水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)路面混凝土耐久性研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

陳曉娟

(寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

近年來，我國交通建設(shè)迅速發(fā)展，四縱八橫的公路網(wǎng)已經(jīng)形成，現(xiàn)下高速公路主要采用瀝青路面及水泥混凝土路面兩種路面類型，水泥混凝土道路以其剛度大，承載力大等優(yōu)勢在公路建設(shè)中所占比例越來越高。隨著交通荷載的日益增長，水泥混凝土路面的破壞也不斷加重，對其養(yǎng)護(hù)以及維修費(fèi)用的投入隨之加大。同時(shí)水泥混凝土路面在車輛荷載及外界氣候環(huán)境共同作用下，反復(fù)對其產(chǎn)生破壞，加劇了混凝土路面病害的發(fā)生。據(jù)大量研究表明，水泥混凝土路面病害發(fā)生的本質(zhì)原因是其抗彎拉強(qiáng)度不足，混凝土脆性大，耐久性差，不足以抵抗車輛核載及外界環(huán)境對水泥混凝土路面的長期破壞。因此，只有從本質(zhì)上提高水泥混凝土路面耐久性，才能有效減少病害的產(chǎn)生，改善水泥混凝土使用性能，延長其使用壽命。

大量學(xué)者開始尋找一種新材料用于增強(qiáng)混凝土路面耐久性，通過實(shí)驗(yàn)研究，采用聚合物改性混凝土是當(dāng)前建設(shè)領(lǐng)域較為認(rèn)可的一種方式，聚合物種類繁多，且對混凝土材料的改性方式各有差異。基于綠色環(huán)保、能耗低、施工和易性好等要求，目前水性環(huán)氧樹脂在水泥混凝土材料中的應(yīng)用較為廣泛，將其按一定比例加入混凝土中，能在水泥石中形成一層聚合物膜，包裹水泥骨料，增強(qiáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)程度，從而增強(qiáng)其耐久性。

1 水性環(huán)氧樹脂改善混凝土路面耐久性研究現(xiàn)狀

1.1 水性環(huán)氧樹脂改性路面混凝土力學(xué)強(qiáng)度現(xiàn)狀

水泥混凝土路面抗彎拉強(qiáng)度不足，是目前道路混凝土存在的最重要問題，通過向水泥混凝土材料中摻入適量水性環(huán)氧樹脂，能有效增加混凝土抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度，鐘鑫等[1]人向水泥混凝土中加入4%摻量的水性環(huán)氧樹脂，較基準(zhǔn)組，改性混凝土7d抗彎拉強(qiáng)度提高了102.33%。這可用混凝土損傷理論解釋，眾所周知，水泥混凝土的彎拉損壞，一般是從混凝土界面過渡區(qū)，最薄弱環(huán)節(jié)開始破壞，在荷載作用下，混凝土界面過渡區(qū)原始裂縫開始擴(kuò)展、延伸，減小了混凝土有效抵抗體積，最終導(dǎo)致荷載應(yīng)力超過了混凝土極限抵抗應(yīng)力，混凝土產(chǎn)生斷裂。然而，水性環(huán)氧樹脂能夠與水泥石形成復(fù)合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)抵抗荷載作用的穩(wěn)定性，同時(shí)水性環(huán)氧樹脂可與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，填充混凝土孔隙及界面過渡區(qū)裂縫區(qū)域，使得水性環(huán)氧樹脂改性混凝土界面過渡區(qū)粘接密實(shí)，有效抵抗荷載作用對其產(chǎn)生的彎拉效應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)了混凝土抗彎拉強(qiáng)度。

武漢理工大學(xué)黃展魏等[2]學(xué)者將水性環(huán)氧樹脂摻入到水泥砂漿中，通過設(shè)計(jì)砂漿抗折試驗(yàn)及XRD、SEM等微觀試驗(yàn)，對水性環(huán)氧樹脂改性砂漿力學(xué)強(qiáng)度及作用機(jī)理進(jìn)行了探討研究，結(jié)果表明，水性環(huán)氧樹脂對砂漿抗壓強(qiáng)度有一定降低，對抗折強(qiáng)度有明顯提升，這主要與水性環(huán)氧樹脂本身柔韌性有關(guān)，水性環(huán)氧樹脂在砂漿中形成的聚合物膜，雖然改善了砂漿的脆性、對抗折強(qiáng)度有所改善，但是聚合物膜的彈性模量要遠(yuǎn)低于水泥石彈性模量，則表現(xiàn)出其在承壓時(shí)，抗壓強(qiáng)度有所降低。

1.2 水性環(huán)氧樹脂對混凝土收縮抗裂性的改善現(xiàn)狀

水泥混凝土路面在攤鋪、碾壓、成型及養(yǎng)護(hù)施工工藝中，因水分的自然流失、膠凝材料正常水化消耗，會使混凝土路面產(chǎn)生一定程度的干燥收縮、溫度收縮及塑形收縮等，混凝土收縮現(xiàn)象極易誘發(fā)裂縫的產(chǎn)生，造成混凝土產(chǎn)生開裂破壞。裂縫出現(xiàn)時(shí)水泥混凝土路面眾多病害產(chǎn)生的關(guān)鍵，水分、氯離子、有害氣體等均沿著裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，對其產(chǎn)生侵蝕，致使混凝土結(jié)構(gòu)受到損傷，進(jìn)而產(chǎn)生滲透破壞、腐蝕破壞等。而水性環(huán)氧在混凝土中的成膜效應(yīng)，在很大程度上起到了抑制混凝土收縮，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

陳楚洲等[3]學(xué)者將水性環(huán)氧樹脂以3%～12%的摻量加入混凝土中，持續(xù)觀察其28d連續(xù)干縮率，最終與基準(zhǔn)組比較發(fā)現(xiàn)，相比基準(zhǔn)混凝土，改性混凝土收縮性明顯改善。程毅等[4]人通過向水泥砂漿中摻入水性環(huán)氧樹脂，對改性砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度以及28d收縮性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，水性環(huán)氧樹脂能顯著改善水泥顆粒分散程度，特別是砂漿28d抗折強(qiáng)度及收縮率有明顯增強(qiáng)，相比基準(zhǔn)組，改性砂漿28d抗折強(qiáng)度提高了29%，28d收縮率降低了約32%。分析水性環(huán)氧樹脂對混凝土收縮抗裂性的改善機(jī)理，認(rèn)為水性環(huán)氧樹脂在水泥漿體中形成不規(guī)則、連續(xù)的聚合物膜，有效修補(bǔ)混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的微裂紋，對界面薄弱區(qū)域起到粘接作用，從而對混凝土收縮抗裂性起到明顯的改善作用。

1.3 水性環(huán)氧樹脂改善路面混凝土抗?jié)B性現(xiàn)狀

降雨、降雪等天氣會在水泥混凝土路面產(chǎn)生積水、積雪等現(xiàn)象，而混凝土材料本身就是一種多孔性材料，水分及外界有害物質(zhì)沿著混凝土表面裂紋，孔隙，進(jìn)入混凝土內(nèi)部，對混凝土路面產(chǎn)生侵蝕損害，造成耐久性下降。水泥混凝土路面的滲透破壞分為水分滲透及氯離子滲透破壞，其中氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕破壞更為嚴(yán)重，特別是對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋等構(gòu)造物產(chǎn)生銹蝕。

鑒于此，有研究表明水性環(huán)氧樹脂對混凝土抗?jié)B性有顯著改善，吳進(jìn)良等[5]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較基準(zhǔn)混凝土，水性環(huán)氧樹脂改性混凝土氯離子遷移系數(shù)降低了30.3%，混凝土氯離子滲透評價(jià)級別較高。此外，張磊等[6]學(xué)者研究了水性環(huán)氧樹脂摻量對混凝土氯離子滲透性的影響規(guī)律，結(jié)果顯示，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，混凝土氯離子遷移系數(shù)先降低后升高，表明水性環(huán)氧樹脂摻量并非多多益善，在混凝土中存在最佳摻量。水性環(huán)氧樹脂對混凝土氯離子滲透性的改善機(jī)理多取決于水性環(huán)氧樹脂在混凝土中形成的致密聚合物膜，聚合物膜將水泥石包裹緊密，且對混凝土孔隙及裂縫均勻填充，有效阻斷了氯離子滲透通道，進(jìn)而對混凝土氯離子滲透性起到了改善作用。

1.4 水性環(huán)氧樹脂改善路面混凝土抗凍性現(xiàn)狀

季凍區(qū)、寒冷地區(qū)水泥混凝土路面工作環(huán)境惡劣，降雪量大、氣溫變化大，頻頻受到凍融循環(huán)的損傷，水泥混凝土結(jié)構(gòu)凍融破壞嚴(yán)重，對路面耐久性及使用性能造成不利影響。李占全等將水性環(huán)氧樹脂按3%的比例摻入混凝土中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水性環(huán)氧樹脂改性混凝土質(zhì)量損失率逐漸增大，相對動彈模量逐漸降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到300次時(shí)，其質(zhì)量損失率及相對動彈模量分別為4.06%、72.5%，改性混凝土抗凍性較好。梁會忠等對低摻量水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的抗凍耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為5%時(shí)，混凝土抗凍性能較好，在凍融循環(huán)300次后，改性混凝土相對動彈模量仍能達(dá)到94.1%。混凝土凍融損傷，一般是從表面砂漿脫落開始，繼而水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，凍脹結(jié)冰，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)，骨料之間粘附性降低，內(nèi)部構(gòu)造松散。

水性環(huán)氧樹脂在漿體內(nèi)聚合成膜，水性環(huán)氧樹脂膜相互粘接穿插在水泥石之間，與水泥石形成三維網(wǎng)狀穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)致密程度及穩(wěn)定性。致密的聚合物膜有效阻止了水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，降低了水分在混凝土內(nèi)部凍脹產(chǎn)生的損傷；另一方面，水性環(huán)氧樹脂膜增強(qiáng)了水泥石-骨料之間的黏附性，在凍融循環(huán)過程中，使水泥砂漿不易脫落骨料，從而提高了混凝土的抗凍性。

2 水性環(huán)氧樹脂在道路工程中的應(yīng)用

水性環(huán)氧樹脂作為一種高分子聚合物，具有彎拉性大、粘附性強(qiáng)以及具有良好的柔韌性，從它的各種優(yōu)勢，正好可以彌補(bǔ)水泥基材料脆性大、柔韌性差的缺陷。從上述對水性環(huán)氧樹脂改性混凝土力學(xué)強(qiáng)度、抗?jié)B性及抗凍性等耐久性，可以看出，水性環(huán)氧樹脂能很好地改善水泥基材料耐久性能。因此，可以看出用水性環(huán)氧樹脂改性水泥基材料有很大發(fā)展?jié)摿Γ壳埃呀?jīng)在道路、橋梁、機(jī)場道面等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于環(huán)氧樹脂本身不起到硬化作用，在工程中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)加入適量固化劑，誘導(dǎo)水性環(huán)氧樹脂形成一種不溶于水的固化物，此外，水性環(huán)氧樹脂在與水泥等材料攪拌時(shí)，易起泡，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生孔洞，因此應(yīng)加入一定消泡劑，金玉杰等人在環(huán)氧樹脂混凝土中加入了有機(jī)纖維，借助纖維的韌性效果，使得其與水性環(huán)氧樹脂相互纏繞，形成三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從一定程度上進(jìn)一步增強(qiáng)了混凝土的韌性，對混凝土的剪切、收縮抗裂等性能均有增強(qiáng)。

水性環(huán)氧樹脂固然好，但是在混凝土工程中應(yīng)用時(shí)，也應(yīng)注意適量，一方面是大量研究表明，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量超過一定范圍時(shí)，對混凝土等構(gòu)造物甚至?xí)a(chǎn)生不利影響，特別是會顯著降低其強(qiáng)度；另一方面，應(yīng)考慮到水性環(huán)氧樹脂價(jià)格問題，從經(jīng)濟(jì)性方面也應(yīng)注意水性環(huán)氧樹脂合理摻量，綜合考慮水性環(huán)氧樹脂在水泥基材料中的最優(yōu)摻量為3%。

3 水性環(huán)氧樹脂在路面混凝土施工技術(shù)及難點(diǎn)

施工作為道路、橋梁建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，通過研究發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧樹脂對路面、 橋梁混凝土抗?jié)B、收縮抗裂、抗凍性等耐久性改善效果明顯，因此，對其在施工環(huán)節(jié)中的應(yīng)用也不能輕視。水性環(huán)氧樹脂改性混凝土路面具體施工過程可分為：施工準(zhǔn)備、安裝模板、混凝土攤鋪、振搗、整平、人工精平、抹面抹光以及路面混凝土養(yǎng)生。以上各個過程都對混凝土路面成型、通車后的使用性能、耐久性等具有重要影響，水性環(huán)氧樹脂改性路面混凝土的關(guān)鍵施工技術(shù)及難點(diǎn)主要有以下幾方面。

3.1 水性環(huán)氧樹脂的摻加方式

目前，常見的水性環(huán)氧樹脂加入混凝土中的方式，主要有人工添加和機(jī)器添加，機(jī)器添加一般是利用水車等，人工將水性環(huán)氧樹脂乳液與水混合倒入水車水箱中，用潛水泵反復(fù)抽取，使其完全混合，儲存起來，在開始拌合時(shí)，將其導(dǎo)入拌和容器中，這樣較省力，比較節(jié)省材料。

3.2 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的拌和

由于加入了水性環(huán)氧樹脂乳液，在混凝土拌合過程中，應(yīng)該延長拌和時(shí)間，以達(dá)到混合料拌和均勻的目的，但是也應(yīng)該注意控制拌和時(shí)間，不宜過長，混凝土拌和時(shí)間過長，水性環(huán)氧樹脂乳液表面活性劑會引入大量空氣，會降低其強(qiáng)度以及耐久性。一般情況下，相比普通混凝土，水性環(huán)氧樹脂改性混凝土干拌時(shí)間延長10s～15s，濕拌時(shí)間延長15s～30s即可。

3.3 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，也是混凝土路面最后一道施工工藝， 由于水性環(huán)氧樹脂粘性很大，當(dāng)天氣比較炎熱時(shí)，混凝土表面常常容易起硬殼，致使混凝土表面平整度不好，需要人工進(jìn)程二次抹面。收面結(jié)束后，應(yīng)該保證混凝土表面平整、密實(shí)、不漏砂，待水性環(huán)氧樹脂改性混凝土終凝后，及時(shí)覆蓋土工布。同時(shí)，考慮到水性環(huán)氧樹脂的成膜機(jī)理，對于養(yǎng)護(hù)方式，采取前期濕養(yǎng)后期干養(yǎng)的方式，即在前3d～7d在覆蓋土工布后，持續(xù)灑水養(yǎng)護(hù)，保證混凝土內(nèi)部適度狀況；在7d～14d后，將土工布揭開，對其進(jìn)行干燥養(yǎng)生。

4 結(jié) 語

(1)水性環(huán)氧樹脂對路面混凝土抗彎拉強(qiáng)度、收縮抗裂性、抗?jié)B性及抗凍性等耐久性具有改善效果，均隨著摻量的增加，呈先升高后降低的趨勢，表明水性環(huán)氧樹脂摻量并非越多越好，據(jù)眾多研究結(jié)果表明，水性環(huán)氧樹脂在混凝土中的最佳摻量約為3%。

(2)水性環(huán)氧樹脂對混凝土性能的影響，很大程度與水性環(huán)氧樹脂的柔韌性、粘結(jié)性以及成膜效應(yīng)有關(guān)，適量水性環(huán)氧樹脂加入混凝土中，能明顯降低水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣晶體含量，水性環(huán)氧樹脂固化物與水泥石相互穿叉形成剛?cè)岵?jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水性環(huán)氧樹脂改性混凝土密實(shí)性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而對耐久性有明顯提升。

(3)水性環(huán)氧樹脂改性混凝土耐久性提升效果顯著、施工工藝簡單且具有良好經(jīng)濟(jì)性，能有效改善路橋工程中存在的缺陷，因此在道路、橋梁等工程領(lǐng)域極具推廣應(yīng)用價(jià)值。