摘要：研究了以水性环氧树脂为改性材料配置的聚丙烯纤维混凝土，测试了不同掺量水性环氧树脂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不同掺量下的水性环氧树脂增强聚丙烯纤维混凝土阻裂效应试验，并对水性环氧树脂掺入聚丙烯纤维混凝土后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为工程实例，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；聚丙烯纤维混凝土
1．引言
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。其突出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、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。聚丙烯纤维混凝土是指在普通混凝土内掺入一定量聚丙烯纤维的水泥基复合材料，聚丙烯纤维用于混凝土中能抑制混凝土的塑性收缩微裂缝，提高混凝土的抗裂性能和防水性能。由于聚丙烯纤维具有化学性能稳定、耐酸碱、耐老化，以及掺混工艺简单、掺量少、价格低等优点，在公路、桥梁、机场跑道、港口码头等建筑工程中得到了广泛的应用，但是，聚丙烯纤维与水泥的相容性较差，水泥不易附在聚丙烯纤维的表面，这就减少了聚丙烯纤维的增强作用，另外混凝土的粘结能力不强，对聚丙烯纤维的握裹力不够。基于这种情况，在聚丙烯纤维混凝土中加入一定量的水性环氧树脂，以增强聚丙烯纤维与水泥基之间的粘结力，由于水性环氧树脂本身的特性，这种复合而成的高性能混凝土材料，具有比聚丙烯纤维混凝土更为优良的抗拉、抗折、抗裂强度和防水性能。
2．试样制备和实验方法
2.1 实验材料
(1) 水泥：广州石井牌PO42.5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；(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) 钢纤维：武汉东州钢纤维公司生产的冷拉切削异性钢纤维，规格为0.5mm×0.7 mm×30 mm；(5) 水性环氧树脂：广州东风化工厂生产；(6) 固化剂：DFG-88芳香族胺。
2.2 实验内容与设备
按照《钢纤维混凝土试验方法 CECS 13：89》进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、抗折强度的测试。立方体抗压和劈裂抗拉强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm；轴心抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×400mm；抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×550mm。每种性能的测试所用试件均为3个。
立方体抗压强度和轴心抗压强度的测试采用NYL-200D压力试验机，最大吨位为2000KN，无锡建筑材料仪器厂生产；劈裂抗拉强度的测试采用UH-250型材料试验机，最大量程为250KN，济南试验机厂生产；抗折强度的测试采用VFB型3000KN压力机，上海试验机械制造厂生产。
2.3 配合比
选取一个SFRC配合比作为基准配合比，改变水性环氧树脂在SFRC中的掺入量进行对比分析。由于水性环氧树脂乳液与DFG-88芳香族胺固化剂发生化学反应后，水性环氧树脂乳液中的环氧树脂被还原出来，其中的水也被离析出来，因此改性后的SFRC的水灰比应严格控制，保持与原SFRC相同。根据含水量测定，水性环氧树脂乳液中含水量为40％。基准配合比为：水泥：砂：石：水：钢纤维＝400kg：603kg：1225kg：172kg：118kg，水灰比w:c=0.43，砂率为33％，钢纤维掺量为混凝土体积掺量的1.5％。水性环氧树脂的掺量按水泥用量的10％～40％掺入，每5％递增，DFG-88芳香族胺固化剂用量为水性环氧树脂用量的25％。
3．实验结果及分析
3.1 水性环氧树脂增强钢纤维混凝土力学特性
对不同掺量的水性环氧树脂钢纤维混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度进行了测试，并与普通的钢纤维混凝土进行了比较，实验结果见下表：
从上述实验结果可以看出：
(1) 不同掺量水性环氧树脂下的SFRC立方体抗压和轴心抗压28d龄期强度提高不大，提高幅度为20%～30%左右，但对早期强度有一定的提高，7d龄期强度可达到28d龄期强度75%左右。
(2) 加入水性环氧树脂后的SFRC劈裂抗拉和抗折强度有较大的提高，提高幅度为50%以上。
(3) 水性环氧树脂的掺入量存在一个最佳掺入量的问题，10%～15%的水性环氧树脂掺入量对SFRC各项力学性能影响不大，这是因为还原出来的环氧树脂量不足以形成“结构胶”的薄膜来粘结混凝土和钢纤维的接触面，二者之间的粘结力不够，不能使二者很好地粘结在一起发挥出二者的强度；而水性环氧树脂掺量过多即40%的掺入量时，混凝土粘性过大，和易性较差，同时钢纤维之间易粘结成团。
4．水性环氧树脂增强钢纤维混凝土力学性能机理分析
(1) 在钢纤维混凝土中，由于其本身的缺陷，例如：混凝土的干缩，钢纤维分散不均匀，在其强度发展过程中，会发生并遗留下许多微裂缝，这些微裂缝就成了SFRC破坏的根源。水性环氧树脂的加入，将能有效地弥补这一缺陷，因为加入的水性环氧树脂胶液填充在混凝土内部的微裂缝之中，形成了网状的结构从而避免了应力集中现象的出现，增加了SFRC的抗渗性能。
(2) 由于混凝土的抗拉性能较差，当混凝土出现裂纹时，钢纤维才参与受力，但是因为混凝土对钢纤维的握裹力不够，导致SFRC受到拉伸破坏时钢纤维并未达到其极限拉伸强度，而被整根拔出，而加入的水性环氧树脂乳液中环氧树脂被还原出来后，环氧树脂在钢纤维表面形成环氧树脂胶膜，环氧树脂中的环状树脂基中有电负性极强的氧原子能与钢纤维中的外层自由电子形成次价键；另外DFG-88固化剂中含有一定量的表面活性剂－苯甲醇，它是一种亲水性的物质，分散在还原出来的水中，而这种表面活性剂与钢纤维表面产生物理化学吸附，且吸附能力随着水泥水化时产生的热量导致混凝土内部温度的升高而增大。因此水性环氧树脂的加入大大加强了混凝土与钢纤维之间的粘结力，提高了SFRC的抗折和抗拉能力。
(3) 由于水的存在，混凝土中存在着不同孔径的小孔，其分布范围为0.0005µm～10µm，这些孔径结构、孔分布对混凝土的性质有较大的影响。水性环氧树脂加入SFRC后，混凝土中的孔径分布变化较为明显，大孔径的数量减小了，而小孔径数量有所增加，简而言之就是混凝土中的孔径级配发生了变化。一般认为，混凝土的力学性能不仅受孔隙率的影响，而且还受孔级配的影响。混凝土中孔径越小，混凝土越密实，其表现出来的各种力学性能也越好。水性环氧树脂掺入SFRC中发生孔结构变化的原因是还原出来的环氧树脂颗粒填充了水泥浆体的毛细孔和大孔，因为SFRC在集料与水泥基体之间存在着过渡区，但过渡区结构松散，与集料的粘结能力较弱，加入水性环氧树脂后，不仅使得过渡区结构密实，而且使得水泥浆体与骨料之间的联接大大加强了，从而使得混凝土中的孔径向着微孔(<10µm)方向移动，因此加入水性环氧树脂后的SFRC各项力学性能得到较大的提高。
5．工程实例
5.1 加固桥梁概述
番禺大石大桥位于番禺区大石镇内，桥全长455.50m，主跨为2×38.2m预应力钢筋混凝土T型刚构＋24.3m预应力钢筋混凝土简支挂梁，引桥为12跨25.0m预应力钢筋混凝土简支T梁。
桥面宽度：净－9.0＋2×1.5m，设计荷载为汽－20、挂－100。该桥原采用普通混凝土铺装，设计厚度为6－10cm，实际平均厚度为5—7cm。整个桥面铺装采用连续铺装结构，每80m为一组，全桥设六道伸缩缝，为了消除温缩应力，在桥面铺装层的表面进行了切缝，缝间距为5m。由于超重载车频繁在该桥通过，使得该桥处于超负荷工作状态，桥面铺装层出现了局部破损以及纵横向裂缝，其中以横向裂缝居多，横向裂缝主要集中在梁端间的伸缩缝铺装层连接处，裂缝宽度最大达到2cm。
5.2 破坏原因分析
分析局部破损和两种裂缝出现的位置，发现破坏部位均出现在负弯矩区，这实际上是桥面刚性结构连接部位在荷载作用下，产生较大负弯矩的作用，由此产生的拉应力超过混凝土抗拉强度的结果。从结构上分析，在纵向翼板之间及附近，大多数横隔板在超载荷载的作用下，在翼板交界处出现过大的竖向变形，导致桥面铺装层受拉而拉裂；或者由于翼板之间出现相对竖向位移而被剪裂。出现横向裂缝的梁端之间的伸缩缝铺装层连接处，主要是由于超载作用下，梁端出现转动，引起铺装层受拉而被拉裂。同时发现，在桥面铺装前，对桥面板的表面处理不够彻底，造成桥面板与铺装层之间形成夹层，从而导致铺装层与桥面板的粘结力不足而脱离，使得桥面铺装层过早破坏。
5.3 加固方法
总的来说，番禺大石大桥桥面铺装层的损坏，是由于荷载作用下的应力超过材料的抗拉强度所致。因此，为了改善桥面的使用功能，延长桥面铺装层的使用寿命，同时根据室内试验结果（水性环氧树脂掺入SFRC后，混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度有较大的提高），番禺大石大桥桥面铺装层破损部位拟采用水性环氧树脂增强钢纤维混凝土。所用加铺材料配合比为：
水性环氧树脂乳液中含水量为40%，钢纤维掺量为混凝土体积掺量的1.5%。
5.4 施工工艺
（1）清除旧桥面铺装层破损部位留下的杂质，主要是指凿除桥面上松散的混凝土块及膨胀物，还包括对桥面现浇层的一些表面微裂缝进行处理，采用灌浆料对桥面现浇层的微裂缝进行封填。
（2）凿除伸缩缝处的铺装层（具体尺寸见下图）
（3）凿除需处理的铺装层处的桥面混凝土现浇层2cm，露出新鲜的混凝土，在混凝土表面涂刷粘结胶1～2道。
（4）浇注水性环氧树脂改性钢纤维混凝土铺装层，采用震捣板进行震捣密实。
5．5 试验使用情况
番禺大石大桥桥面铺装层维修试验于2004年10月底完成，至今已经超过1年半的时间。从目前的使用效果来看，修补后的铺装层完好无损，新旧铺装层之间未出现明显裂缝，所出现的微裂缝均为初期养护及行车振动而引起的。从跟踪的观测结果来看，这些微裂缝均保持稳定，没有发展的趋势。
6．结论
本文研究了在钢纤维混凝土中加入不同掺量的水性环氧树脂后的各种力学性能，并对水性环氧树脂增强SFRC力学性能机理进行了分析。通过实验和理论分析，并经过桥梁加铺层修补的实际使用，作者认为水性环氧树脂增强SFRC各项力学性能有以下几个结论：
(1) 水性环氧树脂掺入SFRC后，混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度有较大的提高，但是立方体抗压和轴心抗压强度增加不是很大。
(2) 水性环氧树脂对SFRC改性，存在一个水性环氧树脂最佳掺量的问题，并不是掺量越多越好，因为从经济上来说，水性环氧树脂掺量越多，成本越高，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。
(3) 水性环氧树脂对SFRC各种力学性能的早期强度有较大的提高，一般7d龄期强度可达到28d龄期强度的75%左右。
(4) 水性环氧树脂的粘结能力强，能使钢纤维和混凝土之间更好的粘结在一起，充分发挥二者的极限强度。
(5) 由于水性环氧树脂是一种亲水性的聚合物，其渗透能力强，能尽可能减少混凝土中的水泥基在水化过程中出现的裂缝等孔隙，增加了混凝土的密实性。
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