水性環氧樹脂改性水泥砂漿自修復性能的研究

□文/陳佳寧 劉鳳東 王冬梅 滕 藤 李趙相

試驗結果證明水泥基材料硬化體被破壞后存在自修復的現象，目前國內外水泥基材料的自修復性能研究已經成為熱點方向[1]。水性環氧樹脂改性水泥砂漿產品由于其出色的力學性能和耐腐蝕性在建筑工程領域應用日趨廣泛。目前，我國對于水性環氧樹脂改性水泥砂漿自修復性能的研究較少，本文對水性環氧樹脂改性水泥漿的自修復性能進行了研究。

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原材料

1）水泥：唐山冀東水泥集團生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

2）砂子：2.26 mm以下連續級河砂。

3）環氧樹脂：江蘇三木集團有限公司E51環氧樹脂，見表1。

表1 環氧樹脂的主要性能指標

4）固化劑：美國氣體化學721自乳化型改性胺類固化劑，見表2。

表2 固化劑的主要性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 攪拌方法

在試驗中采用符合JC/T 681—2005《行星式水泥膠砂攪拌機》的行星式水泥膠砂攪拌機低速攪拌。先將A（環氧樹脂）、B（固化劑）兩組分混合后加水攪拌均勻一致后再加入C組分（粉料）攪拌均勻。

1.2.2 拉伸粘接強度

參考標準JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》進行。

1.2.3 抗壓和抗折強度

采用40 mm×40 mm×160 mm試件，成型后放置在溫度（20±3）℃的養護室中24 h后拆模，保持養護溫度在（20±3）℃，濕度（50±5）%，繼續養護 27 d。參考標準DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》進行7、28 d的抗壓、抗折性能測試。

1.2.4 抗滲壓力比

用上口直徑70 m、下口直徑80 mm、高30 mm的截頭圓錐帶底金屬試模成型抗滲試件，成型后放置在（20±3）℃的養護室中24 h后拆模，脫模后放入（20±3）℃的水中養護至7 d，取出待表面干燥后，用滲透儀中進行抗滲壓力測試直至透水，然后繼續在（20±3）℃的水中養護至14 d，取出帶表面干燥后進行抗滲壓力測試。14 d抗滲壓力與7 d抗滲壓力比值為試塊的抗滲壓力比。

1.2.5 抗壓強度比

采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件，成型后放置在（20±3）℃的養護室中24 h后拆模，保持養護溫度（20±3）℃，濕度（50±5）%，繼續養護27 d，測量 28 d抗壓強度，當抗壓強度數值達到最大值時候停止測試。然后繼續在（20±3）℃的水中養護至7 d，測量其抗壓強度，第二次抗壓強度與第一次抗壓強度比值為試塊的抗壓強度比。

1.2.6 試驗配合比

試驗原料配比見表3。

表3 試驗原料配比 g

2 結果和討論

2.1 水性環氧樹脂對拉伸粘結強度的影響

圖1為水性環氧樹脂加入量對14 d拉伸粘結強度的影響。

圖1 水性環氧樹脂加入量對拉伸粘度強度的影響

從圖1可以看出，水性環氧樹脂量摻加量增大，拉伸粘結強度增大。在水性環氧樹脂改性水泥砂漿中，水泥的水化反應與水性環氧樹脂與固化劑的反應時協同進行，水性環氧樹脂分子中的羥基、醚基等極性基團能夠和材料界面表面形成化學吸附，而環氧基與含有活潑氫的界面材料反應生成化學鍵，從而提高復合材料拉伸粘結強度[2]。隨著環氧樹脂摻加量增大，拉伸強度達到水性環氧樹脂改性水泥砂漿本身的強度數值，因此當水性環氧樹脂加入量超過4 g后拉伸強度在1.0～1.2 MPa之間變化。

隨著水性環氧樹脂添加量增大，水性環氧樹脂改性水泥砂漿粘度增大，由于水性環氧樹脂的加入，水性環氧樹脂改性水泥砂漿的拉伸粘結強度得到了明顯的提高，但當水性環氧樹脂摻加量過高，施工作業難度增大。

2.2 水性環氧樹脂對力學性能的影響

圖2為水性環氧樹脂添加量對抗壓強度的影響。

從圖2可以看出，隨著環氧樹脂量的增加抗壓強度先稍微有所增大然后又有所減小。在水性環氧樹脂改性水泥砂漿中隨著水泥水化反應的進行，水性環氧樹脂與固化劑逐漸反應交聯成網狀結構，與水泥水化產物、骨料結合在一起形成了連續致密的結構，提高了水泥砂漿內部界面過渡區的致密程度，從而提高了抗壓強度[3]。

添加水性環氧樹脂的水泥砂漿的抗折強度比空白試塊有明顯的提高，抗壓強度和空白試塊相比在添加量4 g以下有所增加，在添加量超過4 g時有所降低。

圖3為水性環氧樹脂添加量對抗折強度的影響。

從圖3可以看出，水性環氧樹脂摻加量增大，復合材料的抗折強度也逐漸增大。隨著水泥水化吸收水分，水性環氧樹脂和固化劑逐漸反應形成立體的網狀結構[4]。這種結構中水性環氧樹脂和固化劑反應成的網狀結構穿透過水泥石中的孔隙連接形成一個具有一定彈性的結構，分散了應力集中，又增加了抵抗變形能力，因而提高了水性環氧樹脂改性水泥砂漿的抗折性能。

2.3 水性環氧樹脂對抗滲壓力比的影響

圖4為水性環氧樹脂對水泥砂漿抗滲壓力比的影響。

圖2 水性環氧樹脂對抗壓強度的影響

圖3 水性環氧樹脂對抗折強度的影響

圖4 水性環氧樹脂對抗滲壓力比的影響

從圖4可以看出，水性環氧樹脂的添加量增大，一次抗滲壓力逐漸增大。水性環氧樹脂改性水泥砂漿在水泥水化和水性環氧樹脂固化完成后，由于水性環氧樹脂固化產物與水泥水化產物的交互連接，降低了體系的孔隙率，復合材料整體更為致密，增強水泥砂漿內部界面間的薄弱環節水性環氧樹脂和固化劑反應交聯產物和水泥水化產物以及填料結合成網絡結構，材料整體孔隙減少，致密性增強。同時水性環氧樹脂中的活性基因與水泥水化中游離Ca2+、Al3+、Fe2+等離子進行交換形成特殊的橋鍵，改善了水泥漿物理的組織結構及內部應力狀態，使得承受變形能力增強因此材料的一次抗滲壓力明顯得到了提高。當水性環氧樹脂改性水泥砂漿抗滲試塊被打穿后，經過一段時間的水中養護[5]，砂漿試塊中未水化的水泥顆粒繼續水化，部分沒有完全與固化份水性環氧樹脂滲透到被打穿的孔隙部位繼續發生固化反應。在兩者的協同作用下，砂漿試塊的二次抗滲壓力逐漸增加。隨著水性環氧樹脂摻加量的增大，水性環氧樹脂交聯體阻擋了未水化的水泥顆粒進一步的水化反應，二次抗滲壓力比有所降低。

水性環氧樹脂的加入增加了水性環氧樹脂改性水泥砂漿的抗滲壓力，隨著水性環氧樹脂添加量的增大，抗滲壓力比也逐漸增大。當水性環氧樹脂摻加量超過6 g時，抗滲壓力比有所降低。

2.4 水性環氧樹脂對二次抗壓強度的影響

圖5為水性環氧樹脂對水泥砂漿抗壓強度的影響。

圖5 水性環氧樹脂對一次、二次抗壓強度的影響

在水性環氧樹脂改性水泥砂漿中，水泥水化反應和水性環氧樹脂固化反應協同進行，最終交聯成三維網狀結構。當水性環氧樹脂改性水泥砂漿抗壓達到最大壓力值時內部結構被破壞[6]。經過一段時間的水中養護后，砂漿試塊中未水化的水泥顆粒繼續水化，部分沒有完全與固化份水性環氧樹脂滲透到孔隙部位繼續發生固化反應，從而抗壓強度得到恢復。在被破壞的水性環氧樹脂改性水泥砂漿試塊中，未水化的水泥顆粒的二次水化以及部分沒有固化的水性環氧樹脂顆粒繼續固化反應使得水性環氧樹脂改性水泥砂漿具有一定的自修復性能，隨著水性環氧樹脂添加量的增大，水性環氧樹脂固化物對水泥顆粒包裹性增強，參與二次水化水泥顆粒逐漸減少，在兩者的協同作用下，水性環氧樹脂天添加量增大，水性環氧樹脂改性水泥砂漿的抗壓強度比增大，當水性環氧樹脂摻加量為6 g時，抗壓前強度比達到最大值。水性環氧樹脂摻量繼續增大，對未水化水泥顆粒的抑制力增大，抗壓強度比有所降低。

隨著水性環氧樹脂摻加量增大水性環氧樹脂改性水泥砂漿的二次抗壓強度有所增加，當水性環氧樹脂摻加量大約6 g時，二次抗壓強度開始降低。水性環氧樹脂摻加量增大，抗壓強度比增大，當水性環氧樹脂摻加量為6 g時，抗壓強度比達到最大值。

3 結論

通過研究表明：水性環氧樹脂不僅具有改性水泥砂漿具有良好的粘結性能、力學性能而且也具有良好的自我修復性能。

[1]Edvardsen C.Water Permeability and Autogenous Healing ofCracks in Concrete[J].ACI Materials Journal，1999，6（4）:448-454.

[2]Aggarwal L.K.，Thapliyal，P.C，Karade S.R..Properties of Polymermodified Mortars Using Epoxyand Acrylic Emulsions[J].Construction and Building Materials，2007，21（2）:379-383.

[3]Mirza J，Mirza MS，Lapointe R..Laboratory and Field Performance of Polymer-modified Cement-based RepairMortarsinCold Climates[J].Constr Build Material，2002，16（6）:365-374.

[4]Chen J J，Zampini D，Walliser A.High-pressure Epoxy-impregnated Cementitious Materials for Microstructure Characterization[J].Cement and Concrete Research ，2002，32（1）:1-7.

[5]Struble L，Stutzman P.Epoxy Impregnation of Hardened Cement for Microstructural Characterization[J].Journal of Materials Science Letters，1989，8（6）:632-634.

[6]Whiting D，Kline D.E.Pore Size Distribution in Epoxy Impregnated Hardened Cement