路面病害的形成及各組分對(duì)環(huán)氧修補(bǔ)材料性能的影響

王敏　鄭水蓉　汪前莉　周風(fēng)

摘要：闡述了路面裂縫和麻面的形成原因，分析了環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)材料中粘料、固化劑、稀釋劑、填料及偶聯(lián)劑對(duì)修補(bǔ)材料性能的影響，對(duì)其發(fā)展前景做了展望。

關(guān)鍵詞：裂縫；麻面；環(huán)氧樹(shù)脂；固化劑

中圖分類號(hào)：TQ433.4+37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）07-0082-03

1 前言

混凝土路面的養(yǎng)護(hù)是高速公路科技研究與攻關(guān)的重要課題[1]。路面的破壞成因復(fù)雜、影響因素多，傳統(tǒng)的瀝青混凝土修補(bǔ)法已經(jīng)不能滿足要求。裂縫一旦形成，易引起病害的進(jìn)一步加劇，造成破壞性的后果[2]。有機(jī)高分子修補(bǔ)材料具有粘接性良好、固化速度快和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在路面修補(bǔ)中得到了良好的應(yīng)用[3～13]。

混凝土的破壞機(jī)理不同，病害的呈現(xiàn)形態(tài)也不同。路面的常見(jiàn)病害包括裂縫和麻面。綜合各種影響因素，病害包含多種形式如干縮裂紋、沉陷裂紋、溫度裂紋、塑性收縮裂紋和蜂窩麻面、坑槽露石子等[14]。因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂體系對(duì)修補(bǔ)的病害要有針對(duì)性[15]，所以對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)材料的配方設(shè)計(jì)及工藝要求也會(huì)不同。本文通過(guò)對(duì)病害形成原因的分析，綜述了修補(bǔ)材料各個(gè)組分對(duì)其性能的影響。

2 損壞形成的原因

2.1 裂縫

形成混凝土裂縫的主要原因包括由混凝土原材料質(zhì)量引起的裂縫和施工過(guò)程中操作不當(dāng)引起的裂縫。

水泥在生產(chǎn)過(guò)程中煅燒不充分，會(huì)產(chǎn)生很多游離的碳酸鈣，使混凝土凝固后產(chǎn)生體積變化不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂紋；拌合物的溫度過(guò)高，出現(xiàn)"假凝"現(xiàn)象，使混凝土表面形成一層薄的硬殼，易引起混凝土開(kāi)裂；砂和水中的有害雜質(zhì)與混凝土反應(yīng)生成易溶于水的產(chǎn)物，混凝土被腐蝕，強(qiáng)度下降，在車輛載重經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)遭到破壞；集料中的活性二氧化硅與水泥中堿性氧化物水解生成的氫氧化鈉和氫氧化鉀產(chǎn)生反應(yīng)，生成堿硅酸凝膠，吸水后膨脹，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)較深的網(wǎng)裂，即“堿骨料”反應(yīng)[16]。

另外，如果路面實(shí)際承受超過(guò)了設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次，就會(huì)產(chǎn)生裂縫[17]；基層松散以及地基的沉降都極易產(chǎn)生裂縫[18]；在施工過(guò)程中，會(huì)用模具對(duì)混凝土進(jìn)行固定，若拉應(yīng)力大于混凝土本身的彎曲強(qiáng)度，也會(huì)產(chǎn)生裂縫；良好的養(yǎng)護(hù)能夠有效減少裂縫的產(chǎn)生，如高溫和風(fēng)速較大的情況下，路面極易缺水干燥，如果不及時(shí)補(bǔ)充水分，就易產(chǎn)生干縮裂縫。

2.2 麻面

麻面是指混凝土表面局部缺漿、粗糙或有許多小凹坑，但無(wú)露筋現(xiàn)象[21]。

混凝土的配合比不當(dāng)，混凝土過(guò)于黏稠，在振搗時(shí)難以將氣泡排除，導(dǎo)致凝固后的混凝土表面出現(xiàn)蜂窩狀的麻面；混凝土入模后振搗不充分、引氣劑質(zhì)量差等引起的氣體殘留，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)蜂窩麻面。

不合理地使用脫模劑是造成凝固混凝土結(jié)構(gòu)表面蜂窩麻面的主要外部原因；施工時(shí)，澆注厚度偏大，即使振搗時(shí)間充分，氣泡也不能完全排出，也易造成蜂窩麻面；春秋季節(jié)晝夜溫差較大，因此附著在混凝土結(jié)構(gòu)表面的氣泡體積變化也很大，隨著時(shí)間的推移水泥漿體的強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)氣泡周圍水泥漿體達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，氣泡破裂，易造成麻面。

3 環(huán)氧體系各個(gè)組分對(duì)修補(bǔ)材料性能的影響

3.1 環(huán)氧樹(shù)脂基體的影響

環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能都有很大的影響。環(huán)氧值過(guò)高的EP強(qiáng)度較大，但較脆；環(huán)氧值中等的EP高低溫時(shí)強(qiáng)度均好；環(huán)氧值低的EP高溫強(qiáng)度較差。不需要耐高溫，對(duì)強(qiáng)度要求不高，希望環(huán)氧樹(shù)脂快干、不易流失，可選擇環(huán)氧值較低的樹(shù)脂；若要兼顧滲透性和強(qiáng)度，則可選用環(huán)氧值較高的樹(shù)脂[22]。李保紅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，E-51在幾種常見(jiàn)的液體E型環(huán)氧樹(shù)脂中黏度最低，有利于在體系中加入較多的填料及助劑，提高其壓縮強(qiáng)度及耐磨性能，降低成本。郭文瑛[24]通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基修補(bǔ)材料進(jìn)行研究，得到了功能性較好的修補(bǔ)材料，通過(guò)調(diào)整配方，可以使環(huán)氧樹(shù)脂的用量減少。

3.2 固化劑的影響

環(huán)氧樹(shù)脂的化學(xué)活性很大，在酸性或堿性固化劑的作用下，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為不溶、不熔的體型結(jié)構(gòu)[25]。固化劑在反應(yīng)過(guò)程中的初凝時(shí)間以改性環(huán)氧樹(shù)脂混合料黏度開(kāi)始升高為依據(jù)。黏度升高，混合料的和易性降低，導(dǎo)致混合料壓實(shí)困難。固化劑初凝時(shí)間短，無(wú)法滿足修補(bǔ)工程的施工要求；固化劑初凝時(shí)間較長(zhǎng)，但后期固化緩慢，開(kāi)放交通時(shí)間較長(zhǎng)[26]。因此在制備修補(bǔ)材料時(shí)，應(yīng)綜合考慮操作環(huán)境、時(shí)間、黏度以及力學(xué)性能等方面，選擇合適的固化劑。張小博[27]等利用甲基丙烯酸酯改性多乙烯多胺制得一種新型EP固化劑，使EP的韌性和粘接強(qiáng)度增加。劉芳[28]等研究了不同養(yǎng)護(hù)條件下T31固化劑的用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系的影響，通過(guò)對(duì)壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的分析，說(shuō)明當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件為（20±2）℃和RH 80%、T31固化劑的摻量達(dá)到10質(zhì)量份時(shí)，90 d的壓縮強(qiáng)度為96.9 MPa。

3.3 稀釋劑的影響

稀釋劑主要作用是降低環(huán)氧樹(shù)脂體系的黏度，改善工藝性能，延長(zhǎng)使用壽命。但加入稀釋劑會(huì)降低固化物的熱變形溫度、粘接強(qiáng)度、耐介質(zhì)及耐老化等性能[25]。稀釋劑分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑2種，非活性稀釋劑不與環(huán)氧樹(shù)脂固化劑等反應(yīng)，多為高沸點(diǎn)的液體，如鄰苯二甲酸二丁酯、苯二甲酸二辛脂、苯乙烯等，用量以5%～20%為宜；活性稀釋劑一般指帶有1個(gè)或2個(gè)以上環(huán)氧基的低分子化合物，直接參與固化反應(yīng)。根據(jù)稀釋劑的種類和用量來(lái)調(diào)節(jié)黏度，例如細(xì)小裂紋的修補(bǔ)需要低黏度的產(chǎn)品以保證環(huán)氧樹(shù)脂可以完全注入裂縫，起到修補(bǔ)作用[29]。

3.4 填料的影響

填料的加入可以提高耐磨性等。周梅等[30]人研究了填料種類和用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系強(qiáng)度的影響。通過(guò)研究體系的剪切強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)合適的填料能改善環(huán)氧樹(shù)脂體系的性能，降低體系的收縮率和熱線脹系數(shù)，增加熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，提高尺寸穩(wěn)定性，避免發(fā)生裂縫。如何在提高修補(bǔ)材料機(jī)械加工性的同時(shí)降低修補(bǔ)材料線脹系數(shù)，改善填料在修補(bǔ)材料體系中的分散性等具有重要的研究?jī)r(jià)值[32]。王磊、劉方等[35]人以礦粉為填料，研究發(fā)現(xiàn)礦粉—環(huán)氧樹(shù)脂基修補(bǔ)材料具有優(yōu)異的耐久性。

3.5 偶聯(lián)劑的影響

環(huán)氧樹(shù)脂的偶聯(lián)劑通常有硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑等，例如可以通過(guò)有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑提高持粘性和粘附力等。在路面修補(bǔ)過(guò)程中，如果路面不能與樹(shù)脂體系很好地粘接，通?？紤]在體系中加入偶聯(lián)劑。在施工時(shí)直接將偶聯(lián)劑溶液涂在被修補(bǔ)的清潔表面處，待溶劑揮發(fā)或干燥后再施膠，也可將偶聯(lián)劑直接摻入環(huán)氧樹(shù)脂體系中使用。姚海松等[36]人的研究表明，偶聯(lián)劑的加入量在一定范圍內(nèi)會(huì)提高環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，而沖擊強(qiáng)度有所下降。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)氧樹(shù)脂體系在解決路面病害問(wèn)題上具有針對(duì)性、特殊性和匹配性，可廣泛應(yīng)用于各種路面修補(bǔ)工程中。但是由于固化后的環(huán)氧樹(shù)脂存在質(zhì)脆、耐疲勞性、耐熱性、韌性差等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到一定的限制。對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性受到廣泛重視，通過(guò)加入各類助劑使環(huán)氧樹(shù)脂滿足不同工況下的修補(bǔ)要求，拓展了其在路面修補(bǔ)方面的應(yīng)用范圍。

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