環(huán)氧樹脂類混凝土快速修補(bǔ)材料的研究綜述

唐傳輝,鄭遠(yuǎn)彪,方梁正,徐亦冬

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315192；3.浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 前 言

混凝土一旦開裂，不但減少有效面積，而且外部的有害物質(zhì)會(huì)滲入到混凝土內(nèi)部，發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土的性能快速降低。因此，對(duì)開裂或者破損混凝土的修補(bǔ)尤為重要。水泥基修補(bǔ)材料在形成強(qiáng)度時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生中間產(chǎn)物，而且會(huì)釋放出大量的熱量，使得這類修補(bǔ)材料發(fā)生干縮變形和開裂，從而降低修補(bǔ)性能。對(duì)此，研究人員通過向水泥基修補(bǔ)材料中加入一些改性材料，如纖維、膨脹劑、活性氧化物以及各種外加劑等，以此來抑制水泥基修補(bǔ)材料的收縮變形。但由于原材料的稀缺及較高的造價(jià)，使得高性能水泥基修補(bǔ)材料未能進(jìn)行大面積推廣。大量研究表明[1]：環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料相對(duì)于水泥基修補(bǔ)材料而言，具有前期強(qiáng)度高、收縮變形小、粘結(jié)力強(qiáng)、耐水性能好、極限應(yīng)變大及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，使得這類修補(bǔ)材料受到越來越多的關(guān)注。

1 環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料的分類及研究成果

用于混凝土修補(bǔ)的環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料主要由環(huán)氧樹脂、固化劑、外加劑、稀釋劑以及填料組成；根據(jù)組分的不同，可分為環(huán)氧樹脂灌漿材料、環(huán)氧樹脂改性水泥基修補(bǔ)材料、環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)材料以及環(huán)氧樹脂混凝土修補(bǔ)材料，表1列舉了各組分的類別。

表1 組分及類別

作為膠凝材料的環(huán)氧樹脂不能單獨(dú)使用，需要和固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)才能形成強(qiáng)度，其強(qiáng)度形成的機(jī)理在于：環(huán)氧樹脂分子中的環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)與固化劑分子發(fā)生加聚反應(yīng)，固化交聯(lián)形成致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹脂體的粘稠度比較大，需要加一定量的稀釋劑來降低其稠度，以滿足施工的要求。

1.1 環(huán)氧樹脂灌漿材料

環(huán)氧樹脂灌漿材料主要用于混凝土裂縫修補(bǔ)和土層的加固，主要由環(huán)氧樹脂、固化劑和各類改性材料組成。單一的環(huán)氧樹脂固化劑體系由于存在許多缺點(diǎn)，如韌性差、揮發(fā)性強(qiáng)、抗水性差以及稠度大不利于施工等，因此，通常需要根據(jù)不同的使用要求向體系中加入各種改性材料。改性材料主要分為對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性、對(duì)固化劑進(jìn)行改性以及向體系加入外加劑這三類。曾娟娟等[2]針對(duì)低溫環(huán)境，利用自制改性的固化劑和加入活性稀釋劑制備出了低溫固化的環(huán)氧樹脂灌漿材料，該灌漿材料在低于室溫時(shí)的初凝時(shí)間為30～90 min；汪在芹等[3]選用雙酚A型環(huán)氧樹和胺類固化劑，同時(shí)加入活性稀釋劑和表面活性劑，制備出能在水下固化的環(huán)氧樹脂灌漿材料，并成功運(yùn)用于實(shí)際工程中。為提高該材料的修補(bǔ)性能，表2列舉了目前研究人員所做的一些成果。

表2 環(huán)氧樹脂灌漿材料研究成果

1.2 環(huán)氧樹脂改性水泥基修補(bǔ)材料

傳統(tǒng)的水泥基修補(bǔ)材料具有收縮變形大、粘結(jié)強(qiáng)度小、易失效以及抗沖擊韌性差等缺點(diǎn)，因此研究人員為提高其修補(bǔ)性能，向水泥基修補(bǔ)材料中加入一定量的環(huán)氧樹脂乳液，此時(shí)的環(huán)氧樹脂乳液以一種外加劑的形式存在。這類修補(bǔ)材料主要用作灌漿材料以及用于水工結(jié)構(gòu)物的修補(bǔ)。改性原理在于：環(huán)氧樹脂分子形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將水泥中的水化產(chǎn)物緊密的握裹在一起，形成三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了修補(bǔ)材料的致密性和韌性，其微觀結(jié)構(gòu)的變化如圖1所示。圖1中，(a)普通水泥混凝土;(b)環(huán)氧樹脂(5%)水泥混凝土; (c)環(huán)氧樹脂(10%)水泥混凝土; (d)環(huán)氧樹脂(15%)水泥混凝土; (e)環(huán)氧樹脂(20%)水泥混凝土[7]。

從圖1可以看出，隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，固化物分子的密實(shí)度明顯得到提高。因此，適宜的環(huán)氧樹脂膠凝體系能降低水泥基修補(bǔ)材料的孔隙率，增加其抗折強(qiáng)度的同時(shí)也會(huì)減小抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度的降低是因?yàn)閱我坏沫h(huán)氧樹脂膠凝體系的強(qiáng)度低于水泥砂漿。但這類修補(bǔ)材料也存在初凝時(shí)間較長，前期強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，表3列舉了環(huán)氧樹脂改性水泥基修補(bǔ)材料的一些研究成果。

圖1 不同環(huán)氧樹脂摻量水泥混凝SEM

表3 環(huán)氧樹脂改性水泥基修補(bǔ)材料研究成果

1.3 環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)材料

環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)材料由環(huán)氧樹脂體系和水泥組成，與環(huán)氧樹脂改性水泥基修補(bǔ)材料不同的是，此時(shí)的環(huán)氧樹脂不是以一種外加劑的形式存在，而是按照一定比例等量或者全部替代水泥。環(huán)氧樹脂體系在該修補(bǔ)材料中充當(dāng)膠凝材料并占據(jù)主要成分，水泥不再作為膠凝材料，而是作為一種填充材料。由于水泥顆粒比表面積較大，使其能夠在環(huán)氧樹脂體系中均勻分布，可增加漿液的粘稠度，減少環(huán)氧樹脂砂漿分層現(xiàn)象的發(fā)生。這類修補(bǔ)材料既可用于混凝土結(jié)構(gòu)或者路面缺陷的修補(bǔ)，也可以作為一種灌漿材料用于混凝土裂縫的修補(bǔ)。表4則列舉了研究人員為提高該修補(bǔ)材料性能所做的研究成果。

1.4 環(huán)氧樹脂混凝土修補(bǔ)材料

環(huán)氧樹脂混凝土修補(bǔ)材料作為一種聚合物混凝土，主要由有機(jī)物組分和無機(jī)物組分兩部分組成。有機(jī)物組分充當(dāng)膠凝材料，由環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑以及各種改性材料組成；無機(jī)物充當(dāng)填充材料，由水泥和粗細(xì)骨料構(gòu)成。環(huán)氧樹脂修補(bǔ)混凝土具有初凝時(shí)間短、前期強(qiáng)度發(fā)展快、粘結(jié)性能優(yōu)異、抗拉強(qiáng)度大、韌性好、抗沖擊性能好以及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于混凝土構(gòu)件或路面大面積缺陷的修補(bǔ)具有廣泛的應(yīng)用前景[14-15]。黃鈺桐等[16]開展環(huán)氧樹脂混凝土前期強(qiáng)度的預(yù)測模型研究，指出在養(yǎng)護(hù)24 h內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度能達(dá)到養(yǎng)護(hù)完成的90%上，這很好地解釋了環(huán)氧樹脂混凝土能作為快速修復(fù)材料的合理性。表5所示為環(huán)氧樹脂混凝土修補(bǔ)材料的研究成果。

表5 環(huán)氧樹脂混凝土修補(bǔ)材料研究成果

2 結(jié)論與展望

通過列舉各類修補(bǔ)材料的研究成果可以看出：環(huán)氧樹脂灌漿材料、環(huán)氧樹脂改性水泥基修補(bǔ)材料這兩者的研究集中于各種改性方法，通過改變固化物分子結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高修補(bǔ)性能的目的，即微觀層面；而環(huán)氧砂漿、環(huán)氧樹脂混凝土的研究則更多的集中于配合比優(yōu)化和改善養(yǎng)護(hù)條件兩個(gè)方面，即宏觀層面。此外，對(duì)于膠凝材料的選用，寧波某鋼橋面鋪裝公司近期研發(fā)的環(huán)氧瀝青膠凝材料具有初凝時(shí)間短、收縮變形小、抗壓強(qiáng)度大及韌性好等優(yōu)點(diǎn)，將該材料用于瀝青混凝土的修補(bǔ)，將具有廣闊的市場空間。但目前對(duì)于環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料的研究仍存在著一些不足，主要體現(xiàn)如下。

1)對(duì)于如何提高環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料的性能，多數(shù)研究體現(xiàn)在微觀和宏觀兩個(gè)層面，細(xì)觀層面的研究還較少，如較少見到對(duì)環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料孔徑分析和膠凝材料與各種填料界面之間粘結(jié)強(qiáng)度的研究報(bào)告；再者多數(shù)研究沒能將微觀、細(xì)觀和宏觀三個(gè)層面聯(lián)系起來，缺乏尺度過渡的分析。

2)現(xiàn)階段的研究主要集中于環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料短期力學(xué)性能，對(duì)長期性能的研究不夠深入與系統(tǒng)。在各種不同的使用環(huán)境下，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料長期性能的退化、損傷機(jī)理與預(yù)防機(jī)制的研究。

3)在環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料與待修補(bǔ)混凝土的界面之間，兩者粘結(jié)強(qiáng)度機(jī)理的研究較少，大多數(shù)研究都通過拉拔或者抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)來評(píng)價(jià)兩者粘結(jié)強(qiáng)度的大小，未對(duì)兩者粘結(jié)力的來源進(jìn)行深入的分析，從而缺乏界面處理的理論依據(jù)。

4)在疲勞荷載下，建立環(huán)氧樹脂類修補(bǔ)材料本身及修復(fù)構(gòu)件兩者疲勞壽命的研究報(bào)告較為少見，為預(yù)測修復(fù)構(gòu)件的壽命，應(yīng)加強(qiáng)這一方面的研究。

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