环氧树脂类混凝土快速修补材料的研究综述

唐传辉,郑远彪,方梁正,徐亦冬

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.宁波市交通规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315192；3.浙大宁波理工学院，浙江 宁波 315100)

0 前 言

混凝土一旦开裂，不但减少有效面积，而且外部的有害物质会渗入到混凝土内部，发生一系列复杂的化学反应，使得混凝土的性能快速降低。因此，对开裂或者破损混凝土的修补尤为重要。水泥基修补材料在形成强度时，不但会产生中间产物，而且会释放出大量的热量，使得这类修补材料发生干缩变形和开裂，从而降低修补性能。对此，研究人员通过向水泥基修补材料中加入一些改性材料，如纤维、膨胀剂、活性氧化物以及各种外加剂等，以此来抑制水泥基修补材料的收缩变形。但由于原材料的稀缺及较高的造价，使得高性能水泥基修补材料未能进行大面积推广。大量研究表明[1]：环氧树脂类修补材料相对于水泥基修补材料而言，具有前期强度高、收缩变形小、粘结力强、耐水性能好、极限应变大及造价低等优点，使得这类修补材料受到越来越多的关注。

1 环氧树脂类修补材料的分类及研究成果

用于混凝土修补的环氧树脂类修补材料主要由环氧树脂、固化剂、外加剂、稀释剂以及填料组成；根据组分的不同，可分为环氧树脂灌浆材料、环氧树脂改性水泥基修补材料、环氧树脂砂浆修补材料以及环氧树脂混凝土修补材料，表1列举了各组分的类别。

表1 组分及类别

作为胶凝材料的环氧树脂不能单独使用，需要和固化剂发生化学反应才能形成强度，其强度形成的机理在于：环氧树脂分子中的环氧基团开环与固化剂分子发生加聚反应，固化交联形成致密的空间网状结构。环氧树脂体的粘稠度比较大，需要加一定量的稀释剂来降低其稠度，以满足施工的要求。

1.1 环氧树脂灌浆材料

环氧树脂灌浆材料主要用于混凝土裂缝修补和土层的加固，主要由环氧树脂、固化剂和各类改性材料组成。单一的环氧树脂固化剂体系由于存在许多缺点，如韧性差、挥发性强、抗水性差以及稠度大不利于施工等，因此，通常需要根据不同的使用要求向体系中加入各种改性材料。改性材料主要分为对环氧树脂进行改性、对固化剂进行改性以及向体系加入外加剂这三类。曾娟娟等[2]针对低温环境，利用自制改性的固化剂和加入活性稀释剂制备出了低温固化的环氧树脂灌浆材料，该灌浆材料在低于室温时的初凝时间为30～90 min；汪在芹等[3]选用双酚A型环氧树和胺类固化剂，同时加入活性稀释剂和表面活性剂，制备出能在水下固化的环氧树脂灌浆材料，并成功运用于实际工程中。为提高该材料的修补性能，表2列举了目前研究人员所做的一些成果。

表2 环氧树脂灌浆材料研究成果

1.2 环氧树脂改性水泥基修补材料

传统的水泥基修补材料具有收缩变形大、粘结强度小、易失效以及抗冲击韧性差等缺点，因此研究人员为提高其修补性能，向水泥基修补材料中加入一定量的环氧树脂乳液，此时的环氧树脂乳液以一种外加剂的形式存在。这类修补材料主要用作灌浆材料以及用于水工结构物的修补。改性原理在于：环氧树脂分子形成的三维空间网状结构将水泥中的水化产物紧密的握裹在一起，形成三维互穿网络结构，提高了修补材料的致密性和韧性，其微观结构的变化如图1所示。图1中，(a)普通水泥混凝土;(b)环氧树脂(5%)水泥混凝土; (c)环氧树脂(10%)水泥混凝土; (d)环氧树脂(15%)水泥混凝土; (e)环氧树脂(20%)水泥混凝土[7]。

从图1可以看出，随着环氧树脂含量的增加，固化物分子的密实度明显得到提高。因此，适宜的环氧树脂胶凝体系能降低水泥基修补材料的孔隙率，增加其抗折强度的同时也会减小抗压强度，抗压强度的降低是因为单一的环氧树脂胶凝体系的强度低于水泥砂浆。但这类修补材料也存在初凝时间较长，前期强度较低的缺点，表3列举了环氧树脂改性水泥基修补材料的一些研究成果。

图1 不同环氧树脂掺量水泥混凝SEM

表3 环氧树脂改性水泥基修补材料研究成果

1.3 环氧树脂砂浆修补材料

环氧树脂砂浆修补材料由环氧树脂体系和水泥组成，与环氧树脂改性水泥基修补材料不同的是，此时的环氧树脂不是以一种外加剂的形式存在，而是按照一定比例等量或者全部替代水泥。环氧树脂体系在该修补材料中充当胶凝材料并占据主要成分，水泥不再作为胶凝材料，而是作为一种填充材料。由于水泥颗粒比表面积较大，使其能够在环氧树脂体系中均匀分布，可增加浆液的粘稠度，减少环氧树脂砂浆分层现象的发生。这类修补材料既可用于混凝土结构或者路面缺陷的修补，也可以作为一种灌浆材料用于混凝土裂缝的修补。表4则列举了研究人员为提高该修补材料性能所做的研究成果。

1.4 环氧树脂混凝土修补材料

环氧树脂混凝土修补材料作为一种聚合物混凝土，主要由有机物组分和无机物组分两部分组成。有机物组分充当胶凝材料，由环氧树脂、固化剂、稀释剂以及各种改性材料组成；无机物充当填充材料，由水泥和粗细骨料构成。环氧树脂修补混凝土具有初凝时间短、前期强度发展快、粘结性能优异、抗拉强度大、韧性好、抗冲击性能好以及耐腐蚀性好等优点，对于混凝土构件或路面大面积缺陷的修补具有广泛的应用前景[14-15]。黄钰桐等[16]开展环氧树脂混凝土前期强度的预测模型研究，指出在养护24 h内，其抗压强度能达到养护完成的90%上，这很好地解释了环氧树脂混凝土能作为快速修复材料的合理性。表5所示为环氧树脂混凝土修补材料的研究成果。

表5 环氧树脂混凝土修补材料研究成果

2 结论与展望

通过列举各类修补材料的研究成果可以看出：环氧树脂灌浆材料、环氧树脂改性水泥基修补材料这两者的研究集中于各种改性方法，通过改变固化物分子结构，以达到提高修补性能的目的，即微观层面；而环氧砂浆、环氧树脂混凝土的研究则更多的集中于配合比优化和改善养护条件两个方面，即宏观层面。此外，对于胶凝材料的选用，宁波某钢桥面铺装公司近期研发的环氧沥青胶凝材料具有初凝时间短、收缩变形小、抗压强度大及韧性好等优点，将该材料用于沥青混凝土的修补，将具有广阔的市场空间。但目前对于环氧树脂类修补材料的研究仍存在着一些不足，主要体现如下。

1)对于如何提高环氧树脂类修补材料的性能，多数研究体现在微观和宏观两个层面，细观层面的研究还较少，如较少见到对环氧树脂类修补材料孔径分析和胶凝材料与各种填料界面之间粘结强度的研究报告；再者多数研究没能将微观、细观和宏观三个层面联系起来，缺乏尺度过渡的分析。

2)现阶段的研究主要集中于环氧树脂类修补材料短期力学性能，对长期性能的研究不够深入与系统。在各种不同的使用环境下，应加强对环氧树脂类修补材料长期性能的退化、损伤机理与预防机制的研究。

3)在环氧树脂类修补材料与待修补混凝土的界面之间，两者粘结强度机理的研究较少，大多数研究都通过拉拔或者抗弯强度试验来评价两者粘结强度的大小，未对两者粘结力的来源进行深入的分析，从而缺乏界面处理的理论依据。

4)在疲劳荷载下，建立环氧树脂类修补材料本身及修复构件两者疲劳寿命的研究报告较为少见，为预测修复构件的寿命，应加强这一方面的研究。

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