环氧树脂基混凝土用于铺装材料的现状与分析

杨宇轩 冯玲 罗琦曦

（中南林业科技大学土木工程学院 长沙 410004）

普通硅酸盐水泥混凝土的抗压强度很高，但是抗拉强度不高；普通硅酸盐混凝土的抗冲击性能不高导致普通硅酸盐混凝土容易开裂等问题都是普通硅酸盐水泥混凝土在工程实际中随着使用年限增长而出现的工程实际问题。另外耐化学腐蚀性能差不宜用于经常与海水等腐蚀介质相接触的工程。特别是在桥头与路面相接处（桥头搭板处）往往发生桥头“跳车”现象，这种巨大的冲击力对普通硅酸盐水泥混凝土造成的损伤很大，往往导致桥头出现凹槽，坑洞。此外作为桥头凹槽，坑洞的修补材料，普通硅酸盐水凝混凝土的使用寿命不长，往往需要长期的，定期的维修。为了克服以上问题，近年内研究出的一种聚合物混凝土，即环氧树脂基混凝土能够很好地解决以上问题。这种新型混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土对比优点突出[1]，具体体现在：①抗压强度较高，抗冲击和抗老化性能较强，韧性好且养护时间较短；具有良好的物理性能（如耐水、耐摩擦和抗冻性能等）和化学性能（如耐化学腐蚀性能等）；②环氧树脂基混凝土的固化条件较普通硅酸盐混凝土简单；只需在常温下进行24h的养护，强度就可以达到最终强度的80%，构件强度的增长速度明显比普通硅酸盐水泥混凝土构件强度的增长速度快；③环氧树脂基混凝土强度的增长速度快，并且与大多数混凝土构件能够很好的粘接；所以，环氧树脂基混凝土还可以作为一种高效、快速的路面铺装修补材料。因此，聚合物混凝土应在工程实际中具有广泛的应用前景，应得到广大学者的高度重视。

环氧树脂基混凝土做为一种新型土木工程材料，只有短短60余年的研究历史，对此材料进行深层次的研究并且将材料逐步应用于工程实际中也不超过30余年。由于铺装工程大多是在主体结构完成之后才开始进行的相对较小的附属工程，通常不会直接影响结构的稳固性，所以桥面铺装层的设计很少有针对性的研究，以至于在设计和施工中桥面铺装层没有像主体结构一样得到应有的重视，往往也是按照相关规范和设计者的经验进行设计，导致关于铺装层的各项技术发展较为缓慢。环氧树脂基混凝土的研究在我国还停留在基础阶段，没有形成强有力的理论知识体系，设计及施工经验较少。到目前为止，应用于道路工程的环氧树脂基混凝土[2-3]的抗压强度较高，抗冲击和抗老化性能较强，韧性好且养护时间较短；具有良好的化学性能（如耐化学腐蚀性能等）和物理性能（如耐水、耐摩擦和抗冻性能等）。通过将高分子弹性体、木纤维加入环氧树脂基混凝土中可达到改善环氧树脂基混凝土性能的结果，笔者将对其进行探讨。

1 国内外的研究和应用现状

1.1 环氧树脂

从化学角度讲是分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称，是一种常见的固热基体复合材料，。环氧树脂是自身不能够硬化的线性结构热塑性聚合物；当向环氧树脂中加入硬化剂并经过加热处理后，环氧树脂会因为固化反应而形成一种不溶于水的巨大高分子聚合物，同时环氧树脂能够由热塑性变成热固性。将环氧树脂作为复合材料的基体材料，向其中添加各种改善材料性能的添加剂可以改变其脆性大、耐热性差、抗冲击性能不强的问题[4]。双酚A型环氧树脂是目前为止广为人知的一种环氧树脂，我国对于双酚A型环氧树脂的研究还在不断增加。

1.2 环氧树脂基混凝土

将适量的增韧剂、改性芳香胺类固化剂、邻苯二甲酸酯增塑剂和稀释剂掺入环氧树脂中可形成环氧树脂胶粘剂；再与确定好配合比的混凝土基料经过充分搅拌、充分养护、最后固化而成的一种聚合物水泥混凝土材料。对环氧树脂基混凝土的应用要确保以下条件：①环氧树脂基混凝土的级配。将合理的环氧树脂基混凝土配合比设计方案运用到工程实际中，以满足不同的工程实际情况。②环氧树脂基混凝土的各项性能。即保证在不同因素影响下的环氧树脂混凝土物理性能（收缩性、耐火性、抗冻性、阻尼性能）和化学性能（耐化学腐蚀性）；③保证环氧树脂基混凝土经济性问题等。

1.3 研究现状

由于我国早期在高分子技术方面的经验不足和科研经费短缺等众多因素的限制下，我国在聚合物混凝土方面的研究困难重重。但在近几年国家对科研事业的大力支持下，我国应该加大对环氧树脂基混凝土这种新型建筑材料的研究。

近年来我国对环氧树脂基混凝土的研究主要体现在准静态实验和动态实验中。在准静态实验中的混凝土抗压强度和弹性模量是混凝土的两项重要指标。李宇峙，李家庆等人通过实验，对环氧树脂基混凝土的两大准静态指标进行了研究[5]：①环氧树脂基混凝土的抗压强度将作为基本参量确定此类混凝土的质量等级。环氧树脂基混凝土材料抵抗外力的能力较强；环氧树脂基混凝土的抗压强度还对抗拉强度、弹性模量和峰值应变等其他力学性能有影响；②环氧树脂混凝土的弹性模量要小于普通商品混凝土的弹性模量。环氧树脂基混凝土和普通商品混凝土在相同的抗压强度的情况下，环氧树脂混凝土所产生的变形较大，韧性较好。杨礼明等人通过实验，分别从抗压、抗折强度和粘结性能对环氧树脂基混凝土应用于桥梁的维修加固进行了可行性分析[6]：环氧树脂基混凝土的准静态力学性能较好，能满足水泥路面维修的要求；在常温下固化成型快且强度高，应用于道路修补加固时可有效解决交通管制等问题。

在动态实验中主要以混凝土抗冲击性能研究为主。混凝土的抗冲击性能是混凝土动态力学性能的重要体现，在应对路面出现“跳车”现象时，巨大的冲击荷载一般会导致桥头跟路面搭接处的锚固区混凝土破损，严重的话还会导致路面铺装层破损，这样会严重影响通车情况。张楠丽等人通过实验，对环氧树脂基混凝土的抗冲击性能做出了讨论[7]：通过研究特定的环氧树脂基混凝土的骨料级配和制作工艺，再模拟“跳车”现象，对环氧树脂基混凝土进行冲击实验，研究了环氧树脂基混凝土的冲击疲劳特性，并对其进行了研究和探索。

1.4 应用现状

近些年，随着我国对环氧树脂基混凝土（ERC）这种聚合物混凝土的深入研究，新型树脂材料出现在土木工程等各领城的工程应用也越来越多。主要体现在新型树脂材料应用于环氧树脂的制备，环氧树脂基混凝土应对混凝土道路的修补和桥梁构件的加固等。

在聚合物混凝土领域中，将环氧树脂制成的环氧胶可用于桥梁和公路工程中混凝土构件的粘接和修补、加固或防渗堵漏灌浆等。众所周知，混凝土和钢筋混凝土的结构具有很高的耐久性，但是钢筋混凝土的结构在使用过程中产生的损伤大多数是因为结构设计不合理，施工不规范，外部环境恶劣等问题。构造物在使用过程中的损伤特征有以下几类：①表面损坏。混凝土建筑物或构筑物由于设计、施工和管理运行等方面的原因，如受空蚀、磨蚀、冲刷、冻融、水化学侵蚀或机械撞击等因素作用而导致表层破坏[8]；②开裂。这种缺陷在混凝土结构中是比较普遍的，混凝土结构由于内外因素（不均匀沉降，地震，收缩及温度应力等）的作用而产生的物理结构变化，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因；③挠度增大，因混凝土的徐变变形导致结构刚度不足而出现的结构挠度增大，最终导致混凝土结构破坏；④断面损伤，因混凝土强度不足及疲劳应力等引起的混凝土强度下降，最终导致结构断面受损。为了减少混凝土构件的损伤，新型建筑材料的开发就显得尤为重要[9]。

新旧混凝土的粘接和建筑物的加固工程都会用到环氧树脂胶粘剂和环氧树脂基混凝土。传统的新旧混凝土的接槎方法是先把稀释的砂浆涂在干净的边缘，然后再浇筑新的混凝土，该方法粘接度低、防水性差。目前最常见的方法是在混凝土槎口上使用环氧胶粘剂来产生高强度化合物。新混凝土和旧混凝土的粘合度的复杂性在于，胶水必须与含水量更高的新混凝土接触，这可以通过使用不溶解在水、聚酰胺、聚酰胺和水头孢胺中的环氧粘合剂来满足。此外，环氧粘合剂在潮湿环境中有很好的效果，如果它被煤焦沥青改性，并添加到相应的吸收水材料中，如石棉纤维和氧化钙。

环氧树脂在土木工程实际中另一个重要的应用体现在桥梁结构加固中。由于桥梁长时间的振动而在桥下的预应力混凝土之间产生的间隙，一般采用压缩强度较高的胶粘剂进行粘接，使桥基下相邻的预应力钢筋混凝土成为整体。在过去的公路、桥梁的伸缩缝施工中，大多是采用高标号混凝土填充梁体与橡胶伸缩体之间的空隙，但此缺点是车辆在行驶过程中经过伸缩缝时，从刚性的混凝土直接到柔性的橡胶伸缩体，易产生“跳车”现象[10-11]。当环氧树脂混凝土在横梁和橡胶伸缩式伸缩式之间填充时，由于环氧树脂混凝土具有高强度、抗冲击强度大的特性，较好的解决车辆在通过桥梁伸缩缝时的“跳车”现象。

因其强度高，耐摩擦，抗渗透性能好，抗冻和抗冲击性能好等特点，环氧树脂基混凝土现已成为科学研究和工程实际应用中发展最快的建筑村料之一。学者们越来越重视环氧树脂基混凝土对于混凝土结构加固、补强工程的作用，近年来环氧树脂基混凝土的应用效果显著，但其自身的一些性能仍有待改善。

2 改性环氧树脂

2.1 木纤维环氧树脂

在混凝土中加入适量的木纤维是目前较常见的改性办法。纤维的长度、体积率、种类、性能、分布情况、纤维的取向、纤维与水泥基材的粘结强度等决定了纤维混凝土的阻裂机制和阻裂效果。环氧树脂基混凝土中加入木纤维是笔者对此种混凝土性能改进的方法之一，原因在于木纤维能够在混凝土中呈现三维乱向分布且有不同程度的定向性。另外，复杂的环氧树脂混凝土增强机理也是通过加入木纤维来实现的。由于不同的施工方式会造成木纤维拥有不同的分布形式，另外木纤维的形状不一、表面粗糙程度难以统一化。所以向环氧树脂基混凝土中加入木纤维能够使原混凝土拥有多相，多组分，非均匀，不连续等特性。虽然有诸多研究者对纤维混凝土的增强基础理论进行了研究，但没有一个统一化的理论来证实木纤维增强的机制。普遍认为：可以通过向混凝土中加入纤维来增加混凝土的抗压强度、耐腐蚀耐磨擦性质、韧性等性能。使混凝土的基体产生很多有益的效应，如使混凝土的强度，韧性和阻裂效果提高；改变混凝土的脆性；混凝土的破坏形态和易开裂性质都会得到改变，延长了混凝土的使用寿命[12-15]。在纤维混凝土中，由于混凝土在开裂时候会释放能量导致裂缝扩展，若向混凝土中加入纤维可以通过纤维来吸收这种能量达到裂缝不扩展的目的。

“混合定律”和“纤维间距理论”是当前争议较少又能准确反映纤维增强的理论。

研究复合材料性能与复合材料各组分性能之间关系的混合定律应基于以下三种假设：①纤维混凝土在宏观上是均质的；②纤维与混凝土基体本身是正交各向异性（或各向同性）的线弹性材料；③纤维与基体之间完全粘着状态。满足上述条件的两种纤维状态下的混合定律为：单向连续长纤维混凝土混合定律和不连续短纤维混凝土混合定律。

“纤维间距理论”是Romualdi在Griffith理论的基础上提出来的。Griffith理论认为，混凝土材料存在结构缺陷（微裂缝或微尺寸孔洞）和不均匀性质（骨料或集料分布不均匀）。当混凝土构件受到应力作用时会产生微裂缝，微裂缝的尖端会因为应力集中效应使裂缝迅速扩展，最终导致混凝土构件的裂缝数量、宽度、长度的增加形成大通缝使得混凝土结构发生破坏。混凝土材料强度和韧性的改变都会因为向这种脆性材料基体中加入纤维而改变。特别是对于混凝土构件由于应力因素开裂时，掺入的纤维材料能够吸收开裂所释放的能量起到约束裂缝的发生和裂缝增长的作用。综上所述，为了增强环氧树脂基混凝土的强度和韧性，可以通过在这种混凝土材料中加入木纤维。

2.2 橡胶弹性体环氧树脂

通过在环氧树脂中加入增韧的橡胶达到对环氧树脂性能的改进，也是改变环氧树脂基混凝土性能的方法之一，但必须具备以下两个基本条件[16]：第一个条件是分子量适合。适合的分子量是保证环氧树脂与橡胶相容的关键。这要求橡胶的分子量不能太大，这样才能保证所用的橡胶能与固化前的环氧树脂较好的相容且橡胶在环氧树脂中分散均匀；同样也要求橡胶的分子量不能太小，是为了保证环氧树脂固化时橡胶能顺利析出且呈两相结构。第二个条件是橡胶应能与树脂的环氧基相互作用。因为环氧树脂有两个以上的环氧基团，为了与环氧树脂完美的结合这就要求橡胶同样也要有两个以上的端基与其产生牢固的化学交联点。

为了提高基体的屈服变形能力可以借助橡胶类高分子弹性体来增韧。在用橡胶类高分子弹性体增韧环氧树脂体系中，环氧树脂基体在断裂过程中因拉伸撕裂所消耗的能量不是主要地位，橡胶的主要作用体现在作为第一相去诱发基体的耗能过程。当受到外部应力的作用时，以球形颗粒状分散在环氧树脂中的分散相橡胶会使材料的撕裂过程发生在树脂基体中。在橡胶颗粒断裂脱胶后所形成的孔洞塑形体膨胀，再通过颗粒或孔洞诱发的剪切屈服变形会环氧树脂韧性得到提高。因此，环氧树脂基混凝土的脆性得到改善的一个很重要的方法是可以通过在环氧树脂基混凝土中加入橡胶弹性体来用于增韧。

结合上面两种材料的分析，当在混凝土这一类的脆性材料基体内加入纤维后这种材料的强度和韧性都会引起改变。特别是对于混凝土构件由于应力因素开裂时，掺入的纤维材料能够吸收开裂所释放的能量起到约束裂缝的发生和裂缝增长的作用。当在环氧树脂基混凝土中加入橡胶类高分子来产生化学交联点后其韧性也得到了提高。为了改善环氧树脂基混凝土的特性可以尝试将木纤维和高分子橡胶弹性体共同作用在环氧树脂基混凝土中。

3 结语

现阶段，环氧树脂基混凝土的研究历史只有30余年。这种新型建筑材料的研究我国还是处于起步阶段，再者短短的几年内很多学着发现了环氧树脂基混凝土的诸多特点：①抗压强度较高，抗冲击和抗老化性能较强，韧性好且养护时间较短；具有良好的物理性能（如耐水、耐摩擦和抗冻性能等）和化学性能（如耐化学腐蚀性能等）；②环氧树脂基混凝土在常温和低温下进行24h的养护，强度就可以达到最终强度的80%，构件强度的增长速度明显比普通硅酸盐水泥混凝土构件强度的增长速度快；③环氧树脂基混凝土强度的增长速度快，并且与大多数混凝土构件能够很好的粘接；所以，环氧树脂基混凝土还可以作为一种高效、快速的路面铺装修补材料。