一種環氧砂漿類水泥路面修補材料的制備及性能研究

李禪禪

(招商局公路網絡科技控股股份有限公司，北京 100022)

0 引 言

水泥混凝土路面因強度高、耐久性好等特點成為我國公路路面結構的主要形式之一，但隨著交通量的快速增長，重載、超載車輛的增加，加之水泥混凝土材料本身的水硬性特點使得水泥路面易出現不同程度的結構性和非結構性破壞[1-2]。目前，水泥路面的主要修補材料為：無機類修補材料、有機類修補材料和無機-有機復合類修補材料[3-5]。無機類修補材料主要是指普通硅酸鹽水泥混凝土類修補材料，此類材料修補后路面存在開放交通時間長、耐久性差及新、舊路面粘結效果不佳等缺點[6]；有機類修補材料主要有環氧樹脂、聚氨酯等修補材料，路面修補后有機物容易出現老化，耐久性差等問題，且樹脂類修補材料成本高，不宜大面積推廣；有機-無機復合修補材料主要是以無機料為主、有機料為輔形成的環氧砂漿類路面修補材料，這種材料具有凝結硬化快、早期強度高、耐高溫等優點[7,8]。

1 試 驗

1.1 試驗材料

環氧樹脂：E-51，北京鑫鼎鵬飛科技發展有限公司生產。固化劑：TF-30腰果酚固化劑，濟南運嘉化工有限公司；TJ-500L固化劑，河南天澤實業有限公司。稀釋劑：環氧活性稀釋劑XY207。微集料：秦嶺P·O 42.5水泥。細集料：級配為0.3的普通中砂。

1.2 試驗方法

參照《聚合物基復合材料》(CJ/T 211—2005)規定，制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm砂漿試件，養護規定齡期測試試件力學強度和耐久性能，后用40 mm×40 mm×160 mm的抗折試驗模，一端放入普通水泥砂漿試件，另一端用攪拌好的環氧砂漿澆注成型[9]，測試膠體與混凝土的粘結拉伸強度。試驗儀器為三聯模、電動抗折試驗機等。為能更好研究有機類材料對環氧砂漿修補材料強度、耐久性能的影響，試驗選取膠砂比為16.7%，集料級配為0.3。

2 試驗結果與分析

2.1 稀釋劑的選擇

環氧樹脂稀釋劑能夠降低固化體系粘度，增加流動性，適量的稀釋劑不僅能夠降低砂漿拌和粘度，還能提高集料表面潤濕度，便于環氧砂漿常溫拌和施工。通過測試不同XY207稀釋劑摻量時固化體系粘度和不同XY207稀釋劑摻量時膠結料的強度確定最佳稀釋劑摻量，測試結果見表1、如圖1。

表1 不同XY207稀釋劑摻量固化體系粘度

由表1和圖1可以看出：(1)隨著稀釋劑摻量的增加，固化體系初始粘度呈現逐漸下降趨勢，XY207稀釋劑摻量從20 g增至70 g，固化體系粘度從470 MPa·s降至99 MPa·s，且當XY207稀釋劑摻量超過60 g時，固化體系粘度降低幅度會放緩，并逐漸靠近稀釋劑的粘度。(2)隨著XY207稀釋劑摻量增加，膠結料凝膠時間逐漸延長，XY207稀釋劑從20 g增至40 g時，凝膠時間為45～67 min，可操作時間較長且適宜施工。(3)稀釋劑摻量逐漸增加，膠結料的抗折強度呈先增大后減小趨勢，主要是隨著稀釋劑摻量增加，環氧固化體系粘度逐漸降低，使得集料或填料表面浸潤，粘結強度提高，但稀釋劑過量造成環氧體系粘度急劇下降，膠結料強度也隨之下降。參照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)中聚合物拌和粘度不宜超過300 MPa·s，且應使環氧固化體系粘度和力學強度達到最優，因此試驗過程選取XY207摻量為40 g。

2.2 固化劑的選擇

環氧固化劑能夠與環氧樹脂發生化學反應形成網狀結構，把砂漿骨料包絡在網狀結構中，其種類和摻量對固化體系凝結時間和力學強度影響較大。圖2～圖3為每100 g固化體系中不同固化劑摻量的膠結料凝膠時間和膠結料強度發展情況。

圖2 TF-30腰果酚固化劑摻量對凝膠時間和膠結料強度的影響

圖3 TJ-500L固化劑摻量對凝膠時間和膠結料強度的影響

由圖1和圖2可以看出：(1)環氧固化體系的凝膠時間隨TF-30固化劑摻量的增加而縮短，固化劑摻量為20 g時，漿液凝膠時間為117 min，當固化劑摻量從30 g增加到70 g時，固化體系的凝膠時間從60 min下降到21 min，以不能滿足實際施工要求；隨著TF-30固化劑摻量的增加膠結料抗折強度先增加后減少，TF-30固化劑從20 g增加至30 g時，抗折強度由15 MPa增至19.5 MPa，隨著固化劑摻量增加至70 g時，膠結料抗折強度大幅度下降，這是由于固化劑過量，導致固化體系高分子鏈增長迅速終止，降低固化物含量。(2)TJ-500L固化劑固化效果與TF-30固化劑相似，都是在固化劑摻量為30 g時效果最優。因此，為保證環氧砂漿施工效果最優，同時力學強度最大，試驗過程選擇TF-30固化劑或TJ-500L固化劑[10]。

2.3 環氧砂漿力學強度

根據上述試驗結果選取m(E51):m(XY207):m(TF-30)固化劑的基準比例為100∶40∶30，制備水泥砂漿試件，測試其不同齡期抗折、抗壓強度和界面粘結強度，測試結果如表2、表3所示。

表2 環氧砂漿各齡期的強度

表3 新舊交界面的拉伸強度

表2顯示，環氧砂漿短期內力學強度增長較快，8 h抗折、抗壓強度超過10 MPa、21.5 MPa(一般認為混凝土路面修補時8 h抗折強度超過4.5 MPa，抗壓強度超過20 MPa即可開放交通[11])。表3顯示環氧砂漿與舊混凝土界面在不同齡期的拉伸強度，8 d膠結面拉伸強度為5.1 MPa(一般要求開放交通是新舊路面粘結強度>1.5 MPa[12])。這是因為聚合物均勻穿插于水泥水化產物體系中，交聯形成的高分子膜包裹于水泥水化產物表面，使顆粒之間粘結強度增強，環氧砂漿整體強度提高。28d時環氧砂漿強度為67.2 MPa，遠大于混凝土路面的設計強度(水泥采用P·O 42.5)，提高了路面的承載能力，達到了路面修復的目的。7 d時砂漿—混凝土膠結面拉伸強度試驗表現為混凝土本體破壞，表明環氧砂漿與混凝土的粘結強度大于混凝土自身強度，避免新舊混凝土界面脫層現象產生。

2.4 環氧砂漿耐久性研究

在保證環氧砂漿力學強度滿足路面修補要求的條件下，試驗參照《水泥抗酸堿鹽侵蝕試驗方法》對成型試件進行20%H2SO4溶液和20%NaOH酸、堿溶液侵蝕實驗。對比分析試驗前后試塊質量和強度，測試結果如表4。

表4 環氧砂漿酸堿侵蝕后質量、強度對比

表4顯示，環氧砂漿經酸、堿侵蝕后質量減少0.24%，0.21%，滿足《聚合物基復合材料》(CJ/T 211—2005)酸、堿浸泡后質量損失應小于1%的要求，究其原因是水泥水化過程中的吸附作用使環氧樹脂顆粒越來越近，固化后的聚合物分子薄膜包裹在水泥石表面，有效改善了膠凝材料-骨料的過渡區，提高水泥砂漿的粘結性能，降低了細集料的腐蝕性。環氧砂漿經酸、堿侵蝕后，質量和強度無嚴重損失，說明環氧砂漿用于水泥路面快速修補性能穩定，有效避免水泥路面修補材料的早期損害。

3 施工工藝及方法研究

3.1 施工工具

水泥路面坑槽、孔洞等病害施工修補工具主要有發電機組、混凝土切割機、攪拌機器、電鉆打磨機、鋼絲刷、螺絲刀、錘子、電風鎬及其他輔助性器具。

3.2 準備工作

收集擬修復的水泥路面坑槽和孔洞路面數據，分析破壞成因，提出合理的修補方案；對水泥路面進行實地勘測，劃分修補區域，計算施工面積，確定修補材料用量，確定施工順序；配合比設計確定修補材料的配方；進場施工，修補材料密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射，配制和使用場所必須保持通風良好，操作人員應穿工作服，戴防護口罩和手套。

3.3 坑槽和孔洞的修補方法

針對坑槽修補處理：修整坑槽鑿成形狀規則的平璧坑槽；清潔開鑿面后用人工拌和均勻的環氧砂漿分層填筑在坑槽內，振動密實，抹平，收漿；并在表面涂抹均勻一層養生劑，減少水分蒸發。待養生期結束后通車。

針對較深的孔洞或連片小坑洼的罩面修補處理：局部孔洞或連片的小坑洼區域整體放樣，用切割機將放樣區域切割成深度為5 cm的槽，清潔好開鑿界面，填筑環氧砂漿，振動密實，抹平，收漿，養生。待養生期結束后通車。

3.4 注意事項

(1)徹底清除坑槽和孔洞處的碎屑、灰塵等雜物；

(2)清洗干凈修補的混凝土界面，確保表面濕潤但不積水；

(3)施工前應在修補界面涂抹一定的界面劑，并在界面劑未干之前攤鋪水泥砂漿，如果界面劑已凝結應將其鏟除，用清水沖洗干凈后再重新涂刷界面劑，攤鋪修補砂漿；

(4)涂刷養生劑的修補界面應采用塑料薄膜覆蓋養生，養生期間嚴禁車輛碾過，避免路面早期荷載作用而引起路面開裂。

4 結 論

(1)m(E51):m(XY207):m(TF-30)固化劑的基準比例為100∶40∶30時，測得固化體系初始粘度236 MPa·s、凝結時間60 min，滿足水泥路面拌和和施工要求；

(2)環氧砂漿8h抗折、抗壓強度為10.2 MPa、21.4 MPa，滿足水泥路面通車要求；8d環氧砂漿-混凝土界面粘結強度為5.1 MPa，具有較好粘結性能，避免新舊混凝土界面脫層；

(3)酸、堿侵蝕過程中環氧砂漿質量和強度損失較少，說明環氧砂漿用于水泥路面修補性能穩定，耐久性好。

(4)結合水泥路面坑槽和孔洞施工經驗，結合論文研發的環氧砂漿修補材料性能和特點，制定了合理的施工流程，現場拌合狀態良好，滿足路面病害修補。