環氧樹脂基混凝土用于鋪裝材料的現狀與分析

楊宇軒 馮玲 羅琦曦

（中南林業科技大學土木工程學院 長沙 410004）

普通硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強度很高，但是抗拉強度不高；普通硅酸鹽混凝土的抗沖擊性能不高導致普通硅酸鹽混凝土容易開裂等問題都是普通硅酸鹽水泥混凝土在工程實際中隨著使用年限增長而出現的工程實際問題。另外耐化學腐蝕性能差不宜用于經常與海水等腐蝕介質相接觸的工程。特別是在橋頭與路面相接處（橋頭搭板處）往往發生橋頭“跳車”現象，這種巨大的沖擊力對普通硅酸鹽水泥混凝土造成的損傷很大，往往導致橋頭出現凹槽，坑洞。此外作為橋頭凹槽，坑洞的修補材料，普通硅酸鹽水凝混凝土的使用壽命不長，往往需要長期的，定期的維修。為了克服以上問題，近年內研究出的一種聚合物混凝土，即環氧樹脂基混凝土能夠很好地解決以上問題。這種新型混凝土與普通硅酸鹽水泥混凝土對比優點突出[1]，具體體現在：①抗壓強度較高，抗沖擊和抗老化性能較強，韌性好且養護時間較短；具有良好的物理性能（如耐水、耐摩擦和抗凍性能等）和化學性能（如耐化學腐蝕性能等）；②環氧樹脂基混凝土的固化條件較普通硅酸鹽混凝土簡單；只需在常溫下進行24h的養護，強度就可以達到最終強度的80%，構件強度的增長速度明顯比普通硅酸鹽水泥混凝土構件強度的增長速度快；③環氧樹脂基混凝土強度的增長速度快，并且與大多數混凝土構件能夠很好的粘接；所以，環氧樹脂基混凝土還可以作為一種高效、快速的路面鋪裝修補材料。因此，聚合物混凝土應在工程實際中具有廣泛的應用前景，應得到廣大學者的高度重視。

環氧樹脂基混凝土做為一種新型土木工程材料，只有短短60余年的研究歷史，對此材料進行深層次的研究并且將材料逐步應用于工程實際中也不超過30余年。由于鋪裝工程大多是在主體結構完成之后才開始進行的相對較小的附屬工程，通常不會直接影響結構的穩固性，所以橋面鋪裝層的設計很少有針對性的研究，以至于在設計和施工中橋面鋪裝層沒有像主體結構一樣得到應有的重視，往往也是按照相關規范和設計者的經驗進行設計，導致關于鋪裝層的各項技術發展較為緩慢。環氧樹脂基混凝土的研究在我國還停留在基礎階段，沒有形成強有力的理論知識體系，設計及施工經驗較少。到目前為止，應用于道路工程的環氧樹脂基混凝土[2-3]的抗壓強度較高，抗沖擊和抗老化性能較強，韌性好且養護時間較短；具有良好的化學性能（如耐化學腐蝕性能等）和物理性能（如耐水、耐摩擦和抗凍性能等）。通過將高分子彈性體、木纖維加入環氧樹脂基混凝土中可達到改善環氧樹脂基混凝土性能的結果，筆者將對其進行探討。

1 國內外的研究和應用現狀

1.1 環氧樹脂

從化學角度講是分子中含有兩個以上環氧基團的一類聚合物的總稱，是一種常見的固熱基體復合材料，。環氧樹脂是自身不能夠硬化的線性結構熱塑性聚合物；當向環氧樹脂中加入硬化劑并經過加熱處理后，環氧樹脂會因為固化反應而形成一種不溶于水的巨大高分子聚合物，同時環氧樹脂能夠由熱塑性變成熱固性。將環氧樹脂作為復合材料的基體材料，向其中添加各種改善材料性能的添加劑可以改變其脆性大、耐熱性差、抗沖擊性能不強的問題[4]。雙酚A型環氧樹脂是目前為止廣為人知的一種環氧樹脂，我國對于雙酚A型環氧樹脂的研究還在不斷增加。

1.2 環氧樹脂基混凝土

將適量的增韌劑、改性芳香胺類固化劑、鄰苯二甲酸酯增塑劑和稀釋劑摻入環氧樹脂中可形成環氧樹脂膠粘劑；再與確定好配合比的混凝土基料經過充分攪拌、充分養護、最后固化而成的一種聚合物水泥混凝土材料。對環氧樹脂基混凝土的應用要確保以下條件：①環氧樹脂基混凝土的級配。將合理的環氧樹脂基混凝土配合比設計方案運用到工程實際中，以滿足不同的工程實際情況。②環氧樹脂基混凝土的各項性能。即保證在不同因素影響下的環氧樹脂混凝土物理性能（收縮性、耐火性、抗凍性、阻尼性能）和化學性能（耐化學腐蝕性）；③保證環氧樹脂基混凝土經濟性問題等。

1.3 研究現狀

由于我國早期在高分子技術方面的經驗不足和科研經費短缺等眾多因素的限制下，我國在聚合物混凝土方面的研究困難重重。但在近幾年國家對科研事業的大力支持下，我國應該加大對環氧樹脂基混凝土這種新型建筑材料的研究。

近年來我國對環氧樹脂基混凝土的研究主要體現在準靜態實驗和動態實驗中。在準靜態實驗中的混凝土抗壓強度和彈性模量是混凝土的兩項重要指標。李宇峙，李家慶等人通過實驗，對環氧樹脂基混凝土的兩大準靜態指標進行了研究[5]：①環氧樹脂基混凝土的抗壓強度將作為基本參量確定此類混凝土的質量等級。環氧樹脂基混凝土材料抵抗外力的能力較強；環氧樹脂基混凝土的抗壓強度還對抗拉強度、彈性模量和峰值應變等其他力學性能有影響；②環氧樹脂混凝土的彈性模量要小于普通商品混凝土的彈性模量。環氧樹脂基混凝土和普通商品混凝土在相同的抗壓強度的情況下，環氧樹脂混凝土所產生的變形較大，韌性較好。楊禮明等人通過實驗，分別從抗壓、抗折強度和粘結性能對環氧樹脂基混凝土應用于橋梁的維修加固進行了可行性分析[6]：環氧樹脂基混凝土的準靜態力學性能較好，能滿足水泥路面維修的要求；在常溫下固化成型快且強度高，應用于道路修補加固時可有效解決交通管制等問題。

在動態實驗中主要以混凝土抗沖擊性能研究為主。混凝土的抗沖擊性能是混凝土動態力學性能的重要體現，在應對路面出現“跳車”現象時，巨大的沖擊荷載一般會導致橋頭跟路面搭接處的錨固區混凝土破損，嚴重的話還會導致路面鋪裝層破損，這樣會嚴重影響通車情況。張楠麗等人通過實驗，對環氧樹脂基混凝土的抗沖擊性能做出了討論[7]：通過研究特定的環氧樹脂基混凝土的骨料級配和制作工藝，再模擬“跳車”現象，對環氧樹脂基混凝土進行沖擊實驗，研究了環氧樹脂基混凝土的沖擊疲勞特性，并對其進行了研究和探索。

1.4 應用現狀

近些年，隨著我國對環氧樹脂基混凝土（ERC）這種聚合物混凝土的深入研究，新型樹脂材料出現在土木工程等各領城的工程應用也越來越多。主要體現在新型樹脂材料應用于環氧樹脂的制備，環氧樹脂基混凝土應對混凝土道路的修補和橋梁構件的加固等。

在聚合物混凝土領域中，將環氧樹脂制成的環氧膠可用于橋梁和公路工程中混凝土構件的粘接和修補、加固或防滲堵漏灌漿等。眾所周知，混凝土和鋼筋混凝土的結構具有很高的耐久性，但是鋼筋混凝土的結構在使用過程中產生的損傷大多數是因為結構設計不合理，施工不規范，外部環境惡劣等問題。構造物在使用過程中的損傷特征有以下幾類：①表面損壞。混凝土建筑物或構筑物由于設計、施工和管理運行等方面的原因，如受空蝕、磨蝕、沖刷、凍融、水化學侵蝕或機械撞擊等因素作用而導致表層破壞[8]；②開裂。這種缺陷在混凝土結構中是比較普遍的，混凝土結構由于內外因素（不均勻沉降，地震，收縮及溫度應力等）的作用而產生的物理結構變化，而裂縫是混凝土結構物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因；③撓度增大，因混凝土的徐變變形導致結構剛度不足而出現的結構撓度增大，最終導致混凝土結構破壞；④斷面損傷，因混凝土強度不足及疲勞應力等引起的混凝土強度下降，最終導致結構斷面受損。為了減少混凝土構件的損傷，新型建筑材料的開發就顯得尤為重要[9]。

新舊混凝土的粘接和建筑物的加固工程都會用到環氧樹脂膠粘劑和環氧樹脂基混凝土。傳統的新舊混凝土的接槎方法是先把稀釋的砂漿涂在干凈的邊緣，然后再澆筑新的混凝土，該方法粘接度低、防水性差。目前最常見的方法是在混凝土槎口上使用環氧膠粘劑來產生高強度化合物。新混凝土和舊混凝土的粘合度的復雜性在于，膠水必須與含水量更高的新混凝土接觸，這可以通過使用不溶解在水、聚酰胺、聚酰胺和水頭孢胺中的環氧粘合劑來滿足。此外，環氧粘合劑在潮濕環境中有很好的效果，如果它被煤焦瀝青改性，并添加到相應的吸收水材料中，如石棉纖維和氧化鈣。

環氧樹脂在土木工程實際中另一個重要的應用體現在橋梁結構加固中。由于橋梁長時間的振動而在橋下的預應力混凝土之間產生的間隙，一般采用壓縮強度較高的膠粘劑進行粘接，使橋基下相鄰的預應力鋼筋混凝土成為整體。在過去的公路、橋梁的伸縮縫施工中，大多是采用高標號混凝土填充梁體與橡膠伸縮體之間的空隙，但此缺點是車輛在行駛過程中經過伸縮縫時，從剛性的混凝土直接到柔性的橡膠伸縮體，易產生“跳車”現象[10-11]。當環氧樹脂混凝土在橫梁和橡膠伸縮式伸縮式之間填充時，由于環氧樹脂混凝土具有高強度、抗沖擊強度大的特性，較好的解決車輛在通過橋梁伸縮縫時的“跳車”現象。

因其強度高，耐摩擦，抗滲透性能好，抗凍和抗沖擊性能好等特點，環氧樹脂基混凝土現已成為科學研究和工程實際應用中發展最快的建筑村料之一。學者們越來越重視環氧樹脂基混凝土對于混凝土結構加固、補強工程的作用，近年來環氧樹脂基混凝土的應用效果顯著，但其自身的一些性能仍有待改善。

2 改性環氧樹脂

2.1 木纖維環氧樹脂

在混凝土中加入適量的木纖維是目前較常見的改性辦法。纖維的長度、體積率、種類、性能、分布情況、纖維的取向、纖維與水泥基材的粘結強度等決定了纖維混凝土的阻裂機制和阻裂效果。環氧樹脂基混凝土中加入木纖維是筆者對此種混凝土性能改進的方法之一，原因在于木纖維能夠在混凝土中呈現三維亂向分布且有不同程度的定向性。另外，復雜的環氧樹脂混凝土增強機理也是通過加入木纖維來實現的。由于不同的施工方式會造成木纖維擁有不同的分布形式，另外木纖維的形狀不一、表面粗糙程度難以統一化。所以向環氧樹脂基混凝土中加入木纖維能夠使原混凝土擁有多相，多組分，非均勻，不連續等特性。雖然有諸多研究者對纖維混凝土的增強基礎理論進行了研究，但沒有一個統一化的理論來證實木纖維增強的機制。普遍認為：可以通過向混凝土中加入纖維來增加混凝土的抗壓強度、耐腐蝕耐磨擦性質、韌性等性能。使混凝土的基體產生很多有益的效應，如使混凝土的強度，韌性和阻裂效果提高；改變混凝土的脆性；混凝土的破壞形態和易開裂性質都會得到改變，延長了混凝土的使用壽命[12-15]。在纖維混凝土中，由于混凝土在開裂時候會釋放能量導致裂縫擴展，若向混凝土中加入纖維可以通過纖維來吸收這種能量達到裂縫不擴展的目的。

“混合定律”和“纖維間距理論”是當前爭議較少又能準確反映纖維增強的理論。

研究復合材料性能與復合材料各組分性能之間關系的混合定律應基于以下三種假設：①纖維混凝土在宏觀上是均質的；②纖維與混凝土基體本身是正交各向異性（或各向同性）的線彈性材料；③纖維與基體之間完全粘著狀態。滿足上述條件的兩種纖維狀態下的混合定律為：單向連續長纖維混凝土混合定律和不連續短纖維混凝土混合定律。

“纖維間距理論”是Romualdi在Griffith理論的基礎上提出來的。Griffith理論認為，混凝土材料存在結構缺陷（微裂縫或微尺寸孔洞）和不均勻性質（骨料或集料分布不均勻）。當混凝土構件受到應力作用時會產生微裂縫，微裂縫的尖端會因為應力集中效應使裂縫迅速擴展，最終導致混凝土構件的裂縫數量、寬度、長度的增加形成大通縫使得混凝土結構發生破壞。混凝土材料強度和韌性的改變都會因為向這種脆性材料基體中加入纖維而改變。特別是對于混凝土構件由于應力因素開裂時，摻入的纖維材料能夠吸收開裂所釋放的能量起到約束裂縫的發生和裂縫增長的作用。綜上所述，為了增強環氧樹脂基混凝土的強度和韌性，可以通過在這種混凝土材料中加入木纖維。

2.2 橡膠彈性體環氧樹脂

通過在環氧樹脂中加入增韌的橡膠達到對環氧樹脂性能的改進，也是改變環氧樹脂基混凝土性能的方法之一，但必須具備以下兩個基本條件[16]：第一個條件是分子量適合。適合的分子量是保證環氧樹脂與橡膠相容的關鍵。這要求橡膠的分子量不能太大，這樣才能保證所用的橡膠能與固化前的環氧樹脂較好的相容且橡膠在環氧樹脂中分散均勻；同樣也要求橡膠的分子量不能太小，是為了保證環氧樹脂固化時橡膠能順利析出且呈兩相結構。第二個條件是橡膠應能與樹脂的環氧基相互作用。因為環氧樹脂有兩個以上的環氧基團，為了與環氧樹脂完美的結合這就要求橡膠同樣也要有兩個以上的端基與其產生牢固的化學交聯點。

為了提高基體的屈服變形能力可以借助橡膠類高分子彈性體來增韌。在用橡膠類高分子彈性體增韌環氧樹脂體系中，環氧樹脂基體在斷裂過程中因拉伸撕裂所消耗的能量不是主要地位，橡膠的主要作用體現在作為第一相去誘發基體的耗能過程。當受到外部應力的作用時，以球形顆粒狀分散在環氧樹脂中的分散相橡膠會使材料的撕裂過程發生在樹脂基體中。在橡膠顆粒斷裂脫膠后所形成的孔洞塑形體膨脹，再通過顆粒或孔洞誘發的剪切屈服變形會環氧樹脂韌性得到提高。因此，環氧樹脂基混凝土的脆性得到改善的一個很重要的方法是可以通過在環氧樹脂基混凝土中加入橡膠彈性體來用于增韌。

結合上面兩種材料的分析，當在混凝土這一類的脆性材料基體內加入纖維后這種材料的強度和韌性都會引起改變。特別是對于混凝土構件由于應力因素開裂時，摻入的纖維材料能夠吸收開裂所釋放的能量起到約束裂縫的發生和裂縫增長的作用。當在環氧樹脂基混凝土中加入橡膠類高分子來產生化學交聯點后其韌性也得到了提高。為了改善環氧樹脂基混凝土的特性可以嘗試將木纖維和高分子橡膠彈性體共同作用在環氧樹脂基混凝土中。

3 結語

現階段，環氧樹脂基混凝土的研究歷史只有30余年。這種新型建筑材料的研究我國還是處于起步階段，再者短短的幾年內很多學著發現了環氧樹脂基混凝土的諸多特點：①抗壓強度較高，抗沖擊和抗老化性能較強，韌性好且養護時間較短；具有良好的物理性能（如耐水、耐摩擦和抗凍性能等）和化學性能（如耐化學腐蝕性能等）；②環氧樹脂基混凝土在常溫和低溫下進行24h的養護，強度就可以達到最終強度的80%，構件強度的增長速度明顯比普通硅酸鹽水泥混凝土構件強度的增長速度快；③環氧樹脂基混凝土強度的增長速度快，并且與大多數混凝土構件能夠很好的粘接；所以，環氧樹脂基混凝土還可以作為一種高效、快速的路面鋪裝修補材料。