水性環(huán)氧樹脂在建筑工程中的應(yīng)用★

劉鳳東 王冬梅 陳佳寧 李趙相

(1.天津天盈新型建材有限公司，天津 300381； 2.天津市建筑材料科學(xué)研究院，天津 300381)

水性環(huán)氧樹脂在建筑工程中的應(yīng)用★

劉鳳東1,2王冬梅1,2陳佳寧1,2李趙相2

(1.天津天盈新型建材有限公司，天津 300381； 2.天津市建筑材料科學(xué)研究院，天津 300381)

簡(jiǎn)述了水性環(huán)氧樹脂的兩種類型，對(duì)水性環(huán)氧樹脂與水泥復(fù)合材料的性能特性進(jìn)行了闡述，并探討了水性環(huán)氧樹脂在建筑工程中的應(yīng)用情況，指出水性環(huán)氧樹脂在建筑工程中主要應(yīng)用于制備水性環(huán)氧樹脂地坪、水性環(huán)氧樹脂界面劑、水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿等材料。

水性環(huán)氧樹脂，水泥砂漿,材料，性能

1 概述

環(huán)氧樹脂的水性化是指將環(huán)氧樹脂以及稀釋體系以微粒、液體或者膠體形式分散在水中而成的穩(wěn)定的分散體系。與溶劑型環(huán)氧樹脂相比，水性環(huán)氧樹脂具有低揮發(fā)性、使用安全、氣味小、存儲(chǔ)和運(yùn)輸安全以及在潮濕環(huán)境下作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，符合環(huán)保發(fā)展要求[1]。新型水性環(huán)氧樹脂體系具有更為優(yōu)良耐酸性物質(zhì)腐蝕性能、色彩穩(wěn)定性能，具有“呼吸”功能的新型水性環(huán)氧樹脂體系，可以用做新澆筑混凝土封閉、地坪底涂使用而不會(huì)出現(xiàn)起泡、剝落的現(xiàn)象[2]。

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的水性環(huán)氧樹脂主要分成兩種類型：Ⅰ型水性環(huán)氧樹脂采用低分子量的液態(tài)環(huán)氧樹脂，與之配合使用的固化劑為具有乳化功能的改性胺類固化劑[3]；Ⅱ型水性環(huán)氧樹脂采用高分子量的固態(tài)環(huán)氧樹脂粉末，加入助劑后乳化成水性環(huán)氧樹脂乳液[4]。Ⅰ型水性環(huán)氧樹脂配套的一般改性胺類固化劑具有乳化環(huán)氧樹脂的功能和固化交聯(lián)環(huán)氧樹脂的能力，加水?dāng)嚢韬笕榛w粒中包含環(huán)氧樹脂顆粒和固化劑兩種組分，低分子量的環(huán)氧樹脂環(huán)氧基團(tuán)密度高、擴(kuò)散速度快、能夠與固化劑中活潑氫快速發(fā)生反應(yīng)交聯(lián)后成為均勻一致的結(jié)構(gòu)，反應(yīng)成膜物硬度高、韌性差[5]；與水泥材料復(fù)合后，具有合理的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度變化不大、抗折強(qiáng)度提高、耐腐蝕性較好。

由于沒有任何有機(jī)溶劑的加入，Ⅰ型水性環(huán)氧樹脂可以做到零VOC排放，而Ⅱ型水性環(huán)氧樹脂采用高分子的固體環(huán)氧樹脂，環(huán)氧基團(tuán)密度低于Ⅰ型水性環(huán)氧樹脂，需要加入助劑通過乳化過程形成水性環(huán)氧樹脂乳液，因此無法做到零VOC排放[3,4]；Ⅱ型水性環(huán)氧樹脂的固化劑和水性環(huán)氧樹脂乳液混合后，固化劑溶解于水中，需要進(jìn)入環(huán)氧樹脂乳化顆粒中發(fā)生反應(yīng)。因此反應(yīng)交聯(lián)物密度低于Ⅰ型水性環(huán)氧樹脂，均勻性差、柔性好，與水泥材料復(fù)合后，凝結(jié)時(shí)間增大，抗壓強(qiáng)度降低、抗折強(qiáng)度提高。

水性環(huán)氧樹脂與水泥復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)水泥類材料更優(yōu)越的性能，可以在潮濕或者新澆筑的混凝土以及砂漿表面施工，作為封閉劑使用可以防止混凝土或者砂漿的泛堿現(xiàn)象，提高抗?jié)B性能。與水泥類材料配合可用作水性環(huán)氧樹脂地坪、水性環(huán)氧樹脂修補(bǔ)砂漿、水性環(huán)氧樹脂界面劑、水性環(huán)氧樹脂灌漿材料等多種產(chǎn)品，用于建筑物的修補(bǔ)、加固、灌漿和表面處理等。

2 水性環(huán)氧樹脂與水泥復(fù)合材料的性能特性

水性環(huán)氧樹脂和水泥復(fù)合材料中水泥的水化和水性環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)的成膜是一對(duì)矛盾，水泥水化需要水分，而復(fù)合材料含水量高不利于水性環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)。在復(fù)合材料中水泥水化反應(yīng)和水性環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，復(fù)合材料含水率逐漸降低，水性環(huán)氧樹脂固化速度加快，最終水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物與水泥水化的膠凝材料交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料中的水泥水化產(chǎn)物多為膠凝體和微細(xì)晶體；由于水性環(huán)氧樹脂的引入，復(fù)合材料具有良好的粘結(jié)性能、抗壓蠕變性能、抗?jié)B性能、力學(xué)性能以及耐腐蝕性能。

2.1 粘結(jié)性能

水性環(huán)氧樹脂分子中的羥基、醚基等極性基團(tuán)能夠和材料界面表面形成化學(xué)吸附，而環(huán)氧基與含有活潑氫的界面材料反應(yīng)生成化學(xué)鍵；水性環(huán)氧樹脂與水泥復(fù)合材料作為混凝土界面劑使用時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與混凝土基層接近。因此水性環(huán)氧樹脂界面劑與基層間不容易發(fā)生位移錯(cuò)開、基層脫落等現(xiàn)象，與此同時(shí)，水性環(huán)氧樹脂界面劑具有良好的封閉性能，可以防止水分、可溶性鹽等物質(zhì)滲透界面層，不會(huì)破壞界面劑和基材之間的附著力。

2.2 抗壓蠕變性能

水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿復(fù)合材料中隨著水泥水化的進(jìn)行，體系中氫氧化鈣含量增加，水性環(huán)氧樹脂和固化劑反應(yīng)產(chǎn)物也會(huì)附著在氫氧化鈣固體顆粒上，打斷了氫氧化鈣的取向生長(zhǎng)，使氫氧化鈣充分進(jìn)行水反應(yīng)。研究表明復(fù)合材料的水泥水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠以及結(jié)晶型C4AH19，不存在游離的氫氧化鈣[6]；水性環(huán)氧樹脂固化劑反應(yīng)過程中與水泥水化反應(yīng)同步進(jìn)行，體系中鈣釩石結(jié)晶粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通水泥水化后的鈣釩石結(jié)晶粒徑，降低鈣釩石結(jié)晶體積膨脹對(duì)材料性能的影響；水性環(huán)氧樹脂改性水泥灌漿材料中水泥水化的同時(shí)水性環(huán)氧樹脂和固化劑也發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與水泥水化產(chǎn)物交聯(lián)在一起，從而使復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度比普通水泥灌漿材料的抗折強(qiáng)度有50%的增加，彈性模量只有普通混凝土材料的2/3，使得復(fù)合材料能夠具有更好的抗壓蠕變性能，在大型動(dòng)設(shè)備、橋梁的加固上復(fù)合材料能夠有效的進(jìn)行震動(dòng)傳導(dǎo)，具有更長(zhǎng)的使用壽命。

2.3 抗?jié)B性能

水性環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)交聯(lián)產(chǎn)物在體系起到了膠結(jié)、填充等作用，使砂漿的平均孔徑變小，大孔變成小孔隙，孔隙分布的均勻性下降，復(fù)合材料更加致密。通過試驗(yàn)研究表明復(fù)合材料的抗?jié)B性達(dá)到2.0 MPa以上，具有優(yōu)良的防水性能，而普通的混凝土的抗?jié)B性能一般不超過0.8 MPa[7]，復(fù)合材料的這一特性，使得復(fù)合材料能夠作為剛性防水材料用于防水性能要求高的建筑工程。

2.4 力學(xué)性能

水性環(huán)氧樹脂改性水泥灌漿材料在水泥水化的同時(shí)水性環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)硬化成膜，由于它的彈性模量要低于水泥石和骨料的彈性模量，另外聚合物的富集現(xiàn)象也會(huì)降低抗壓強(qiáng)度[8]；在攪拌時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡從而降低了復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，與此同時(shí)水性環(huán)氧樹脂在復(fù)合材料中具有減水效應(yīng)，能降低體系的用水量，從而提高抗壓強(qiáng)度。

2.5 耐腐蝕性能

水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿材料在水泥水化和水性環(huán)氧樹脂固化完成后，由于水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物與水泥水化產(chǎn)物的交互連接，降低了體系的孔隙率，復(fù)合材料整體更為致密，增強(qiáng)和水泥砂漿內(nèi)部界面間的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)水性環(huán)氧樹脂中的活性基因與水泥水化中游離Ca2+，Al3+，F(xiàn)e2+等離子進(jìn)行交換形成特殊的橋鍵，在水泥顆粒周圍發(fā)生物理、化學(xué)吸附成均已穩(wěn)定的連續(xù)相[9]，因此復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能。

3 水性環(huán)氧樹脂在建筑工程中的應(yīng)用情況

3.1 水性環(huán)氧樹脂界面劑

部分新建混凝土工程以及舊建筑物結(jié)構(gòu)維護(hù)、加固、改造工程中，新舊混凝土界面劑粘結(jié)問題是影響工程質(zhì)量的重要因素。水性環(huán)氧樹脂與水泥材料復(fù)合作為界面劑用于新舊混凝土粘結(jié)時(shí)，由于其膨脹系數(shù)與混凝土接近且具有良好的粘結(jié)性能，可有效的提高新舊混凝土的粘結(jié)性能，提高工程建設(shè)質(zhì)量。作為新澆筑的混凝土表面封閉劑使用，粘結(jié)性能良好、可有效防止水分滲透從而避免混凝土泛堿現(xiàn)象?；炷劣媒缑鎰┮话阋蠡炷列枰B(yǎng)護(hù)28 d后，含水率要降低到一定程度后使用，采用新型固化劑的水性環(huán)氧樹脂體系成為物質(zhì)具有“呼吸”功能[10]，具有良好水蒸氣滲透性能，作為新澆筑混凝土表面封閉劑使用時(shí)不會(huì)發(fā)生起皮、剝離現(xiàn)象。

水性環(huán)氧樹脂由于分子鏈上的羥基和醚鍵等強(qiáng)極性基團(tuán)使環(huán)氧分子和相鄰極性界面產(chǎn)生較強(qiáng)的粘附力，與混凝土、砂漿、瓷磚、大理石等表面有很好的附著力，作為界面劑使用可用作新舊混凝土粘結(jié)、混凝土以及砂漿封閉、瓷磚和大理石等表面處理等。

3.2 水性環(huán)氧樹脂地坪

環(huán)氧地坪涂料無法避免有機(jī)溶劑的使用，對(duì)環(huán)境污染大，當(dāng)基層含水率較高時(shí)，容易出現(xiàn)起泡、起皮的現(xiàn)象，而水性環(huán)氧樹脂地坪涂料具有低VOC含量、較小的氣味、使用安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的透氣性能以及與混凝土良好的相容性，近年來得到了快速發(fā)展。

水性環(huán)氧樹脂地坪涂料由于不需加入有機(jī)溶劑，或者加入少量有機(jī)溶劑可以作為零VOC排放，符合環(huán)境保護(hù)發(fā)展的要求[11];水性環(huán)氧樹脂地坪材料完全用水分散，克服環(huán)氧地坪施工操作難度高、工具不容易清洗的缺點(diǎn)。隨著水性環(huán)氧樹脂技術(shù)的開發(fā)，目前水性環(huán)氧樹脂地坪涂料的耐腐蝕性能、低溫固化性能、涂膜性能與環(huán)氧地坪涂料相近,具有“呼吸”性能，新型水性環(huán)氧樹脂地坪涂料可用于含水率較高的混凝土基層，而不會(huì)發(fā)生起泡、起皮等現(xiàn)象。

3.3 水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿

建筑物維修加固采用的水泥砂漿和混凝土材料不能很好的滿足對(duì)抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性能和粘結(jié)性能有特殊要求的建筑工程。水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿材料具有良好的粘結(jié)性能、抗壓蠕變性能、抗?jié)B性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能[12]，可在潮濕界面和環(huán)境下快速固化,適用于建筑工程、道路橋梁等修補(bǔ)加固、灌漿以及作為防滲材料使用。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)外對(duì)水性環(huán)氧樹脂技術(shù)的開發(fā)和理論研究的深入以及產(chǎn)品價(jià)格的降低，水性環(huán)氧樹脂地坪、水性環(huán)氧樹脂界面劑以及水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿等材料在建筑行業(yè)必然會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

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Application of water borne epoxy resin in construction engineering★

Liu Fengdong1,2Wang Dongmei1,2Chen Jianing1,2Li Zhaoxiang2

(1.TianjinTianyingNewBuildingMaterialsCo.,Ltd,Tianjin300381,China;2.TianjinAcademyofBuildingMaterialSciences,Tianjin300381,China)

The paper indicates the two types of water-borne epoxy resin, illustrates the performance of the resin and the cement composite materials, explores the its application in architectural project, and points out the resin can be applied in some materials including the preparation for water-borne epoxy resin terrace, adhesion agent of water-borne epoxy resin, and modified cement mortar of water-borne epoxy resin.

water-borne epoxy resin, cement mortar, material, performance

1009-6825(2015)32-0102-03

2015-09-06★：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(課題)(課題編號(hào)：13ZXCXGX01045)

劉鳳東(1971- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師； 王冬梅(1971- )，女，教授級(jí)高級(jí)工程師； 陳佳寧(1974- )，男，工程師； 李趙相(1988- )，男，工程師

TU577

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