水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土性能研究

　　摘 要：本文主要研究以水性環(huán)氧樹(shù)脂為改性材料的混凝土，測(cè)定了不同摻量下的水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土在常溫和高溫情況下各個(gè)齡期的力學(xué)性能指標(biāo)，進(jìn)行了不同摻量下的水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土抗?jié)B性能和干縮性能試驗(yàn)，并對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)水泥混凝土各種性能指標(biāo)的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了分析。

　　關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧樹(shù)脂；混凝土；力學(xué)性能 

　　一、引言

　　近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，交通運(yùn)輸事業(yè)也發(fā)展迅速，道路與車(chē)輛的矛盾日漸顯露。由于車(chē)輛數(shù)目的增加以及車(chē)輛超重載現(xiàn)象的日趨嚴(yán)重，各級(jí)公路尚未到使用壽命的年限，就已經(jīng)損壞非常嚴(yán)重了，不得不提前維修，而公路維修和養(yǎng)護(hù)需要封閉或半封閉交通，這與交通的順暢形成了突出的矛盾。因此，如何在短時(shí)間內(nèi)，使得維修和養(yǎng)護(hù)過(guò)的路面混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到28d齡期強(qiáng)度的較大值，成為眾多公路研究者較為關(guān)心的課題。

　　環(huán)氧樹(shù)脂一種高強(qiáng)度的膠粘材料，由于它具有高粘結(jié)性，抗拉、抗折、抗沖擊等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)高，目前已經(jīng)被大量應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域，在建筑行業(yè)內(nèi)，環(huán)氧樹(shù)脂被廣泛應(yīng)用于建筑物的加固、補(bǔ)強(qiáng)。但是由于環(huán)氧樹(shù)脂是一種高黏度的、不溶于水的、油性聚合物，其不能與親水性的材料混合使用。

　　水性環(huán)氧樹(shù)脂是把環(huán)氧樹(shù)脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而配得的穩(wěn)定樹(shù)脂材料。水性環(huán)氧樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂相比較，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可在室溫和潮濕或過(guò)濕的環(huán)境中固化，能與水泥砂漿、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強(qiáng)度、韌性、抗沖擊性能，增強(qiáng)防水性能。 

　　二、水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

　　2．1試驗(yàn)材料

　?。?）水泥：廣州石井牌PO32.5普通硅酸鹽水泥；（2）細(xì)骨料：河砂，最大粒徑5mm，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀(guān)密度2.58g·cm-3，堆積密度1.48×103 kg·m-3，試驗(yàn)前先將砂放于烘箱內(nèi)烘干，砂的含水率為0%；（3）粗骨料：石灰?guī)r碎石，表觀(guān)密度2.98 g·cm-3，堆積密度1.54×103 kg·m-3，顆粒級(jí)配為5～20mm，連續(xù)級(jí)配；（4）水性環(huán)氧樹(shù)脂：廣州東風(fēng)化工有限公司生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂固含量為60%；（5）固化劑：廣州東風(fēng)化工有限公司生產(chǎn)的水性胺類(lèi)固化劑。

　　2．2材料配合比

　　基準(zhǔn)混凝土配合比為：水泥：砂：石：水＝400kg：602kg：1222kg：176kg，水灰比w：c＝0.44，砂率為33％，水性環(huán)氧樹(shù)脂與水性胺類(lèi)固化劑的重量比為4：1?？紤]到水性環(huán)氧樹(shù)脂是一種親水性的乳液，因此將水性環(huán)氧樹(shù)脂加入混凝土中，視為全部加入水份，考慮到需要對(duì)比水性環(huán)氧樹(shù)脂改性后的混凝土與基準(zhǔn)混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)，故保持水灰比不變，原基準(zhǔn)混凝土中的水份需根據(jù)摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂的用量而減少。 

　　2．3試驗(yàn)原理及項(xiàng)目

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GBJ107《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》和JTJ053-94《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)，主要測(cè)定：⑴水性環(huán)氧樹(shù)脂改性后的水泥混凝土在各個(gè)齡期的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；⑵在高溫情況下的立方體抗壓、抗折強(qiáng)度。立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為150mm×150mm×150mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為150mm×
150mm×550mm。

　　2．4不同摻量下的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥混凝土配合比

　　2．5試驗(yàn)結(jié)果

　　(Ⅰ) 試件成型12h立方體抗壓、抗折強(qiáng)度

　　(Ⅱ) 試件成型24h立方體抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度

　　(Ⅲ) 試件成型3d立方體抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度

　　(Ⅳ) 試件成型28d立方體抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度

　　(Ⅴ) 試件成型28d在高溫下（50℃）立方體抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度

　　試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d，將試件浸泡在HWY－1型恒溫水浴箱中從20℃開(kāi)始加溫至50℃（加溫時(shí)間控制在1h內(nèi)完成），并在50℃水溫中養(yǎng)護(hù)約1～2h，然后將試件取出進(jìn)行抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度測(cè)定。

　　2．6試驗(yàn)結(jié)論

　　從上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　(1)不同摻量的水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)同一配合比的混凝土的抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度都有提高，尤其是對(duì)抗壓強(qiáng)度有著顯著的提高。

　　(2)對(duì)于摻有水性環(huán)氧樹(shù)脂的混凝土12h齡期的劈拉強(qiáng)度值較小，尤其是未摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂的普通混凝土，劈拉強(qiáng)度值上為0MPa，摻入一定量（最高摻量為40％時(shí)）水性環(huán)氧樹(shù)脂的混凝土劈拉強(qiáng)度值也不超高2MPa，考慮到摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂后所增加的成本，在實(shí)際工程中意義不大。 

　　(3)摻有水性環(huán)氧樹(shù)脂的混凝土12h、24h、3d齡期的抗壓、抗折強(qiáng)度值增幅較大，從曲線(xiàn)圖中可以明顯看出：①摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度有較大的提高，尤其是在試件成型24h后，增幅最為明顯，其中抗壓強(qiáng)度值最大增幅達(dá)到了330％，抗折強(qiáng)度值最大增幅達(dá)到了254%，劈拉強(qiáng)度值最大增幅達(dá)到了320%；②從試件成型的12h、24h、3d這三個(gè)齡期來(lái)看，成型24h是水性環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)揮其增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能效果最為明顯的時(shí)段，這可能是因?yàn)樵?4h后水性胺類(lèi)固化劑將水性環(huán)氧樹(shù)脂中的環(huán)氧樹(shù)脂全部分離出來(lái)了，而這時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂與水泥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)最為劇烈。

　　(4)水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土28d齡期的劈拉強(qiáng)度增幅不大，抗壓強(qiáng)度有一定提高，最大增幅為128％。這說(shuō)明在提高混凝土的抗壓強(qiáng)度值這項(xiàng)力學(xué)性能方面，水性環(huán)氧樹(shù)脂在各個(gè)齡期都有較大的提高，在后期有較好的延性；在提高混凝土的劈拉和抗折強(qiáng)度這兩項(xiàng)力學(xué)性能方面，雖然沒(méi)有提高早期強(qiáng)度那么明顯，但是還是有一定的提高。

　　(5)水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土28d齡期后，在50℃的高溫下養(yǎng)護(hù)2~3h，其抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度值與常溫下的基本持平，略有少許下降。這說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂具有一定的耐高溫能力，其與混凝土能保持相對(duì)一致的高溫變形，不會(huì)出現(xiàn)剝離、軟化等現(xiàn)象，并且能夠在力學(xué)性能方面與常溫下基本相同，這就很好地滿(mǎn)足了公路養(yǎng)護(hù)、維修時(shí)的實(shí)際情況。 

　　三、水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

　　3．1試驗(yàn)原理

　　該試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-1985）實(shí)施，試驗(yàn)所用材料種類(lèi)、混凝土配合比以及水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量與力學(xué)性能試驗(yàn)相同，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，試件試驗(yàn)齡期為28d。試驗(yàn)采用HS-4B型混凝土滲透儀，其加壓范圍為0～4MPa，每次試驗(yàn)安裝一組試件（6個(gè)），試驗(yàn)時(shí)由初始的0.1 MPa開(kāi)始加壓，加壓持續(xù)8h，如未發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)透水或透水試件總數(shù)不超過(guò)3個(gè)試件時(shí)，試驗(yàn)壓力遞增0.1MPa，依次類(lèi)推，直至透水試件超過(guò)3個(gè)試件時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

　　3．2試驗(yàn)結(jié)果

　　3．3試驗(yàn)結(jié)論

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土中摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂，可大幅度提高混凝土的抗?jié)B性能，而且隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻入量增大，水泥混凝土的抗?jié)B性能也隨之提高。從上表中可以看出，在混凝土中摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂后，不僅抗?jié)B時(shí)間大幅度增加，而且耐水壓力也大幅度提高。

　　在試驗(yàn)中，將未產(chǎn)生透水現(xiàn)象的試件剖開(kāi)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：尚未完全透水的水泥混凝土試件透水高度均達(dá)到了120mm；而尚未完全透水的摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土試件透水高度僅為60~90mm，且水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量越高，透水高度越低。 

　　四、水性環(huán)氧樹(shù)脂混凝土干縮性能試驗(yàn)

　　4．1試驗(yàn)原理

　　該試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-1985）實(shí)施，試驗(yàn)所用材料種類(lèi)、水泥混凝土配合比以及水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量與力學(xué)性能試驗(yàn)相同，試件尺寸為150mm×150mm×550mm。試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度為20℃±2℃，相對(duì)濕度為60％±5％）養(yǎng)護(hù)28d，測(cè)定試件長(zhǎng)度的變化率作為其干縮性能的指標(biāo)，以干縮率表示。

　　4．2試驗(yàn)結(jié)果

　　4．3試驗(yàn)結(jié)果

　　從上面的圖表可以看出：摻有水性環(huán)氧樹(shù)脂的混凝土的收縮率比較水泥混凝土隨著齡期的增加而減小了，并且水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻量越大，收縮率也越大。由此可以得出，水性環(huán)氧樹(shù)脂可以減小混凝土的收縮。 

　　五、水性環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能機(jī)理分析

　　(1)水性環(huán)氧樹(shù)脂是把環(huán)氧樹(shù)脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而配得的穩(wěn)定樹(shù)脂材料，它對(duì)混凝土的改性是由在膠凝材料相中的水泥水化和水性環(huán)氧樹(shù)脂成膜的進(jìn)程來(lái)控制的。由于水性胺類(lèi)固化劑能在短時(shí)間內(nèi)（2h）將水性環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂與水份分離，因此水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液中環(huán)氧樹(shù)脂顆料聚結(jié)成膜的進(jìn)程先于水泥水化的進(jìn)程，最終由于水泥水化和水性環(huán)氧樹(shù)脂成膜形成了一個(gè)復(fù)合的膠鏈的膠凝材料相，另外還原出來(lái)的環(huán)氧樹(shù)脂是一種具有高強(qiáng)度、高粘結(jié)力、高彈性模量的高分子聚合物，因此能夠提高混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能，特別是混凝土早期的強(qiáng)度。

　　(2)混凝土中摻入水性環(huán)氧樹(shù)脂后，由于水性環(huán)氧樹(shù)脂有較強(qiáng)的粘結(jié)力，使得漿體可以均勻地包裹在骨料的表面，混凝土成型后，表面光滑，試件形成均勻、緊密的空隙結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)椋孩偎原h(huán)氧樹(shù)脂的摻入，使得水泥漿體的稠度增加，粘性增強(qiáng)，水泥漿體、水性環(huán)氧樹(shù)脂與骨料之間形成較高粘結(jié)力的膜，對(duì)骨料的包裹更加密實(shí)；②水性環(huán)氧樹(shù)脂的摻入具有一定的引氣和減水作用，可以提高漿體的流動(dòng)性，可以使試件在成型時(shí)混凝土內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生落漿的現(xiàn)象，提高了混凝土的抗?jié)B性能。

　　(3)水性環(huán)氧樹(shù)脂能阻止混凝土塑性期裂縫的產(chǎn)生，水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液中環(huán)氧樹(shù)脂被還原出來(lái)后，這種粘結(jié)力很強(qiáng)的聚合物能迅速填補(bǔ)混凝土表面蒸發(fā)水分所留下的微裂縫，另外水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液是均勻地分散在混凝土中，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液中的環(huán)氧樹(shù)脂被逐漸還原出來(lái)，它能夠填補(bǔ)混凝土內(nèi)部粗、細(xì)集料之間由于攪拌不均勻而造成的孔隙和裂縫，并且它還能夠加強(qiáng)混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力，使得整個(gè)混凝土內(nèi)部形成一個(gè)密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這在一定程度上阻止了粗、細(xì)骨料的沉降，同時(shí)也降低了混凝土表面的析水現(xiàn)象。 

　　6． 結(jié)論

　　(1)    水性環(huán)氧樹(shù)脂摻入混凝土后，混凝土的抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度都有不同程度的提高，尤其是混凝土的早期強(qiáng)度得到了較大的提高。

　　(2) 由于水性環(huán)氧樹(shù)脂是一種水性的聚合物，具有較好的流動(dòng)性和較強(qiáng)的粘結(jié)力，在混凝土中摻入一定量的水性環(huán)氧樹(shù)脂，混凝土的抗裂性能和抗?jié)B性能有較明顯的提高。

　　(3) 水性環(huán)氧樹(shù)脂摻入混凝土后存在一個(gè)水性環(huán)氧樹(shù)脂最佳摻量的問(wèn)題，并不是摻量越大越好，因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)，水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量越多，成本也越高，這在工程上的廣泛應(yīng)用是不可取的；從施工角度上說(shuō)，水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量越多，還原出來(lái)的環(huán)氧樹(shù)脂量也越多，整個(gè)混凝土的粘性也越大，施工操作也越困難。

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