環氧樹脂類混凝土快速修補材料的研究綜述

唐傳輝,鄭遠彪,方梁正,徐亦冬

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.寧波市交通規劃設計研究院有限公司，浙江 寧波 315192；3.浙大寧波理工學院，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會滲入到混凝土內部，發生一系列復雜的化學反應，使得混凝土的性能快速降低。因此，對開裂或者破損混凝土的修補尤為重要。水泥基修補材料在形成強度時，不但會產生中間產物，而且會釋放出大量的熱量，使得這類修補材料發生干縮變形和開裂，從而降低修補性能。對此，研究人員通過向水泥基修補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材料的收縮變形。但由于原材料的稀缺及較高的造價，使得高性能水泥基修補材料未能進行大面積推廣。大量研究表明[1]：環氧樹脂類修補材料相對于水泥基修補材料而言，具有前期強度高、收縮變形小、粘結力強、耐水性能好、極限應變大及造價低等優點，使得這類修補材料受到越來越多的關注。

1 環氧樹脂類修補材料的分類及研究成果

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

表1 組分及類別

作為膠凝材料的環氧樹脂不能單獨使用，需要和固化劑發生化學反應才能形成強度，其強度形成的機理在于：環氧樹脂分子中的環氧基團開環與固化劑分子發生加聚反應，固化交聯形成致密的空間網狀結構。環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 環氧樹脂灌漿材料

環氧樹脂灌漿材料主要用于混凝土裂縫修補和土層的加固，主要由環氧樹脂、固化劑和各類改性材料組成。單一的環氧樹脂固化劑體系由于存在許多缺點，如韌性差、揮發性強、抗水性差以及稠度大不利于施工等，因此，通常需要根據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環氧樹脂進行改性、對固化劑進行改性以及向體系加入外加劑這三類。曾娟娟等[2]針對低溫環境，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氧樹脂灌漿材料，該灌漿材料在低于室溫時的初凝時間為30～90 min；汪在芹等[3]選用雙酚A型環氧樹和胺類固化劑，同時加入活性稀釋劑和表面活性劑，制備出能在水下固化的環氧樹脂灌漿材料，并成功運用于實際工程中。為提高該材料的修補性能，表2列舉了目前研究人員所做的一些成果。

表2 環氧樹脂灌漿材料研究成果

1.2 環氧樹脂改性水泥基修補材料

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

從圖1可以看出，隨著環氧樹脂含量的增加，固化物分子的密實度明顯得到提高。因此，適宜的環氧樹脂膠凝體系能降低水泥基修補材料的孔隙率，增加其抗折強度的同時也會減小抗壓強度，抗壓強度的降低是因為單一的環氧樹脂膠凝體系的強度低于水泥砂漿。但這類修補材料也存在初凝時間較長，前期強度較低的缺點，表3列舉了環氧樹脂改性水泥基修補材料的一些研究成果。

圖1 不同環氧樹脂摻量水泥混凝SEM

表3 環氧樹脂改性水泥基修補材料研究成果

1.3 環氧樹脂砂漿修補材料

環氧樹脂砂漿修補材料由環氧樹脂體系和水泥組成，與環氧樹脂改性水泥基修補材料不同的是，此時的環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。環氧樹脂體系在該修補材料中充當膠凝材料并占據主要成分，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，使其能夠在環氧樹脂體系中均勻分布，可增加漿液的粘稠度，減少環氧樹脂砂漿分層現象的發生。這類修補材料既可用于混凝土結構或者路面缺陷的修補，也可以作為一種灌漿材料用于混凝土裂縫的修補。表4則列舉了研究人員為提高該修補材料性能所做的研究成果。

1.4 環氧樹脂混凝土修補材料

環氧樹脂混凝土修補材料作為一種聚合物混凝土，主要由有機物組分和無機物組分兩部分組成。有機物組分充當膠凝材料，由環氧樹脂、固化劑、稀釋劑以及各種改性材料組成；無機物充當填充材料，由水泥和粗細骨料構成。環氧樹脂修補混凝土具有初凝時間短、前期強度發展快、粘結性能優異、抗拉強度大、韌性好、抗沖擊性能好以及耐腐蝕性好等優點，對于混凝土構件或路面大面積缺陷的修補具有廣泛的應用前景[14-15]。黃鈺桐等[16]開展環氧樹脂混凝土前期強度的預測模型研究，指出在養護24 h內，其抗壓強度能達到養護完成的90%上，這很好地解釋了環氧樹脂混凝土能作為快速修復材料的合理性。表5所示為環氧樹脂混凝土修補材料的研究成果。

表5 環氧樹脂混凝土修補材料研究成果

2 結論與展望

通過列舉各類修補材料的研究成果可以看出：環氧樹脂灌漿材料、環氧樹脂改性水泥基修補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構，以達到提高修補性能的目的，即微觀層面；而環氧砂漿、環氧樹脂混凝土的研究則更多的集中于配合比優化和改善養護條件兩個方面，即宏觀層面。此外，對于膠凝材料的選用，寧波某鋼橋面鋪裝公司近期研發的環氧瀝青膠凝材料具有初凝時間短、收縮變形小、抗壓強度大及韌性好等優點，將該材料用于瀝青混凝土的修補，將具有廣闊的市場空間。但目前對于環氧樹脂類修補材料的研究仍存在著一些不足，主要體現如下。

1)對于如何提高環氧樹脂類修補材料的性能，多數研究體現在微觀和宏觀兩個層面，細觀層面的研究還較少，如較少見到對環氧樹脂類修補材料孔徑分析和膠凝材料與各種填料界面之間粘結強度的研究報告；再者多數研究沒能將微觀、細觀和宏觀三個層面聯系起來，缺乏尺度過渡的分析。

2)現階段的研究主要集中于環氧樹脂類修補材料短期力學性能，對長期性能的研究不夠深入與系統。在各種不同的使用環境下，應加強對環氧樹脂類修補材料長期性能的退化、損傷機理與預防機制的研究。

3)在環氧樹脂類修補材料與待修補混凝土的界面之間，兩者粘結強度機理的研究較少，大多數研究都通過拉拔或者抗彎強度試驗來評價兩者粘結強度的大小，未對兩者粘結力的來源進行深入的分析，從而缺乏界面處理的理論依據。

4)在疲勞荷載下，建立環氧樹脂類修補材料本身及修復構件兩者疲勞壽命的研究報告較為少見，為預測修復構件的壽命，應加強這一方面的研究。

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