環(huán)氧樹脂基混凝土裂縫快速修復(fù)材料的制備及性能研究

黃燕 許瑤怡 范萌萌 呂政凡

摘要：為探究環(huán)氧樹脂基混凝土裂縫快速修復(fù)材料的制備及性能，解決公路橋梁工程施工中的混凝土裂縫修補問題，文章基于正交試驗方法對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的性能進(jìn)行分析，確定了影響環(huán)氧樹脂基修補砂漿的影響因素及其影響程度，并通過粘結(jié)性能試驗評價了環(huán)氧樹脂基修補砂漿的修補效果。結(jié)果表明：影響環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素排序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞砂摻量，其最優(yōu)配合比為環(huán)氧樹脂：稀釋劑：水泥：固化劑：砂=1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6；粘結(jié)性能試驗結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂基修補砂漿具有良好的修補效果，修補后的混凝土抗壓強(qiáng)度提高了18.9%；耐久性試驗結(jié)果表明，熱空氣對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的耐久性能負(fù)面影響較小。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；修補材料；正交試驗；力學(xué)性能；粘結(jié)性能

中圖分類號：U416.03? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

目前，混凝土被廣泛應(yīng)用于房屋建筑、道路和橋梁等工程領(lǐng)域。然而混凝土長期暴露在外界環(huán)境中，其在荷載、沖擊、溫度變化和腐蝕介質(zhì)的影響下可能出現(xiàn)裂縫、腐蝕和性能劣化等問題，甚至影響工程質(zhì)量和安全［1］。目前常用的水泥基修補材料雖具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，但其在形成強(qiáng)度時會釋放大量的水化熱，引發(fā)修補材料的干縮變形和開裂［2］。纖維、膨脹劑、活性氧化物等常被用作水泥基修補材料的改性劑，抑制其收縮變形，但這類材料稀缺且昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用［3］。因此，研發(fā)一種新型的修補材料對公路橋梁工程混凝土裂縫修補至關(guān)重要。

環(huán)氧樹脂是一種低聚材料，具有早期強(qiáng)度高、收縮變形小、粘結(jié)力強(qiáng)、耐久性優(yōu)良等諸多優(yōu)點［4］?；谶@些優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者開展了環(huán)氧樹脂修補材料性能研究。劉佳杰［5］研究發(fā)現(xiàn)墩柱表面裂縫采用環(huán)氧樹脂作為修補材料有明顯的補強(qiáng)效果。程毅等［6］研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂可以明顯提高水泥砂漿的力學(xué)性能。Moetaz M.El-Hawary等［7］研究了在濕熱環(huán)境下環(huán)氧改性混凝土的耐久性能，發(fā)現(xiàn)摻加環(huán)氧樹脂可以有效提高混凝土的抗腐蝕能力。

綜上所述，將環(huán)氧樹脂作為公路橋梁混凝土裂縫修補材料具有諸多優(yōu)點，但目前針對環(huán)氧樹脂基修補材料配合比設(shè)計的研究仍較少。因此，本研究基于正交試驗方法，研究水泥摻量、固化劑摻量、砂摻量因素對環(huán)氧樹脂基修補材料性能的影響，并結(jié)合粘結(jié)性能試驗對其修補效果進(jìn)行分析。研究成果可為公路橋梁工程混凝土裂縫修補材料的應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為市售P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積和密度分別為341 m2/kg和3.10 kg/m3；砂選用石灰?guī)r機(jī)制砂；環(huán)氧樹脂產(chǎn)自中國石化公司的E44低黏度透明環(huán)氧樹脂；固化劑為乙二胺，稀釋劑為環(huán)氧樹脂專用稀釋劑，均購自南寧藍(lán)天實驗設(shè)備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件制備和養(yǎng)護(hù)

環(huán)氧樹脂砂漿試樣制備步驟為：按照設(shè)計配合比稱量環(huán)氧樹脂、水泥、機(jī)制砂、環(huán)氧樹脂專用稀釋劑和固化劑；將環(huán)氧樹脂、水泥和一半的機(jī)制砂倒入攪拌桶中，加入環(huán)氧樹脂專用稀釋劑攪拌1 min，期間再緩慢加入剩余的砂，使環(huán)氧樹脂、粉料、骨料充分混合均勻，然后再加入相應(yīng)比例的固化劑，繼續(xù)采用攪拌機(jī)攪拌均勻，最后將攪拌完成的砂漿倒入100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)立方鋼模中刮平成型。待試件硬化后拆模，并將其置于恒溫室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（相對濕度≥65%，溫度為20 ℃±2 ℃）。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度測試

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）規(guī)定，選用量程為2 000 kN的CXYAW-2000H萬能試驗機(jī)，每組取3個試樣，加載速率選擇0.8～1.0 MPa，尺寸換算系數(shù)0.95，以3個試件抗壓強(qiáng)度的計算平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 粘結(jié)強(qiáng)度試驗

粘結(jié)強(qiáng)度試驗如下頁圖1所示，根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）制作水泥膠砂試塊，并按規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。28 d后取出試件，并從中間將其鋸斷和打磨，制備光滑斷面和粗糙斷面兩種試件；然后將上述水泥膠砂分別裝入模具，倒入新拌的環(huán)氧樹脂砂漿，即可制得粘結(jié)強(qiáng)度測試試件。待環(huán)氧樹脂砂漿固化6 h后脫模，24 h后進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試，記錄折斷荷載，計算粘結(jié)強(qiáng)度。

1.2.4 耐久性試驗

文獻(xiàn)［8］表明環(huán)氧樹脂在熱空氣和濕熱環(huán)境中會發(fā)生熱氧化降解，其表面氧化層在應(yīng)力作用下易開裂，使其強(qiáng)度降低?；诖?，本研究選用熱空氣老化試驗對環(huán)氧樹脂砂漿的耐久性試驗進(jìn)行評價。制備40 mm×40 mm×160 mm的環(huán)氧樹脂砂漿試件，分別置于105 ℃熱空氣、50 ℃和80 ℃的濕熱環(huán)境中，老化時間為5 d，隨后測試其抗折性能和抗壓性能。

2 配合比設(shè)計

以水泥摻量、乙二胺摻量、砂摻量作為合成環(huán)氧樹脂基修補砂漿的考察因素，選用L9（33）的正交表進(jìn)行正交試驗［9］，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評價指標(biāo)，每個因素3個水平（各水平見表1），以確定各因素對環(huán)氧樹脂基修補砂漿性能的影響，同時為環(huán)氧樹脂基修補砂漿配合比設(shè)計提供參考。正交試驗設(shè)計如表2所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 極差分析結(jié)果

為分析水泥摻量、固化劑摻量、砂摻量三因素對環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的敏感性，采用極差分析法對正交試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，結(jié)果如表3所示。

通常極差R的數(shù)值越大，對環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果的影響越大。由表3可知，環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響排序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞砂摻量。各組環(huán)氧樹脂基修補的砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均＞100 MPa，由此可見，環(huán)氧樹脂基修補具有較高的抗壓強(qiáng)度，能夠確保其在用于結(jié)構(gòu)修補時獲得優(yōu)良的強(qiáng)度修補效果。在本研究考慮因素范圍內(nèi)，環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)水平為A1B2C3（正交試驗編號2），即配合比組合為環(huán)氧樹脂、稀釋劑、水泥、固化劑和砂的比例為1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6。

3.2 因素水平影響分析

各因素各水平對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響趨勢如下頁圖2所示。由圖2可知，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥用量之間存在著負(fù)相關(guān)性，即水泥摻量越高，強(qiáng)度指標(biāo)越低。當(dāng)水泥摻量為環(huán)氧樹脂的1.2倍時，環(huán)氧樹脂基修補砂漿在水泥因素下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。分析認(rèn)為，水泥的粒徑最小，在環(huán)氧樹脂基材料中，水泥幾乎無水化反應(yīng)，僅作為填料使用，起到增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基修補砂漿的密實性的作用。但水泥的比表面積小，用量過高時需要更多的環(huán)氧樹脂才能將其包裹密實，否則材料內(nèi)部的微小孔隙將會增多，材料內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象也相應(yīng)增大，最終導(dǎo)致強(qiáng)度的劣化。對于固化劑摻量而言，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑摻量增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，即固化劑的摻量存在最佳值，在本研究中固化劑的摻量在為環(huán)氧樹脂的0.1倍時最佳。這主要是由于當(dāng)環(huán)氧樹脂固化劑用量較低時，其不足以使環(huán)氧樹脂完全固化，而固化劑用量過高則會導(dǎo)致體系反應(yīng)速率過快，反應(yīng)不均勻，同時也會使環(huán)氧樹脂在固化后形成的固化膜變脆，韌性與強(qiáng)度下降。因此，在進(jìn)行配合設(shè)計時，建議通過單因素試驗確定固化劑最佳用量。對于砂摻量而言，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著砂摻量的增大而增大，但當(dāng)砂的比例達(dá)到環(huán)氧樹脂的3.2倍后，其強(qiáng)度增長不明顯，僅提高了0.3 MPa。分析認(rèn)為，當(dāng)砂的摻量增加時，粗粒含量增大，水泥用量則減小，即細(xì)顆粒含量減小，此時粉料和集料的總表面積也相應(yīng)減小，包裹所需的環(huán)氧樹脂也更少，能夠有更多的環(huán)氧樹脂形成高強(qiáng)度硬化體。當(dāng)集料用量繼續(xù)提高時，強(qiáng)度指標(biāo)增長幅度雖較小，但對強(qiáng)度的發(fā)展仍是有利的，并且砂的價格較水泥更低，有利于降低生產(chǎn)成本。因此，在進(jìn)行配合設(shè)計時，砂的摻量越高越好。

3.3 骨料級配對環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了測試不同骨料對對環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，基于正交試驗測試結(jié)果所得的最優(yōu)材料配合比，選擇粒徑為0.3～0.6 mm的單一級配的砂1組、粒徑為2.36～4.75 mm的單一級配的砂2組和粒徑為0.075～4.75 mm的連續(xù)級配的砂3組（正交試驗編號2）進(jìn)行對比分析，所得試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，砂的級配對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在一定的不利影響。與采用連續(xù)級配的砂3組相比，砂粒徑小且級配單一的砂1組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了6.3%，僅為106.9 MPa。分析可知，強(qiáng)度下降原因主要是由于砂1組所用砂的粒徑較小，需要消耗更多的環(huán)氧樹脂對其進(jìn)行包裹，且粒徑較小的砂在環(huán)氧樹脂基修補砂漿內(nèi)不能形成有效的骨架結(jié)構(gòu)。對于粒徑更大且級配單一的砂2組，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與對照組基本一致，故可以認(rèn)為粒徑更大的砂對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的強(qiáng)度幾乎沒有影響。綜上分析，砂的粒徑也是影響環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的重要因素，而在最大粒徑相同的情況下，砂的級配對環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小。

3.4 環(huán)氧樹脂基修補砂漿粘結(jié)性能

3.4.1 環(huán)氧樹脂基修補砂漿粘結(jié)界面的抗折強(qiáng)度

針對公路橋梁工程混凝土開裂的情況，傳統(tǒng)的修補材料在運營過程中易出現(xiàn)干縮變形和開裂，因此修補材料的長期力學(xué)性能是作為混凝土裂縫修補材料的重要因素之一。本文采用粘結(jié)界面的抗折強(qiáng)度對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的粘結(jié)性能進(jìn)行表征，其中環(huán)氧樹脂基修補砂漿為正交試驗最優(yōu)組。圖4即為原始膠砂和修補膠砂的抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果。

由圖4可知，原始膠砂、光滑面修補膠砂和粗糙面修補膠砂的抗折強(qiáng)度分別為7.9 MPa、5.8 MPa和6.0 MPa。從抗折強(qiáng)度來看，修補后膠砂的抗折強(qiáng)度有較大的損失，但通過觀察修復(fù)膠砂的長度方向面和折斷破壞面的情況可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂基修補砂漿和原始膠砂的粘結(jié)界面未發(fā)生破壞，抗折試驗時破壞的斷裂處粘結(jié)依然完好無損。這一結(jié)果說明修補后膠砂界面的粘結(jié)強(qiáng)度高于原始膠砂，也進(jìn)一步證實本研究環(huán)氧樹脂基修補砂漿具有優(yōu)良的粘結(jié)性能，能夠保證修補后結(jié)構(gòu)物的整體性。而抗折強(qiáng)度的降低可能是由于破壞界面的轉(zhuǎn)移，使膠砂新的破壞界面處受到彎矩的作用，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度較低。

3.4.2 環(huán)氧樹脂基修補混凝土的抗壓強(qiáng)度

修補前后的C40混凝土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，原始混凝土試件和修補混凝土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為54.3 MPa和64.6 MPa，經(jīng)過修補后混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了10.3 MPa，強(qiáng)度提高幅度達(dá)到18.9%，表明采用環(huán)氧樹脂基修補砂漿修補后膠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了改善。這得益于環(huán)氧樹脂基修補砂漿優(yōu)良的粘結(jié)性能，能夠和被修補結(jié)構(gòu)形成整體，共同受力，且由于環(huán)氧樹脂基修補砂漿超高的強(qiáng)度，修補后混凝土內(nèi)部抵抗應(yīng)力的能力更強(qiáng)，故強(qiáng)度得到一定的提高。

觀察環(huán)氧樹脂基修補砂漿修復(fù)后的混凝土試件破壞面情況可知，混凝土與環(huán)氧樹脂基修補砂漿界面間的粘結(jié)程度較高，兩者粘結(jié)緊密，這與前文試驗結(jié)果一致，進(jìn)一步表明環(huán)氧樹脂基修補砂漿具有優(yōu)良的修復(fù)效果。此外，在破壞面可以發(fā)現(xiàn)中心的環(huán)氧樹脂基修補砂漿出現(xiàn)了裂縫，這說明經(jīng)過修補后環(huán)氧樹脂基修補砂漿和混凝土之間能夠形成整體，共同抵抗荷載作用。

3.5 環(huán)氧樹脂基砂漿熱老化試驗

熱老化試驗前后環(huán)氧樹脂基修補砂漿試件力學(xué)性能的變化情況如圖6所示。

由圖6可知，經(jīng)過熱空氣老化后的環(huán)氧樹脂基修補砂漿的抗折強(qiáng)度有所下降，比未處理的環(huán)氧樹脂基修補砂漿低了1.78 MPa，變化幅度約為5.8%；而熱空氣老化后，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的抗壓強(qiáng)度則提高了7.65 MPa，變化幅度約為7.0%。分析認(rèn)為，高溫作用下，環(huán)氧樹脂的固化率進(jìn)一步提高，進(jìn)而提高了抗壓強(qiáng)度，但高溫下環(huán)氧樹脂的脆性也會增大，故抗折強(qiáng)度有所下降。在50 ℃的濕熱環(huán)境中，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化不明顯，僅分別提高了0.59 MPa和1.69 MPa，說明較低溫度的濕熱環(huán)境對環(huán)氧樹脂修補砂漿性能是有利的。當(dāng)溫度提高至80 ℃時，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所下降，分別降低了1.86 MPa和0.76 MPa。從數(shù)值來看，高溫濕熱環(huán)境對環(huán)氧樹脂修補砂漿的抗折強(qiáng)度影響較大，對抗壓強(qiáng)度影響則較小。綜上分析，熱空氣對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的耐久性能的影響較小。這表明在實際工程中，環(huán)氧樹脂基修補砂漿性能幾乎不受影響，并且在極端濕熱環(huán)境中，其性能劣化也較小。因此，在常見的50 ℃濕熱環(huán)境中（如橋面結(jié)構(gòu)）中，本研究的環(huán)氧樹脂基修補砂漿具有較為優(yōu)良的耐久性能。

4 結(jié)語

本文采用正交試驗方法對環(huán)氧樹脂基修補砂漿強(qiáng)度的配合比設(shè)計進(jìn)行了探討，確定了影響環(huán)氧樹脂基修補砂漿強(qiáng)度的影響因素及其影響程度，進(jìn)一步通過粘結(jié)性能分析了環(huán)氧樹脂基修補砂漿的修補效果，主要得出以下結(jié)論：

（1）正交試驗結(jié)果表明，影響環(huán)氧樹脂基修補砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素排序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞砂摻量。水泥摻量越高，環(huán)氧樹脂基修補砂漿的強(qiáng)度越低，而砂摻量越高強(qiáng)度越高，固化劑摻量則存在一個最佳值。建議采用的環(huán)氧樹脂基修補砂漿配合比為環(huán)氧樹脂∶稀釋劑∶水泥∶固化劑∶砂為1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6。

（2）粘結(jié)性能試驗結(jié)果表明，修補砂漿抗折試件粘結(jié)界面未發(fā)生破壞，表明環(huán)氧樹脂修補砂漿具有優(yōu)良的粘結(jié)強(qiáng)度，但因破壞界面的轉(zhuǎn)移，膠砂受到額外彎矩的作用，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低。此外，環(huán)氧樹脂基修補砂漿還可以改善混凝土的抗壓強(qiáng)度，增幅高達(dá)18.9%。

（3）熱空氣對環(huán)氧樹脂基修補砂漿的耐久性能有一定負(fù)面影響，但影響相對較??；在常規(guī)的濕熱環(huán)境中，環(huán)氧樹脂基修補砂漿性能幾乎不受影響，而在極端濕熱環(huán)境中其性能劣化也較小。

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作者簡介：黃 燕（1976—），高級工程師，研究方向：道路工程、混凝土。