水性環氧改性快速修補砂漿的性能研究

彭杰，胡鐵剛，單韌，彭勃

（湖南固特邦土木技術發展有限公司，湖南 長沙 410205）

混凝土長期經受雨雪侵蝕、除冰鹽腐蝕，表面容易出現麻面、起粉、脫落、露筋等缺陷，影響混凝土美觀和長期耐久性[1]，需要對混凝土表面進行薄層修補，起到防碳化、防腐的作用，提高混凝土的耐久性并達到美觀效果。聚合物改性砂漿由于粘接強度高、干縮變形小、耐介質侵蝕性能好，具有廣闊的應用前景[2]。水性環氧樹脂改性水泥砂漿不同于普通聚合物乳液物理成膜的特性，水性環氧乳液在水泥砂漿中會進行化學交聯固化，形成不溶、不熔具有三維網狀結構的高聚物，其改性的水泥砂漿對復雜的化學和干濕交替環境具有更好的抵抗能力[3-4]。在高速鐵路、公路、城市交通等一些快速修補改造工程中，由于工期緊、要求高、中斷交通時間短，需要使用快速修補材料，不僅應具有良好的力學性能、粘結性能、體積穩定性及耐久性能，還需具有快硬性以滿足快速施工[5-6]。目前快速修補砂漿已經在土木工程各領域有大量工程應用，但對于水性環氧在快速修補砂漿的配方設計及系統性能的研究較少。本研究初步篩選了不同的水性環氧固化劑，對優選出的固化劑改性快速修補砂漿的力學、粘結性能進行了研究。并已應用于快速修補工程。

1 試驗

1.1 原材料

水性環氧乳液：BSA-EW1200，上海帆嘯化工科技有限公司；1#水性固化劑：G328，改性胺，三菱瓦斯化學；2#水性固化劑：LJ1788，改性胺，上海綠嘉水性涂料有限公司；3#水性固化劑：330W80，脂肪胺，常州山峰化工有限公司；水泥：P·O42.5，南方桃江水泥有限公司；快硬硫鋁酸鹽水泥：42.5級，鄭州市中泰水泥有限公司；砂：天然砂，0.3~0.6 mm；粉煤灰：Ⅱ級，河北友勝耐火材料有限公司；膨潤土觸變劑：鈉基膨潤土，安吉益國膨潤土廠；聚羧酸減水劑：198，山東鴻泉化工科技有限公司；水：自來水。

1.2 主要試驗儀器

微機控制電子萬能試驗機：WDW-20型，濟南科盛試驗設備有限公司；微機控制恒加載抗折抗壓試驗機：TYA-300B型，無錫新路達儀器設備有限公司。

1.3 水性環氧改性快速修補砂漿的制備方法

先將水性環氧乳液與水性固化劑按質量比10∶6混合均勻，再將其與快速修補砂漿粉料按質量比6.4∶100進行混合，加入適量水攪拌均勻，即制得水性環氧改性快速修補砂漿（以下簡稱快速修補砂漿）。其中快速修補砂漿粉料的配合比為：m（普通硅酸鹽水泥）∶m（快硬硫鋁酸鹽水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（減水劑）∶m（觸變劑）=50∶40∶10∶150∶0.3∶0.6。聚灰比=m[水性環氧乳液質量（含固化劑）×水性環氧乳液固含量]/m（普通硅酸鹽水泥+快硬硫鋁酸鹽水泥+粉煤灰）。

1.4 性能測試方法

水泥砂漿流動度：依據GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試；抗壓、抗折強度：依據DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》進行測試；正拉粘結強度：依據GB 50728—2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》附錄G進行測試。

2 結果與討論

2.1 水性環氧固化體系的篩選

快速修補砂漿由有機水性環氧乳液和無機快硬膠凝材料體系組成，為了獲得最佳的力學性能，水性環氧與水性固化劑間化學反應固化的時間須與快硬膠凝材料體系的水化時間相一致，兩者硬化時間差過大將導致快速修補砂漿的性能下降。文獻顯示[7]，聚合物改性水泥砂漿的抗折和抗拉強度比空白樣都有一定提高，而抗壓強度則會有一定的下降，這是因為聚合物本身彈性模量較低且具有較好的抗拉性能，聚合物的摻入提高了水泥水化產物和骨料的粘結力。試驗固定無機快硬膠凝材料體系的水灰比為0.35，分別采用3種不同水性固化劑，配制聚灰比為0.08的快速修補砂漿，測試其性能，結果見表1。

表1 不同水性固化劑對快速修補砂漿性能的影響

由表1可見：

（1）不同固化劑配制的水性環氧樹脂改性快速修補砂漿的流動度各不相同，1#水性固化劑配制的流動度最大，3#水性固化劑配制的流動度最小。由于不同水性環氧固化體系的黏度不同，導致其對快速修補砂漿流動性有較大的影響。

（2）水性環氧改性快速修補砂漿的抗折強度普遍高于空白砂漿，可見，水性環氧體系可以顯著提高改性砂漿的抗折強度。各個齡期快速修補砂漿的抗壓強度相比于空白砂漿均有一定程度的下降，采用不同水性固化劑的快速修補砂漿的抗壓強度在各個齡期發展速度有一定差別。1#水性固化劑配制的修補砂漿抗壓強度發展趨勢與空白砂漿的抗壓強度類似，而2#和3#水性固化劑配制的修補砂漿的抗壓強度均較1#配制的低。其原因可能是，1#水性固化劑配制的修補砂漿的終凝時間與空白砂漿基本相同，水性環氧樹脂與水性固化劑的固化時間與無機快硬膠凝材料的硬化時間相匹配，環氧三維互穿網絡交聯聚合物反應完全且與膠凝材料水化產物結合緊密，表現出1#水性固化劑配制的快速修補砂漿具有最佳的力學性能。

2.2 聚灰比對快速修補砂漿力學性能的影響

2.2.1 對抗折和抗壓強度的影響

環氧改性水泥砂漿的硬化包括水泥水化、環氧樹脂固化和環氧顆粒交聯3個過程，水泥漿體水化的同時，環氧樹脂也在進行固化反應，水泥漿體中微小球形環氧顆粒被擠壓與外面聚集的環氧樹脂相互交聯，形成不規則但是連續貫穿水泥石的的三維網絡[8]。環氧三維互穿網絡的結構對硬化水泥石的性能有很大影響，水性環氧的摻量決定了硬化水泥石中柔性聚合物與剛性水泥水化產物的分布，影響三維互穿網絡中聚合物的連續性。試驗選用1#水性固化劑，考察聚灰比對水性環氧改性快速修補砂漿性能的影響，結果見表2。

表2 聚灰比對快速修補砂漿抗折和抗壓強度的影響

從表2可以看出：聚灰比在0~0.30范圍內，隨著聚灰比的增大，快速修補砂漿的抗折強度逐漸提高，而抗壓強度則逐漸降低，聚灰比為0.08時，抗折強度明顯提高，而抗壓強度則下降不明顯。其原因可能是，在此聚灰比下部分水性環氧發生固化反應開始形成連續的空間網絡結構，對骨料和膠凝材料的水化產物起到了粘結架橋作用。當聚灰比從0.12增大至0.30時，抗折強度持續提高，但增幅趨緩；抗壓強度下降化趨緩。聚灰比過大，導致砂漿硬化產物中聚合物的比例過大，形成水泥石顆粒被聚合物包裹的情況，影響膠凝材料水化產物的連續性，同時聚灰比過大導致砂漿成本的升高。從力學性能和經濟性方面考慮，聚灰比為0.08時綜合效果最佳，最優水性環氧樹脂改性快速修補砂漿的配比為：水性環氧乳液與1#水性固化劑按10∶6混合；再將水性環氧乳液與快速修補砂漿粉料按6.4∶100混合，加入10.8份水攪拌均勻。

2.2.2 對粘結性能的影響

在快速修補工程實際應用中，快速修補砂漿與基層的粘結強度是重要的指標之一，粘結性能的好壞關系到后期修補層是否出現空鼓、脫落等。為了達到良好的粘結效果，普通快速修補水泥砂漿在施工時對混凝土基面的要求較高，一般需要基面為飽和面干潤濕狀態，而油性環氧砂漿則需要基面為干燥狀態。水性環氧改性快速修補砂漿的一個顯著優點就是在潮濕和干燥環境下都能固化，適應范圍廣，并且與基面具有較高的粘結強度。試驗考察較優聚灰比下，水性環氧改性快速修補砂漿對干、濕基面的粘結性能，結果見表3。潮濕基面為基準混凝土在（23±2）℃水中浸泡48 h后達到飽和面干狀態的基面，干燥基面為基準混凝土在溫度為（23±2）℃、相對濕度85%的環境中放置48 h的非潮濕基面。

表3 聚灰比對快速修補砂漿與干濕基面粘結強度的影響

由表3可見：

（1）對于空白砂漿（聚灰比為0）而言，對潮濕基面的粘結強度遠高于對干燥基面的粘結強度，其主要原因是干燥基層吸附了界面處水泥漿體中的水分，導致界面處水泥漿體水化不完全，粘結強度偏低。

（2）隨環氧乳液摻量的增加，粘結強度提高，且對潮濕基面的粘結強度比對干燥基面的粘結強度稍高。主要原因是水性環氧改性快速修補砂漿的粘結強度依靠含有活性基團的環氧樹脂分子滲透入基層的孔隙中，并與固化劑發生交聯反應，待環氧樹脂固化完全形成大分子后填充在孔隙中，與孔隙之間形成很大的機械咬合力，在基塊與砂漿之間起到架橋的作用，同時環氧活性基團與基層上的極性基團反應形成化學鍵，從而提高了粘結強度。所以，水性環氧改性快速修補砂漿對干、濕基面都能適用。綜合考慮力學性能和經濟適用性，水性環氧改性快速修補砂漿的最佳聚灰比為0.08。

2.3 快速修補砂漿的工程應用

某高速公路橋梁防撞護欄基座的混凝土出現麻面、蜂窩、石子裸露等缺陷，采用水性環氧樹脂改性快速修補砂漿對混凝土表面進行薄層修補。按2.2.1中快速修補砂漿的最優配比，用手持式攪拌機將水性環氧改性砂漿攪拌均勻，進行涂抹施工（見圖1）。經3年的監測，修補層平整、無剝落和開裂現象，耐久性良好。

圖1 某高速公路橋梁防撞護欄基座

3 結論

（1）當環氧的固化時間與無機膠凝材料的硬化時間相匹配時，水性環氧改性快速修補砂漿具有最佳的力學性能，其中采用1#水性固化劑配制的環氧乳液對快速修補砂漿的改性效果最佳。

（2）隨著聚灰比的增大，快速修補砂漿的抗折強度逐漸提高，而抗壓強度則逐漸降低。綜合考慮力學性能與經濟適用性，水性環氧改性快速修補砂漿的最佳聚灰比為0.08。

（3）水性環氧改性快速修補砂漿對干、濕基面均有較高的粘結強度，適用范圍廣。

（4）該快速修補砂漿已應用于混凝土表面薄層快速修補工程，經3年監測，修補層平整、無剝落和開裂現象，耐久性良好。