车辆超重载现象的日趋严重，各级公路尚未到使用寿命的年限，就已经损坏非常严重了，不得不提前维修，而公路维修和养护需要封闭或半封闭交通，这与交通的顺畅形成了突出的矛盾。因此，如何在短时间内，使得维修和养护过的路面混凝土各项力学性能指标达到28d龄期强度的较大值，成为众多公路研究者较为关心的课题。

　　环氧树脂一种高强度的胶粘材料，由于它具有高粘结性，抗拉、抗折、抗冲击等各项力学性能指标高，目前已经被大量应用各个领域，在建筑行业内，环氧树脂被广泛应用于建筑物的加固、补强。但是由于环氧树脂是一种高黏度的、不溶于水的、油性聚合物，其不能与亲水性的材料混合使用。

　　水性环氧树脂是把环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配得的稳定树脂材料。水性环氧树脂与环氧树脂相比较，其最大的优点就是可在室温和潮湿或过湿的环境中固化，能与水泥砂浆、混凝土等常用的水泥基材料混合使用，并能提高上述材料的早期强度、韧性、抗冲击性能，增强防水性能。 

　　二、水性环氧树脂混凝土力学性能试验

　　2．1试验材料

　　（1）水泥：广州石井牌PO32.5普通硅酸盐水泥；（2）细骨料：河砂，最大粒径5mm，细度模数2.5，表观密度2.58g·cm-3，堆积密度1.48×103 kg·m-3，试验前先将砂放于烘箱内烘干，砂的含水率为0%；（3）粗骨料：石灰岩碎石，表观密度2.98 g·cm-3，堆积密度1.54×103 kg·m-3，颗粒级配为5～20mm，连续级配；（4）水性环氧树脂：广州东风化工有限公司生产的水性环氧树脂，环氧树脂固含量为60%；（5）固化剂：广州东风化工有限公司生产的水性胺类固化剂。

　　2．2材料配合比

　　基准混凝土配合比为：水泥：砂：石：水＝400kg：602kg：1222kg：176kg，水灰比w：c＝0.44，砂率为33％，水性环氧树脂与水性胺类固化剂的重量比为4：1。考虑到水性环氧树脂是一种亲水性的乳液，因此将水性环氧树脂加入混凝土中，视为全部加入水份，考虑到需要对比水性环氧树脂改性后的混凝土与基准混凝土的各项性能指标，故保持水灰比不变，原基准混凝土中的水份需根据掺入水性环氧树脂的用量而减少。 

　　2．3试验原理及项目

　　根据国家标准 GBJ107《混凝土强度检验评定标准》和JTJ053-94《公路工程水泥混凝土试验规程》进行试验，主要测定：⑴水性环氧树脂改性后的水泥混凝土在各个龄期的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度；⑵在高温情况下的立方体抗压、抗折强度。立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验的试件尺寸为150mm×150mm×150mm，抗折强度试验的试件尺寸为150mm×
150mm×550mm。

　　2．4不同掺量下的水性环氧树脂改性水泥混凝土配合比

　　2．5试验结果

　　(Ⅰ) 试件成型12h立方体抗压、抗折强度

　　(Ⅱ) 试件成型24h立方体抗压、劈拉、抗折强度

　　(Ⅲ) 试件成型3d立方体抗压、劈拉、抗折强度

　　(Ⅳ) 试件成型28d立方体抗压、劈拉、抗折强度

　　(Ⅴ) 试件成型28d在高温下（50℃）立方体抗压、劈拉、抗折强度

　　试件在标准条件下养护28d，将试件浸泡在HWY－1型恒温水浴箱中从20℃开始加温至50℃（加温时间控制在1h内完成），并在50℃水温中养护约1～2h，然后将试件取出进行抗压、劈拉、抗折强度测定。

　　2．6试验结论

　　从上述试验结果可以得出以下几点结论：

　　(1)不同掺量的水性环氧树脂对同一配合比的混凝土的抗压、劈拉、抗折强度都有提高，尤其是对抗压强度有着显著的提高。

　　(2)对于掺有水性环氧树脂的混凝土12h龄期的劈拉强度值较小，尤其是未掺入水性环氧树脂的普通混凝土，劈拉强度值上为0MPa，掺入一定量（最高掺量为40％时）水性环氧树脂的混凝土劈拉强度值也不超高2MPa，考虑到掺入水性环氧树脂后所增加的成本，在实际工程中意义不大。 

　　(3)掺有水性环氧树脂的混凝土12h、24h、3d龄期的抗压、抗折强度值增幅较大，从曲线图中可以明显看出：①掺入水性环氧树脂对混凝土的早期强度有较大的提高，尤其是在试件成型24h后，增幅最为明显，其中抗压强度值最大增幅达到了330％，抗折强度值最大增幅达到了254%，劈拉强度值最大增幅达到了320%；②从试件成型的12h、24h、3d这三个龄期来看，成型24h是水性环氧树脂发挥其增强混凝土力学性能效果最为明显的时段，这可能是因为在24h后水性胺类固化剂将水性环氧树脂中的环氧树脂全部分离出来了，而这时环氧树脂与水泥基发生化学反应最为剧烈。

　　(4)水性环氧树脂混凝土28d龄期的劈拉强度增幅不大，抗压强度有一定提高，最大增幅为128％。这说明在提高混凝土的抗压强度值这项力学性能方面，水性环氧树脂在各个龄期都有较大的提高，在后期有较好的延性；在提高混凝土的劈拉和抗折强度这两项力学性能方面，虽然没有提高早期强度那么明显，但是还是有一定的提高。

　　(5)水性环氧树脂混凝土28d龄期后，在50℃的高温下养护2~3h，其抗压、劈拉、抗折强度值与常温下的基本持平，略有少许下降。这说明水性环氧树脂具有一定的耐高温能力，其与混凝土能保持相对一致的高温变形，不会出现剥离、软化等现象，并且能够在力学性能方面与常温下基本相同，这就很好地满足了公路养护、维修时的实际情况。 

　　三、水性环氧树脂混凝土抗渗性能试验

　　3．1试验原理

　　该试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-1985）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150mm×150mm×150mm，试件试验龄期为28d。试验采用HS-4B型混凝土渗透仪，其加压范围为0～4MPa，每次试验安装一组试件（6个），试验时由初始的0.1 MPa开始加压，加压持续8h，如未发现试件出现透水或透水试件总数不超过3个试件时，试验压力递增0.1MPa，依次类推，直至透水试件超过3个试件时试验结束。

　　3．2试验结果

　　3．3试验结论

　　试验结果表明，在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的掺入量增大，水泥混凝土的抗渗性能也随之提高。从上表中可以看出，在混凝土中掺入水性环氧树脂后，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，将未产生透水现象的试件剖开进行对比发现：尚未完全透水的水泥混凝土试件透水高度均达到了120mm；而尚未完全透水的掺入水性环氧树脂混凝土试件透水高度仅为60~90mm，且水性环氧树脂掺量越高，透水高度越低。 

　　四、水性环氧树脂混凝土干缩性能试验

　　4．1试验原理

　　该试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-1985）实施，试验所用材料种类、水泥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150mm×150mm×550mm。试件成型后在标准条件下（温度为20℃±2℃，相对湿度为60％±5％）养护28d，测定试件长度的变化率作为其干缩性能的指标，以干缩率表示。

　　4．2试验结果

　　4．3试验结果

　　从上面的图表可以看出：掺有水性环氧树脂的混凝土的收缩率比较水泥混凝土随着龄期的增加而减小了，并且水性环氧树脂的掺量越大，收缩率也越大。由此可以得出，水性环氧树脂可以减小混凝土的收缩。 

　　五、水性环氧树脂增强混凝土力学性能机理分析

　　(1)水性环氧树脂是把环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配得的稳定树脂材料，它对混凝土的改性是由在胶凝材料相中的水泥水化和水性环氧树脂成膜的进程来控制的。由于水性胺类固化剂能在短时间内（2h）将水性环氧树脂内的环氧树脂与水份分离，因此水性环氧树脂乳液中环氧树脂颗料聚结成膜的进程先于水泥水化的进程，最终由于水泥水化和水性环氧树脂成膜形成了一个复合的胶链的胶凝材料相，另外还原出来的环氧树脂是一种具有高强度、高粘结力、高弹性模量的高分子聚合物，因此能够提高混凝土的各项力学性能，特别是混凝土早期的强度。

　　(2)混凝土中掺入水性环氧树脂后，由于水性环氧树脂有较强的粘结力，使得浆体可以均匀地包裹在骨料的表面，混凝土成型后，表面光滑，试件形成均匀、紧密的空隙结构。这主要是因为：①水性环氧树脂的掺入，使得水泥浆体的稠度增加，粘性增强，水泥浆体、水性环氧树脂与骨料之间形成较高粘结力的膜，对骨料的包裹更加密实；②水性环氧树脂的掺入具有一定的引气和减水作用，可以提高浆体的流动性，可以使试件在成型时混凝土内部不会产生落浆的现象，提高了混凝土的抗渗性能。

　　(3)水性环氧树脂能阻止混凝土塑性期裂缝的产生，水性环氧树脂乳液中环氧树脂被还原出来后，这种粘结力很强的聚合物能迅速填补混凝土表面蒸发水分所留下的微裂缝，另外水性环氧树脂乳液是均匀地分散在混凝土中，随着水性环氧树脂乳液中的环氧树脂被逐渐还原出来，它能够填补混凝土内部粗、细集料之间由于搅拌不均匀而造成的孔隙和裂缝，并且它还能够加强混凝土内部的粘结力，使得整个混凝土内部形成一个密实的网状结构，这在一定程度上阻止了粗、细骨料的沉降，同时也降低了混凝土表面的析水现象。 

　　6． 结论

　　(1)    水性环氧树脂掺入混凝土后，混凝土的抗压、劈拉、抗折强度都有不同程度的提高，尤其是混凝土的早期强度得到了较大的提高。

　　(2) 由于水性环氧树脂是一种水性的聚合物，具有较好的流动性和较强的粘结力，在混凝土中掺入一定量的水性环氧树脂，混凝土的抗裂性能和抗渗性能有较明显的提高。

　　(3) 水性环氧树脂掺入混凝土后存在一个水性环氧树脂最佳掺量的问题，并不是掺量越大越好，因为从经济上来说，水性环氧树脂掺量越多，成本也越高，这在工程上的广泛应用是不可取的；从施工角度上说，水性环氧树脂掺量越多，还原出来的环氧树脂量也越多，整个混凝土的粘性也越大，施工操作也越困难。

参考文献：

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