水性環氧樹脂改性水泥砂漿的制備及抗裂性能

尹浩，周進俊，孫德文，李波，冉千平

(1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211103）

0 引言

隨著混凝土建筑物服役年限的增加， 目前許多工業和民用建筑已經或多或少地出現了一些問題。 裂縫和表面破壞是建筑物服役過程中最常見的病害之一。 對于已經存在病害的混凝土建筑物，工程上很早就開始采用相對經濟可行的修補和翻新技術。 環氧樹脂材料因其強度高、粘結性好、耐化學品和耐堿腐蝕等優越的性能， 作為建筑物修補和翻新材料， 在國內外許多建筑工程上已應用多年[1-4]。 普遍應用的環氧樹脂是一種高黏度、不溶于水的油溶性聚合物， 開發水性環氧樹脂逐漸成為行業熱點之一。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

環氧樹脂E51，環氧當量190 g/mol，工業級，南亞昆山樹脂廠；聚乙二醇單甲醚MPEG-1000，羥值51 mgKOH/g，工業級，南京博特新材料有限公司；三苯基膦，工業級，安徽金善化工科技有限公司；固化劑型號Anquamine 287，工業級，贏創化學公司；水泥，P·I 52.5，小野田水泥有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳液的物理性能

乳液的平均粒徑是通過HELOS / SUCELL 濕式激光粒徑分析儀在25 ℃下測量的。 乳液的粘度是通過布氏粘度計在25 ℃下測量的。

1.2.2 乳液穩定性

取20 ml 乳液，分別在轉速1 000 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm、4 000 rpm 和5 000 rpm 下離心30 min。沒有出現分水現象， 說明該轉速下的乳液穩定性好。不分水情況下的轉速越大，說明乳液越穩定，保存時間越長。

1.2.3 乳液改性水泥砂漿的力學強度

抗壓強度和抗折強度采用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》(ISO 法)進行檢測。

1.2.4 乳液改性水泥砂漿的抗裂性能

在0.5 水灰比的水泥凈漿中加入一定摻量的水性環氧樹脂，拌和均勻后攤鋪于鋼板上，厚度為5 mm。待其硬化后觀察表面裂紋情況，結合水性環氧樹脂的摻量，定性判斷抗裂性能。

2 結果與討論

2.1 乳化劑的原位制備

將計量的聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 和環氧樹脂E51 加入帶有攪拌裝置、 溫度計的三口燒瓶中，攪拌并加熱至120 ℃。 然后一次性加入占環氧樹脂質量1%的三苯基膦作為催化劑， 繼續在120 ℃下攪拌12 h，最后冷卻至室溫即得乳化劑和環氧樹脂的混合物，無需分離，直接加水高速分散乳化，分散速度1 000 rpm，分散盤直徑8 cm。 乳化劑分子結構如圖1 所示。

圖1 乳化劑分子結構

2.2 乳液的粒徑

由圖1 可知， 在合成的乳化劑分子結構中，將聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 作為親水性鏈段，將環氧樹脂E51 作為親油性鏈段， 計算出理論親水親油平衡值（HLB）為14.49。 這與文獻報告的環氧樹脂乳化劑的HLB 值非常吻合。 聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 的用量與乳液的平均粒徑的關系如圖2 所示。 在5%～20%范圍內，MPEG-1000 的用量與粒徑沒有顯著的關聯性，都能制備得到粒徑較小的乳液，說明原位制備的乳化劑的乳化能力較強。

2.3 乳液的粘度

當乳液的固含量為50%時， 聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 的用量與乳液的粘度的關系如圖3 所示。 由圖3 可知，隨著MPEG-1000 用量的增加，乳液粘度越來越大。 一方面，提高MPEG-1000 的用量會生成更多的MPEG-1000 和環氧樹脂反應而成的乳化劑，從而增加體系的粘度；另一方面，膠束粒子表面的聚乙二醇鏈段的含量相對增加，可能會增加膠束粒子之間的分子作用力，也導致了最終乳液粘度的增加。

圖2 MPEG-1000 的用量對水性環氧樹脂粒徑的影響

圖3 MPEG-1000 的用量對水性環氧樹脂粘度的影響

2.4 乳液的穩定性

利用不同用量的聚乙二醇單甲醚MPEG-1000制備水性環氧樹脂乳液，在不同轉速下的離心穩定性如表1 所示。 由表1 可知，當MPEG-1000 用量是環氧樹脂質量的5%時，制備的乳液僅在離心轉速1 000 rpm 時不分水， 說明穩定性很差；當MPEG-1000 用量是環氧樹脂的質量10%和15%時，離心轉速在3 000 rpm 時不分水，說明穩定性良好；如果想要得到優異的穩定性，也就是在轉速5 000 rpm 時不分水， 需要將MPEG-1000 用量提高至占環氧樹脂質量的20%。 MPEG-1000 用量的增加，實際上提高了乳液粒子的親水性能，改善了與分散相水的相容性，導致穩定性的大幅提升。 另外，粘度的增加也有助于提高乳液的穩定性。

2.5 改性水泥砂漿的力學強度

用MPEG-1000 占環氧樹脂質量的20%的比例制備水性環氧樹脂乳液，并與固化劑Anquamine 287按照環氧基和胺基等當量的比例進行混合攪拌，然后按照不同的聚灰比（P/C）設計拌和水泥砂漿，分別測試砂漿28 d 齡期的抗壓強度和抗折強度，結果如圖4 所示。 由圖4 可知，隨著聚灰比的增加，抗壓強度先小幅下降，隨后增加，最后又下降。 當聚灰比為15%時，抗壓強度最大。另外，抗折強度的發展趨勢不同于抗壓強度，它隨著聚灰比的增加而增加。 因此綜合考慮，可以選擇聚灰比15%作為最優摻量，此時抗壓強度為62 MPa，抗折強度為14 MPa。

表1 MPEG-1000 用量對乳液穩定性的影響

圖4 聚灰比對改性水泥砂漿抗壓強度（左）和抗折強度（右）的影響

2.6 改性水泥砂漿的抗裂性能

水泥砂漿的抗裂問題一直是建筑材料領域十分關注的熱點課題。添加聚合物是增加水泥砂漿抗裂性的方法之一。試驗研究了水性環氧樹脂的摻量對抗裂性能的影響。 聚灰比（P/C）與抗裂性的關系照片如圖5 所示。 由圖5 可知，不摻水性環氧樹脂的水泥砂漿因為早期的塑性收縮出現了多道細小裂縫。當聚灰比為2.5%和5%時水泥砂漿同樣出現了裂紋， 而且裂縫比不摻水性環氧樹脂的砂漿更寬。 這是因為水性環氧樹脂的摻入，與水泥發生吸附，導致自由水的增加，即水性環氧樹脂具有減水作用，自由水的揮發導致了更寬的裂縫。 當聚灰比達到10%以上時，裂紋消失了，這是因為只有水性環氧樹脂占有足夠的體積時，其較強的內聚力才能克服水泥砂漿因塑性收縮導致的收縮應力。 因此，聚灰比為10%作為優選的水性環氧樹脂摻量，能夠達到很好的抗開裂性能。

圖5 聚灰比對改性水泥砂漿抗裂性的影響

3 結論

（1）利用聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 與環氧樹脂E51 原位反應制備出了穩定性優異的水性環氧樹脂。 通過對自制水性環氧樹脂的粒徑、粘度和離心穩定性的分析，確定了MPEG-1000 占E51 質量的20%為最優選的條件。 最終制得粒徑為0.7 μm、 粘度為420 mpa·s、 在5 000 rpm 轉速下離心穩定的水性環氧樹脂。

（2）將上述優選的水性環氧樹脂制備改性水泥砂漿，測定其抗壓強度和抗折強度。結果表明，水性環氧樹脂改性水泥砂漿的抗壓強度顯示了隨著聚灰比的增加先減少后增大，最后又減少的趨勢；抗折強度則是隨著聚灰比的增加而增加。聚灰比為15%時抗壓強度達到最大值62 MPa，抗折強度14 MPa，能夠滿足大多數工程的應用要求。

（3）通過將水性環氧樹脂摻入0.5 水灰比的水泥凈漿中考察抗裂性能。 結果表明，隨著聚灰比的增加， 水泥砂漿的抗裂性能顯示先增大后減緩，最后不開裂的規律。 聚灰比至少在10%以上時，才能夠實現水泥砂漿不開裂。