水性环氧树脂改性水泥砂浆自修复性能的研究

□文/陈佳宁 刘凤东 王冬梅 滕 藤 李赵相

试验结果证明水泥基材料硬化体被破坏后存在自修复的现象，目前国内外水泥基材料的自修复性能研究已经成为热点方向[1]。水性环氧树脂改性水泥砂浆产品由于其出色的力学性能和耐腐蚀性在建筑工程领域应用日趋广泛。目前，我国对于水性环氧树脂改性水泥砂浆自修复性能的研究较少，本文对水性环氧树脂改性水泥浆的自修复性能进行了研究。

1 试验原料和方法

1.1 试验原材料

1）水泥：唐山冀东水泥集团生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。

2）砂子：2.26 mm以下连续级河砂。

3）环氧树脂：江苏三木集团有限公司E51环氧树脂，见表1。

表1 环氧树脂的主要性能指标

4）固化剂：美国气体化学721自乳化型改性胺类固化剂，见表2。

表2 固化剂的主要性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 搅拌方法

在试验中采用符合JC/T 681—2005《行星式水泥胶砂搅拌机》的行星式水泥胶砂搅拌机低速搅拌。先将A（环氧树脂）、B（固化剂）两组分混合后加水搅拌均匀一致后再加入C组分（粉料）搅拌均匀。

1.2.2 拉伸粘接强度

参考标准JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》进行。

1.2.3 抗压和抗折强度

采用40 mm×40 mm×160 mm试件，成型后放置在温度（20±3）℃的养护室中24 h后拆模，保持养护温度在（20±3）℃，湿度（50±5）%，继续养护 27 d。参考标准DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行7、28 d的抗压、抗折性能测试。

1.2.4 抗渗压力比

用上口直径70 m、下口直径80 mm、高30 mm的截头圆锥带底金属试模成型抗渗试件，成型后放置在（20±3）℃的养护室中24 h后拆模，脱模后放入（20±3）℃的水中养护至7 d，取出待表面干燥后，用渗透仪中进行抗渗压力测试直至透水，然后继续在（20±3）℃的水中养护至14 d，取出带表面干燥后进行抗渗压力测试。14 d抗渗压力与7 d抗渗压力比值为试块的抗渗压力比。

1.2.5 抗压强度比

采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试件，成型后放置在（20±3）℃的养护室中24 h后拆模，保持养护温度（20±3）℃，湿度（50±5）%，继续养护27 d，测量 28 d抗压强度，当抗压强度数值达到最大值时候停止测试。然后继续在（20±3）℃的水中养护至7 d，测量其抗压强度，第二次抗压强度与第一次抗压强度比值为试块的抗压强度比。

1.2.6 试验配合比

试验原料配比见表3。

表3 试验原料配比 g

2 结果和讨论

2.1 水性环氧树脂对拉伸粘结强度的影响

图1为水性环氧树脂加入量对14 d拉伸粘结强度的影响。

图1 水性环氧树脂加入量对拉伸粘度强度的影响

从图1可以看出，水性环氧树脂量掺加量增大，拉伸粘结强度增大。在水性环氧树脂改性水泥砂浆中，水泥的水化反应与水性环氧树脂与固化剂的反应时协同进行，水性环氧树脂分子中的羟基、醚基等极性基团能够和材料界面表面形成化学吸附，而环氧基与含有活泼氢的界面材料反应生成化学键，从而提高复合材料拉伸粘结强度[2]。随着环氧树脂掺加量增大，拉伸强度达到水性环氧树脂改性水泥砂浆本身的强度数值，因此当水性环氧树脂加入量超过4 g后拉伸强度在1.0～1.2 MPa之间变化。

随着水性环氧树脂添加量增大，水性环氧树脂改性水泥砂浆粘度增大，由于水性环氧树脂的加入，水性环氧树脂改性水泥砂浆的拉伸粘结强度得到了明显的提高，但当水性环氧树脂掺加量过高，施工作业难度增大。

2.2 水性环氧树脂对力学性能的影响

图2为水性环氧树脂添加量对抗压强度的影响。

从图2可以看出，随着环氧树脂量的增加抗压强度先稍微有所增大然后又有所减小。在水性环氧树脂改性水泥砂浆中随着水泥水化反应的进行，水性环氧树脂与固化剂逐渐反应交联成网状结构，与水泥水化产物、骨料结合在一起形成了连续致密的结构，提高了水泥砂浆内部界面过渡区的致密程度，从而提高了抗压强度[3]。

添加水性环氧树脂的水泥砂浆的抗折强度比空白试块有明显的提高，抗压强度和空白试块相比在添加量4 g以下有所增加，在添加量超过4 g时有所降低。

图3为水性环氧树脂添加量对抗折强度的影响。

从图3可以看出，水性环氧树脂掺加量增大，复合材料的抗折强度也逐渐增大。随着水泥水化吸收水分，水性环氧树脂和固化剂逐渐反应形成立体的网状结构[4]。这种结构中水性环氧树脂和固化剂反应成的网状结构穿透过水泥石中的孔隙连接形成一个具有一定弹性的结构，分散了应力集中，又增加了抵抗变形能力，因而提高了水性环氧树脂改性水泥砂浆的抗折性能。

2.3 水性环氧树脂对抗渗压力比的影响

图4为水性环氧树脂对水泥砂浆抗渗压力比的影响。

图2 水性环氧树脂对抗压强度的影响

图3 水性环氧树脂对抗折强度的影响

图4 水性环氧树脂对抗渗压力比的影响

从图4可以看出，水性环氧树脂的添加量增大，一次抗渗压力逐渐增大。水性环氧树脂改性水泥砂浆在水泥水化和水性环氧树脂固化完成后，由于水性环氧树脂固化产物与水泥水化产物的交互连接，降低了体系的孔隙率，复合材料整体更为致密，增强水泥砂浆内部界面间的薄弱环节水性环氧树脂和固化剂反应交联产物和水泥水化产物以及填料结合成网络结构，材料整体孔隙减少，致密性增强。同时水性环氧树脂中的活性基因与水泥水化中游离Ca2+、Al3+、Fe2+等离子进行交换形成特殊的桥键，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态，使得承受变形能力增强因此材料的一次抗渗压力明显得到了提高。当水性环氧树脂改性水泥砂浆抗渗试块被打穿后，经过一段时间的水中养护[5]，砂浆试块中未水化的水泥颗粒继续水化，部分没有完全与固化份水性环氧树脂渗透到被打穿的孔隙部位继续发生固化反应。在两者的协同作用下，砂浆试块的二次抗渗压力逐渐增加。随着水性环氧树脂掺加量的增大，水性环氧树脂交联体阻挡了未水化的水泥颗粒进一步的水化反应，二次抗渗压力比有所降低。

水性环氧树脂的加入增加了水性环氧树脂改性水泥砂浆的抗渗压力，随着水性环氧树脂添加量的增大，抗渗压力比也逐渐增大。当水性环氧树脂掺加量超过6 g时，抗渗压力比有所降低。

2.4 水性环氧树脂对二次抗压强度的影响

图5为水性环氧树脂对水泥砂浆抗压强度的影响。

图5 水性环氧树脂对一次、二次抗压强度的影响

在水性环氧树脂改性水泥砂浆中，水泥水化反应和水性环氧树脂固化反应协同进行，最终交联成三维网状结构。当水性环氧树脂改性水泥砂浆抗压达到最大压力值时内部结构被破坏[6]。经过一段时间的水中养护后，砂浆试块中未水化的水泥颗粒继续水化，部分没有完全与固化份水性环氧树脂渗透到孔隙部位继续发生固化反应，从而抗压强度得到恢复。在被破坏的水性环氧树脂改性水泥砂浆试块中，未水化的水泥颗粒的二次水化以及部分没有固化的水性环氧树脂颗粒继续固化反应使得水性环氧树脂改性水泥砂浆具有一定的自修复性能，随着水性环氧树脂添加量的增大，水性环氧树脂固化物对水泥颗粒包裹性增强，参与二次水化水泥颗粒逐渐减少，在两者的协同作用下，水性环氧树脂天添加量增大，水性环氧树脂改性水泥砂浆的抗压强度比增大，当水性环氧树脂掺加量为6 g时，抗压前强度比达到最大值。水性环氧树脂掺量继续增大，对未水化水泥颗粒的抑制力增大，抗压强度比有所降低。

随着水性环氧树脂掺加量增大水性环氧树脂改性水泥砂浆的二次抗压强度有所增加，当水性环氧树脂掺加量大约6 g时，二次抗压强度开始降低。水性环氧树脂掺加量增大，抗压强度比增大，当水性环氧树脂掺加量为6 g时，抗压强度比达到最大值。

3 结论

通过研究表明：水性环氧树脂不仅具有改性水泥砂浆具有良好的粘结性能、力学性能而且也具有良好的自我修复性能。

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