水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿自修復(fù)性能的研究

□文/陳佳寧 劉鳳東 王冬梅 滕 藤 李趙相

試驗(yàn)結(jié)果證明水泥基材料硬化體被破壞后存在自修復(fù)的現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)外水泥基材料的自修復(fù)性能研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)方向[1]。水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿產(chǎn)品由于其出色的力學(xué)性能和耐腐蝕性在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。目前，我國(guó)對(duì)于水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿自修復(fù)性能的研究較少，本文對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥漿的自修復(fù)性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)原料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1）水泥：唐山冀東水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

2）砂子：2.26 mm以下連續(xù)級(jí)河砂。

3）環(huán)氧樹(shù)脂：江蘇三木集團(tuán)有限公司E51環(huán)氧樹(shù)脂，見(jiàn)表1。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂的主要性能指標(biāo)

4）固化劑：美國(guó)氣體化學(xué)721自乳化型改性胺類(lèi)固化劑，見(jiàn)表2。

表2 固化劑的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 攪拌方法

在試驗(yàn)中采用符合JC/T 681—2005《行星式水泥膠砂攪拌機(jī)》的行星式水泥膠砂攪拌機(jī)低速攪拌。先將A（環(huán)氧樹(shù)脂）、B（固化劑）兩組分混合后加水?dāng)嚢杈鶆蛞恢潞笤偌尤隒組分（粉料）攪拌均勻。

1.2.2 拉伸粘接強(qiáng)度

參考標(biāo)準(zhǔn)JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》進(jìn)行。

1.2.3 抗壓和抗折強(qiáng)度

采用40 mm×40 mm×160 mm試件，成型后放置在溫度（20±3）℃的養(yǎng)護(hù)室中24 h后拆模，保持養(yǎng)護(hù)溫度在（20±3）℃，濕度（50±5）%，繼續(xù)養(yǎng)護(hù) 27 d。參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行7、28 d的抗壓、抗折性能測(cè)試。

1.2.4 抗?jié)B壓力比

用上口直徑70 m、下口直徑80 mm、高30 mm的截頭圓錐帶底金屬試模成型抗?jié)B試件，成型后放置在（20±3）℃的養(yǎng)護(hù)室中24 h后拆模，脫模后放入（20±3）℃的水中養(yǎng)護(hù)至7 d，取出待表面干燥后，用滲透儀中進(jìn)行抗?jié)B壓力測(cè)試直至透水，然后繼續(xù)在（20±3）℃的水中養(yǎng)護(hù)至14 d，取出帶表面干燥后進(jìn)行抗?jié)B壓力測(cè)試。14 d抗?jié)B壓力與7 d抗?jié)B壓力比值為試塊的抗?jié)B壓力比。

1.2.5 抗壓強(qiáng)度比

采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件，成型后放置在（20±3）℃的養(yǎng)護(hù)室中24 h后拆模，保持養(yǎng)護(hù)溫度（20±3）℃，濕度（50±5）%，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)27 d，測(cè)量 28 d抗壓強(qiáng)度，當(dāng)抗壓強(qiáng)度數(shù)值達(dá)到最大值時(shí)候停止測(cè)試。然后繼續(xù)在（20±3）℃的水中養(yǎng)護(hù)至7 d，測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，第二次抗壓強(qiáng)度與第一次抗壓強(qiáng)度比值為試塊的抗壓強(qiáng)度比。

1.2.6 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)原料配比見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)原料配比 g

2 結(jié)果和討論

2.1 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響

圖1為水性環(huán)氧樹(shù)脂加入量對(duì)14 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

圖1 水性環(huán)氧樹(shù)脂加入量對(duì)拉伸粘度強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂量摻加量增大，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度增大。在水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿中，水泥的水化反應(yīng)與水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的反應(yīng)時(shí)協(xié)同進(jìn)行，水性環(huán)氧樹(shù)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，從而提高復(fù)合材料拉伸粘結(jié)強(qiáng)度[2]。隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻加量增大，拉伸強(qiáng)度達(dá)到水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿本身的強(qiáng)度數(shù)值，因此當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂加入量超過(guò)4 g后拉伸強(qiáng)度在1.0～1.2 MPa之間變化。

隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂添加量增大，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿粘度增大，由于水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度得到了明顯的提高，但當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量過(guò)高，施工作業(yè)難度增大。

2.2 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)力學(xué)性能的影響

圖2為水性環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

從圖2可以看出，隨著環(huán)氧樹(shù)脂量的增加抗壓強(qiáng)度先稍微有所增大然后又有所減小。在水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿中隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑逐漸反應(yīng)交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水泥水化產(chǎn)物、骨料結(jié)合在一起形成了連續(xù)致密的結(jié)構(gòu)，提高了水泥砂漿內(nèi)部界面過(guò)渡區(qū)的致密程度，從而提高了抗壓強(qiáng)度[3]。

添加水性環(huán)氧樹(shù)脂的水泥砂漿的抗折強(qiáng)度比空白試塊有明顯的提高，抗壓強(qiáng)度和空白試塊相比在添加量4 g以下有所增加，在添加量超過(guò)4 g時(shí)有所降低。

圖3為水性環(huán)氧樹(shù)脂添加量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響。

從圖3可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量增大，復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度也逐漸增大。隨著水泥水化吸收水分，水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑逐漸反應(yīng)形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[4]。這種結(jié)構(gòu)中水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑反應(yīng)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穿透過(guò)水泥石中的孔隙連接形成一個(gè)具有一定彈性的結(jié)構(gòu)，分散了應(yīng)力集中，又增加了抵抗變形能力，因而提高了水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿的抗折性能。

2.3 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)抗?jié)B壓力比的影響

圖4為水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)水泥砂漿抗?jié)B壓力比的影響。

圖2 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖4 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)抗?jié)B壓力比的影響

從圖4可以看出，水性環(huán)氧樹(shù)脂的添加量增大，一次抗?jié)B壓力逐漸增大。水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿在水泥水化和水性環(huán)氧樹(shù)脂固化完成后，由于水性環(huán)氧樹(shù)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)水泥砂漿內(nèi)部界面間的薄弱環(huán)節(jié)水性環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑反應(yīng)交聯(lián)產(chǎn)物和水泥水化產(chǎn)物以及填料結(jié)合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，材料整體孔隙減少，致密性增強(qiáng)。同時(shí)水性環(huán)氧樹(shù)脂中的活性基因與水泥水化中游離Ca2+、Al3+、Fe2+等離子進(jìn)行交換形成特殊的橋鍵，改善了水泥漿物理的組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，使得承受變形能力增強(qiáng)因此材料的一次抗?jié)B壓力明顯得到了提高。當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿抗?jié)B試塊被打穿后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的水中養(yǎng)護(hù)[5]，砂漿試塊中未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，部分沒(méi)有完全與固化份水性環(huán)氧樹(shù)脂滲透到被打穿的孔隙部位繼續(xù)發(fā)生固化反應(yīng)。在兩者的協(xié)同作用下，砂漿試塊的二次抗?jié)B壓力逐漸增加。隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量的增大，水性環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)體阻擋了未水化的水泥顆粒進(jìn)一步的水化反應(yīng)，二次抗?jié)B壓力比有所降低。

水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入增加了水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿的抗?jié)B壓力，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂添加量的增大，抗?jié)B壓力比也逐漸增大。當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量超過(guò)6 g時(shí)，抗?jié)B壓力比有所降低。

2.4 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)二次抗壓強(qiáng)度的影響

圖5為水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響。

圖5 水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)一次、二次抗壓強(qiáng)度的影響

在水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿中，水泥水化反應(yīng)和水性環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)協(xié)同進(jìn)行，最終交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿抗壓達(dá)到最大壓力值時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞[6]。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的水中養(yǎng)護(hù)后，砂漿試塊中未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，部分沒(méi)有完全與固化份水性環(huán)氧樹(shù)脂滲透到孔隙部位繼續(xù)發(fā)生固化反應(yīng)，從而抗壓強(qiáng)度得到恢復(fù)。在被破壞的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿試塊中，未水化的水泥顆粒的二次水化以及部分沒(méi)有固化的水性環(huán)氧樹(shù)脂顆粒繼續(xù)固化反應(yīng)使得水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿具有一定的自修復(fù)性能，隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂添加量的增大，水性環(huán)氧樹(shù)脂固化物對(duì)水泥顆粒包裹性增強(qiáng)，參與二次水化水泥顆粒逐漸減少，在兩者的協(xié)同作用下，水性環(huán)氧樹(shù)脂天添加量增大，水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度比增大，當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量為6 g時(shí)，抗壓前強(qiáng)度比達(dá)到最大值。水性環(huán)氧樹(shù)脂摻量繼續(xù)增大，對(duì)未水化水泥顆粒的抑制力增大，抗壓強(qiáng)度比有所降低。

隨著水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量增大水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿的二次抗壓強(qiáng)度有所增加，當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量大約6 g時(shí)，二次抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低。水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量增大，抗壓強(qiáng)度比增大，當(dāng)水性環(huán)氧樹(shù)脂摻加量為6 g時(shí)，抗壓強(qiáng)度比達(dá)到最大值。

3 結(jié)論

通過(guò)研究表明：水性環(huán)氧樹(shù)脂不僅具有改性水泥砂漿具有良好的粘結(jié)性能、力學(xué)性能而且也具有良好的自我修復(fù)性能。

[1]Edvardsen C.Water Permeability and Autogenous Healing ofCracks in Concrete[J].ACI Materials Journal，1999，6（4）:448-454.

[2]Aggarwal L.K.，Thapliyal，P.C，Karade S.R..Properties of Polymermodified Mortars Using Epoxyand Acrylic Emulsions[J].Construction and Building Materials，2007，21（2）:379-383.

[3]Mirza J，Mirza MS，Lapointe R..Laboratory and Field Performance of Polymer-modified Cement-based RepairMortarsinCold Climates[J].Constr Build Material，2002，16（6）:365-374.

[4]Chen J J，Zampini D，Walliser A.High-pressure Epoxy-impregnated Cementitious Materials for Microstructure Characterization[J].Cement and Concrete Research ，2002，32（1）:1-7.

[5]Struble L，Stutzman P.Epoxy Impregnation of Hardened Cement for Microstructural Characterization[J].Journal of Materials Science Letters，1989，8（6）:632-634.

[6]Whiting D，Kline D.E.Pore Size Distribution in Epoxy Impregnated Hardened Cement