水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的制備與性能

沈志明，李娟，李安寧，朱殿奎，李晴，楊亞萍（1.江蘇豐彩新型建材有限公司，江蘇南京210000；2.江蘇省既有建筑綠色化改造工程技術(shù)研究中心，江蘇南京210000）

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水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的制備與性能

沈志明1，2，李娟1，2，李安寧1，2，朱殿奎1，2，李晴1，2，楊亞萍1，2
（1.江蘇豐彩新型建材有限公司，江蘇南京210000；2.江蘇省既有建筑綠色化改造工程技術(shù)研究中心，江蘇南京210000）

摘要：采用自制水性環(huán)氧樹脂摻入水泥砂漿中，制備了水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿，并對砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了測試。探討了環(huán)氧樹脂乳液種類、添加量和養(yǎng)護(hù)方式對砂漿力學(xué)性能的影響，并對砂漿的抗凍性能進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果表明：最佳環(huán)氧樹脂乳液種類為EA體系；環(huán)氧樹脂乳液的最佳添加量為10%；最佳養(yǎng)護(hù)方式為先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d，后自然養(yǎng)護(hù)至28d；環(huán)氧樹脂乳液的添加有效地提高了砂漿的抗凍耐久性。

關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧樹脂；水泥砂漿；力學(xué)性能；抗凍性

近年來，土木、電力、水利、交通等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)工程得到了快速發(fā)展，環(huán)氧樹脂砂漿因其優(yōu)異的粘接性能、突出的力學(xué)性能、較小的固化收縮率、良好的工藝性能和儲存穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，成為加固修補(bǔ)工程中最重要的材料之一。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂多為溶劑型樹脂，具有黏性高、怕水等特性，施工難度較大，容易粘結(jié)，工具不宜清洗，施工時要求填料完全干燥，不能摻水，需全部使用環(huán)氧樹脂作為主劑，成本較高，大大限制了環(huán)氧砂漿的應(yīng)用［1-3］，因此，水性環(huán)氧砂漿得到了越來越多的關(guān)注。

水性環(huán)氧樹脂是把環(huán)氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而配成的穩(wěn)定樹脂材料。水性環(huán)氧樹脂與一般環(huán)氧樹脂相比，其最大的優(yōu)點就是可在低溫和潮濕的環(huán)境中固化，能與水泥砂漿、混凝土等常用的水泥基材料混合使用，并能提高水泥砂漿和混凝土的強(qiáng)度、韌性及抗沖擊性能，增強(qiáng)防水性能；且施工性好，可在潮濕環(huán)境施工，設(shè)備易于清洗、儲運及使用安全［4-6］，因此，在水泥基材料中得到了較廣泛的應(yīng)用。

本文采用自制水性環(huán)氧樹脂摻入水泥砂漿中，制備了水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿，并對砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，探討了環(huán)氧樹脂乳液種類、添加量和養(yǎng)護(hù)方式對砂漿力學(xué)性能的影響，并對砂漿的抗凍性能進(jìn)行了測試。

1　實驗部分

1.1原材料

水泥：南京金江水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；水性環(huán)氧樹脂體系：水性環(huán)氧樹脂，固含量50%；自制水性改性胺類固化劑，固含量50%，與水性環(huán)氧樹脂配套使用。

1.2實驗方法

先將環(huán)氧樹脂與自制水性改性胺類固化劑混合攪拌，配制成均勻的水性環(huán)氧乳液；然后將一定配比的水泥、砂等砂漿原材料混合攪拌，攪拌過程中緩慢加入上述水性環(huán)氧乳液，按DL/T5126- 2001方法制作砂漿試塊，試件規(guī)格為40mm×40mm×160mm。

1.3性能測試

參照DL/T5193- 2004《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》測試試樣的抗壓強(qiáng)度，參照GB/T17671- 1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》測試試樣的抗折強(qiáng)度。

2　結(jié)果與討論

2.1環(huán)氧乳液種類對砂漿力學(xué)性能的影響

實驗選用了兩種環(huán)氧乳液改性的水泥砂漿與空白樣進(jìn)行性能的比較，兩種環(huán)氧乳液分別是EW體系和EA體系，EW體系：采用乳化劑乳化環(huán)氧樹脂的方式先將環(huán)氧樹脂乳化成小液滴，再選用合適固化劑配套使用；EA體系：合成的水性改性胺類自乳化型固化劑與環(huán)氧樹脂配套使用，自乳化型固化劑兼具乳化和固化功能。具體結(jié)果見表1。

表1　不同環(huán)氧乳液種類制備的砂漿性能比較

從表1可以看出，EA體系水性環(huán)氧改性砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度最好，抗壓強(qiáng)度7d達(dá)到57.2MPa，28d達(dá)到64.8MPa，抗折強(qiáng)度7d達(dá)到11.0MPa，28d達(dá)到13.5MPa，粘結(jié)強(qiáng)度7d達(dá)到2.5MPa，28d達(dá)到2.8MPa，其次是空白樣，性能最差的是EW體系改性的砂漿。這是因為EW體系采用的是外加乳化劑的水性化方法，外加乳化劑法制備的水乳液并不穩(wěn)定且容易破乳，而且該法在環(huán)氧樹脂體系中添加了不含活性基團(tuán)（環(huán)氧基）的物質(zhì)，會對環(huán)氧樹脂的固化過程和固化物的性質(zhì)帶來一定的影響；而EA體系中的改性胺類自乳化型固化劑兼具乳化和固化功能，使用這種固化劑不但不會破壞環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)，而且最后可參與反應(yīng)，與水泥水化物形成互穿的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使力學(xué)性能有一定的提高，且操作步驟少，不必考慮環(huán)氧樹脂乳液的穩(wěn)定性（因為乳化后即使用）。綜上所述，最佳環(huán)氧樹脂乳液種類為EA體系。

2.2環(huán)氧樹脂乳液添加量對砂漿力學(xué)性能的影響

考查了環(huán)氧樹脂乳液的添加量分別為3%、5%、10%、15%、20%時，砂漿抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展變化的曲線見圖1。

圖1　環(huán)氧樹脂乳液添加量對砂漿力學(xué)性能的影響

由圖1可知，隨著環(huán)氧樹脂乳液添加量的增加，環(huán)氧砂漿3d抗壓、抗折強(qiáng)度均增大，7、14、28d時，砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度隨環(huán)氧樹脂乳液添加量的增加呈現(xiàn)增大、先增大后減小的趨勢，當(dāng)添加量為10%時達(dá)到最大值，齡期28d時抗壓、抗折強(qiáng)度分別為64.8MPa和13.5MPa。隨著齡期的延長，環(huán)氧樹脂乳液的添加量越大時，砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度增加幅度越小。

環(huán)氧樹脂乳液添加到水泥砂漿中，乳液中樹脂顆粒在水泥中均勻分散，樹脂顆粒隨著水泥水化的過程，在固化劑的作用下，逐步固化成環(huán)氧樹脂薄膜，與水泥的水化產(chǎn)物形成了互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)填充了水泥砂漿內(nèi)部的孔隙，并阻止了砂漿中水分的流失，所以水性環(huán)氧樹脂改性砂漿的力學(xué)性能較普通砂漿會得到一定的提高［7］。但當(dāng)環(huán)氧乳液的添加量過大時，環(huán)氧樹脂自身的強(qiáng)度較低，改性砂漿的強(qiáng)度反而會降低。

2.3養(yǎng)護(hù)方式對砂漿力學(xué)性能的影響

聚合物乳液對水泥砂漿的改性都有一定的成效，但不同種類、廠家的乳液效果不同，所需的養(yǎng)護(hù)制度也不同。所以，必須考慮養(yǎng)護(hù)方式對改性砂漿性能的影響。養(yǎng)護(hù)方式的不同，直接影響水泥砂漿的性能優(yōu)劣，合適的養(yǎng)護(hù)方式能使砂漿中的各組分相互補(bǔ)充，使其性能提高；不合適的養(yǎng)護(hù)方式反而會破壞砂漿各組分的平衡，導(dǎo)致砂漿性能下降［8］。因此，本實驗研究了4種養(yǎng)護(hù)方式對砂漿力學(xué)性能的影響。養(yǎng)護(hù)方式A：脫模后空氣中（相對濕度60%）自然養(yǎng)護(hù)28d；養(yǎng)護(hù)方式B：脫模后先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（相對濕度90%以上）養(yǎng)護(hù)3d，后在空氣中（相對濕度60%）自然養(yǎng)護(hù)至28d；養(yǎng)護(hù)方式C：脫模后先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（相對濕度90%以上）養(yǎng)護(hù)7d，后在空氣中（相對濕度60%）自然養(yǎng)護(hù)至28d；養(yǎng)護(hù)方式D：脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（相對濕度90%以上）養(yǎng)護(hù)28d。不同養(yǎng)護(hù)方式下砂漿的力學(xué)性能見圖2（養(yǎng)護(hù)齡期均為28d）。

圖2　養(yǎng)護(hù)方式對砂漿力學(xué)性能的影響

圖3　環(huán)氧樹脂乳液改性水泥砂漿的抗凍性能

由圖2可以看出，養(yǎng)護(hù)方式對砂漿性能的影響較為復(fù)雜。在不同養(yǎng)護(hù)方式下，砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度都隨著水性環(huán)氧樹脂乳液添加量的變化而變化，且其變化并不是簡單的遞增或遞減。

圖2（a）中不同養(yǎng)護(hù)方式下砂漿的抗壓強(qiáng)度隨乳液添加量的增加基本呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，抗壓強(qiáng)度因養(yǎng)護(hù)方式的不同而出現(xiàn)不同的峰值。養(yǎng)護(hù)方式A為全程干養(yǎng)護(hù)，其抗壓強(qiáng)度較其它養(yǎng)護(hù)方式小，在乳液添加量為10%時達(dá)到最大值；養(yǎng)護(hù)方式D為全程濕養(yǎng)護(hù)，其抗壓強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)方式A大，比B、C小，在乳液添加量為15%時達(dá)到最大值；養(yǎng)護(hù)方式B和C均為先濕養(yǎng)再干養(yǎng)，其抗壓強(qiáng)度較其它養(yǎng)護(hù)方式大，分別在乳液添加量為15%和10%時達(dá)到最大值。

圖2（b）中不同養(yǎng)護(hù)方式下砂漿的抗折強(qiáng)度均在乳液添加量為10%達(dá)到最大值，且不同養(yǎng)護(hù)方式下的抗折強(qiáng)度基本是C養(yǎng)護(hù)＞B養(yǎng)護(hù)＞A養(yǎng)護(hù)＞D養(yǎng)護(hù)。可見，干、濕交替的養(yǎng)護(hù)方式更有利于環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的性能提高，這是因為濕養(yǎng)護(hù)有利于水泥的水化作用，促進(jìn)水泥水化；干養(yǎng)護(hù)則有利于聚合物乳液成膜，促進(jìn)環(huán)氧樹脂乳液固化成膜。所以最終選取養(yǎng)護(hù)方式C，脫模后先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（相對濕度90%以上）養(yǎng)護(hù)7d，后在空氣中（相對濕度60%）自然養(yǎng)護(hù)至28d的方式對水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.4環(huán)氧樹脂乳液改性水泥砂漿的抗凍性能

本實驗以水泥砂漿在經(jīng)過20、40、60、80、100次凍融交替循環(huán)后的抗壓、抗折強(qiáng)度損失來測試環(huán)氧樹脂乳液砂漿的抗凍性能，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）和（b）反映的是環(huán)氧樹脂乳液添加量為10%的改性砂漿與未添加環(huán)氧樹脂乳液的對比砂漿凍融循環(huán)后抗壓和抗折強(qiáng)度的變化。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，未添加環(huán)氧樹脂乳液的對比砂漿的抗壓強(qiáng)度下降了19.4%，添加了10%環(huán)氧乳液的砂漿只下降了9.2%；對比砂漿試樣的抗折強(qiáng)度下降25.5%，而添加了10%環(huán)氧乳液的砂漿只下降了10%。凍融次數(shù)越多，未添加環(huán)氧樹脂乳液的對比砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度損失與添加了環(huán)氧乳液的砂漿的差距越大。說明水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的抗凍融能力明顯強(qiáng)于未改性砂漿，環(huán)氧樹脂乳液的添加有效地提高了砂漿的抗凍耐久性。

3　結(jié)論

（1）本研究對比了EA體系、EW體系與空白試樣的力學(xué)性能，最終確定最佳環(huán)氧樹脂乳液種類為EA體系。EA體系水性環(huán)氧改性砂漿抗壓強(qiáng)度7d達(dá)到57.2MPa，28d達(dá)到74.8MPa；抗折強(qiáng)度7d達(dá)到11.0MPa，28d達(dá)到13.5MPa；粘結(jié)強(qiáng)度7d達(dá)到2.5MPa，28d達(dá)到2.8MPa。

（2）砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度隨著環(huán)氧樹脂乳液添加量的增加呈現(xiàn)增大、先增大后減小的趨勢，當(dāng)添加量為10%時達(dá)到最大值，齡期28d時抗壓、抗折強(qiáng)度分別為64.8MPa和13.5MPa。

（3）水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的最佳養(yǎng)護(hù)方式為脫模后先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（相對濕度90%以上）養(yǎng)護(hù)7d，后在空氣中（相對濕度60%）自然養(yǎng)護(hù)至28d。

（4）水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的抗凍融能力明顯強(qiáng)于未改性砂漿，環(huán)氧樹脂乳液的添加有效地提高了砂漿的抗凍耐久性。

參考文獻(xiàn)

［1］Michael VD M，Kurt A K. Formulation of waterborne epoxy［J］. American Paint and Coating，1997，17（1）：20- 21.

［2］Wang R，Wang P M. Function of styrene- acrylic ester copolymer latexin cement mortar［J］. Mate. Struc，2010，43（4）：443- 451.

［3］鐘世云，袁華.聚合物在混凝土中的應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］Aggarwal L K，Thapliyal P C，Karade S R. Properties of polymer- modified mortars using epoxy and acrylic emulsions［J］. Constr.Build. Mater.，2007，21（2）：379- 383.

［5］張建生，沈玉龍.環(huán)氧乳液水泥砂漿修補(bǔ)材料的性能研究［J］.化學(xué)建材，2003（2）：34- 35.

［6］陳友治，馬志勇，王紅喜.水乳環(huán)氧改性水泥砂漿的研究［J］.化學(xué)建材，2002，15（2）：38- 40.

［7］王濤，許仲梓.環(huán)氧水泥砂漿的改性機(jī)理［J］.南京化工大學(xué)學(xué)報，1997，19（2）：26- 31.

［8］夏振軍，羅立峰.養(yǎng)護(hù)條件對改性砂漿力學(xué)性能的影響［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（6）：83- 86.□

Preparation and Properties of Waterborne Epoxy Modified Cement Mortar

SHEN Zhi-ming1，2，LI Juan1，2，LI An-ning1，2，ZHU Dian-kui1，2，LI Qing1，2，YANG Ya-ping1，2
（1. Jiangsu Colourful NewBuilding Material Industry，Nanjing210000，China；2. Jiangsu Existing Building Green Reconstruction Engineering Technology Research Center，Nanjing210000，China）

Abstract：In this paper，a waterborne epoxy resin mixed with cement mortar to prepare a water- based epoxy resin modified cement mortar，and the mechanical properties of mortar were tested. We discussed the types of epoxy resin emulsion，the amount of epoxy resin emulsion and conservation methods on the mechanical properties of mortar. The frost resistance were tested too. Results showed that: the best kind ofepoxyresin emulsion EA system. The optimumdosage ofepoxyresin emulsion is 10%. The best way to conserve is standard curing 7d，then the nature conservancy to 28d. Epoxy resin emulsion effectively improve the durabilityofmortar antifreeze.

Key words：waterborne epoxyresin；cement mortar；mechanical properties；freeze- thawresistance

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.011

中圖分類號：TQ177.6+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008- 553X（2016）03- 0031- 04

收稿日期：2015- 12- 04

作者簡介：沈志明（1975-），男，碩士，高級工程師，主要從事水性涂料、新型建筑節(jié)能材料方面的研究工作；通訊聯(lián)系人：李娟，13951664436，552355639@qq.com。