水性环氧树脂增强路面混凝土耐久性研究现状及应用

陈晓娟

(宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750021)

近年来，我国交通建设迅速发展，四纵八横的公路网已经形成，现下高速公路主要采用沥青路面及水泥混凝土路面两种路面类型，水泥混凝土道路以其刚度大，承载力大等优势在公路建设中所占比例越来越高。随着交通荷载的日益增长，水泥混凝土路面的破坏也不断加重，对其养护以及维修费用的投入随之加大。同时水泥混凝土路面在车辆荷载及外界气候环境共同作用下，反复对其产生破坏，加剧了混凝土路面病害的发生。据大量研究表明，水泥混凝土路面病害发生的本质原因是其抗弯拉强度不足，混凝土脆性大，耐久性差，不足以抵抗车辆核载及外界环境对水泥混凝土路面的长期破坏。因此，只有从本质上提高水泥混凝土路面耐久性，才能有效减少病害的产生，改善水泥混凝土使用性能，延长其使用寿命。

大量学者开始寻找一种新材料用于增强混凝土路面耐久性，通过实验研究，采用聚合物改性混凝土是当前建设领域较为认可的一种方式，聚合物种类繁多，且对混凝土材料的改性方式各有差异。基于绿色环保、能耗低、施工和易性好等要求，目前水性环氧树脂在水泥混凝土材料中的应用较为广泛，将其按一定比例加入混凝土中，能在水泥石中形成一层聚合物膜，包裹水泥骨料，增强内部结构密实程度，从而增强其耐久性。

1 水性环氧树脂改善混凝土路面耐久性研究现状

1.1 水性环氧树脂改性路面混凝土力学强度现状

水泥混凝土路面抗弯拉强度不足，是目前道路混凝土存在的最重要问题，通过向水泥混凝土材料中掺入适量水性环氧树脂，能有效增加混凝土抗压强度及抗弯拉强度，钟鑫等[1]人向水泥混凝土中加入4%掺量的水性环氧树脂，较基准组，改性混凝土7d抗弯拉强度提高了102.33%。这可用混凝土损伤理论解释，众所周知，水泥混凝土的弯拉损坏，一般是从混凝土界面过渡区，最薄弱环节开始破坏，在荷载作用下，混凝土界面过渡区原始裂缝开始扩展、延伸，减小了混凝土有效抵抗体积，最终导致荷载应力超过了混凝土极限抵抗应力，混凝土产生断裂。然而，水性环氧树脂能够与水泥石形成复合网状结构，增强混凝土结构抵抗荷载作用的稳定性，同时水性环氧树脂可与水泥水化产物发生反应，生成C-S-H凝胶，填充混凝土孔隙及界面过渡区裂缝区域，使得水性环氧树脂改性混凝土界面过渡区粘接密实，有效抵抗荷载作用对其产生的弯拉效应，进而增强了混凝土抗弯拉强度。

武汉理工大学黄展魏等[2]学者将水性环氧树脂掺入到水泥砂浆中，通过设计砂浆抗折试验及XRD、SEM等微观试验，对水性环氧树脂改性砂浆力学强度及作用机理进行了探讨研究，结果表明，水性环氧树脂对砂浆抗压强度有一定降低，对抗折强度有明显提升，这主要与水性环氧树脂本身柔韧性有关，水性环氧树脂在砂浆中形成的聚合物膜，虽然改善了砂浆的脆性、对抗折强度有所改善，但是聚合物膜的弹性模量要远低于水泥石弹性模量，则表现出其在承压时，抗压强度有所降低。

1.2 水性环氧树脂对混凝土收缩抗裂性的改善现状

水泥混凝土路面在摊铺、碾压、成型及养护施工工艺中，因水分的自然流失、胶凝材料正常水化消耗，会使混凝土路面产生一定程度的干燥收缩、温度收缩及塑形收缩等，混凝土收缩现象极易诱发裂缝的产生，造成混凝土产生开裂破坏。裂缝出现时水泥混凝土路面众多病害产生的关键，水分、氯离子、有害气体等均沿着裂缝进入混凝土内部，对其产生侵蚀，致使混凝土结构受到损伤，进而产生渗透破坏、腐蚀破坏等。而水性环氧在混凝土中的成膜效应，在很大程度上起到了抑制混凝土收缩，降低开裂风险。

陈楚洲等[3]学者将水性环氧树脂以3%～12%的掺量加入混凝土中，持续观察其28d连续干缩率，最终与基准组比较发现，相比基准混凝土，改性混凝土收缩性明显改善。程毅等[4]人通过向水泥砂浆中掺入水性环氧树脂，对改性砂浆的抗折、抗压强度以及28d收缩性能进行了测试，结果表明，水性环氧树脂能显著改善水泥颗粒分散程度，特别是砂浆28d抗折强度及收缩率有明显增强，相比基准组，改性砂浆28d抗折强度提高了29%，28d收缩率降低了约32%。分析水性环氧树脂对混凝土收缩抗裂性的改善机理，认为水性环氧树脂在水泥浆体中形成不规则、连续的聚合物膜，有效修补混凝土收缩时产生的微裂纹，对界面薄弱区域起到粘接作用，从而对混凝土收缩抗裂性起到明显的改善作用。

1.3 水性环氧树脂改善路面混凝土抗渗性现状

降雨、降雪等天气会在水泥混凝土路面产生积水、积雪等现象，而混凝土材料本身就是一种多孔性材料，水分及外界有害物质沿着混凝土表面裂纹，孔隙，进入混凝土内部，对混凝土路面产生侵蚀损害，造成耐久性下降。水泥混凝土路面的渗透破坏分为水分渗透及氯离子渗透破坏，其中氯离子对混凝土结构的侵蚀破坏更为严重，特别是对混凝土结构内部钢筋等构造物产生锈蚀。

鉴于此，有研究表明水性环氧树脂对混凝土抗渗性有显著改善，吴进良等[5]试验发现，较基准混凝土，水性环氧树脂改性混凝土氯离子迁移系数降低了30.3%，混凝土氯离子渗透评价级别较高。此外，张磊等[6]学者研究了水性环氧树脂掺量对混凝土氯离子渗透性的影响规律，结果显示，随着水性环氧树脂掺量的增加，混凝土氯离子迁移系数先降低后升高，表明水性环氧树脂掺量并非多多益善，在混凝土中存在最佳掺量。水性环氧树脂对混凝土氯离子渗透性的改善机理多取决于水性环氧树脂在混凝土中形成的致密聚合物膜，聚合物膜将水泥石包裹紧密，且对混凝土孔隙及裂缝均匀填充，有效阻断了氯离子渗透通道，进而对混凝土氯离子渗透性起到了改善作用。

1.4 水性环氧树脂改善路面混凝土抗冻性现状

季冻区、寒冷地区水泥混凝土路面工作环境恶劣，降雪量大、气温变化大，频频受到冻融循环的损伤，水泥混凝土结构冻融破坏严重，对路面耐久性及使用性能造成不利影响。李占全等将水性环氧树脂按3%的比例掺入混凝土中，结果发现，随着冻融循环次数的增加，水性环氧树脂改性混凝土质量损失率逐渐增大，相对动弹模量逐渐降低，当冻融循环次数增加到300次时，其质量损失率及相对动弹模量分别为4.06%、72.5%，改性混凝土抗冻性较好。梁会忠等对低掺量水性环氧树脂改性混凝土的抗冻耐久性进行了研究，结果发现，当水性环氧树脂掺量为5%时，混凝土抗冻性能较好，在冻融循环300次后，改性混凝土相对动弹模量仍能达到94.1%。混凝土冻融损伤，一般是从表面砂浆脱落开始，继而水分进入混凝土内部，冻胀结冰，随着冻融循环次数的增加，混凝土内部结构逐渐失稳，骨料之间粘附性降低，内部构造松散。

水性环氧树脂在浆体内聚合成膜，水性环氧树脂膜相互粘接穿插在水泥石之间，与水泥石形成三维网状稳态结构，增强了混凝土结构致密程度及稳定性。致密的聚合物膜有效阻止了水分进入混凝土内部，降低了水分在混凝土内部冻胀产生的损伤；另一方面，水性环氧树脂膜增强了水泥石-骨料之间的黏附性，在冻融循环过程中，使水泥砂浆不易脱落骨料，从而提高了混凝土的抗冻性。

2 水性环氧树脂在道路工程中的应用

水性环氧树脂作为一种高分子聚合物，具有弯拉性大、粘附性强以及具有良好的柔韧性，从它的各种优势，正好可以弥补水泥基材料脆性大、柔韧性差的缺陷。从上述对水性环氧树脂改性混凝土力学强度、抗渗性及抗冻性等耐久性，可以看出，水性环氧树脂能很好地改善水泥基材料耐久性能。因此，可以看出用水性环氧树脂改性水泥基材料有很大发展潜力，目前，已经在道路、桥梁、机场道面等多个领域广泛应用。由于环氧树脂本身不起到硬化作用，在工程中应用时，应加入适量固化剂，诱导水性环氧树脂形成一种不溶于水的固化物，此外，水性环氧树脂在与水泥等材料搅拌时，易起泡，使得混凝土结构内产生孔洞，因此应加入一定消泡剂，金玉杰等人在环氧树脂混凝土中加入了有机纤维，借助纤维的韧性效果，使得其与水性环氧树脂相互缠绕，形成三维立体网络结构，从一定程度上进一步增强了混凝土的韧性，对混凝土的剪切、收缩抗裂等性能均有增强。

水性环氧树脂固然好，但是在混凝土工程中应用时，也应注意适量，一方面是大量研究表明，当水性环氧树脂掺量超过一定范围时，对混凝土等构造物甚至会产生不利影响，特别是会显著降低其强度；另一方面，应考虑到水性环氧树脂价格问题，从经济性方面也应注意水性环氧树脂合理掺量，综合考虑水性环氧树脂在水泥基材料中的最优掺量为3%。

3 水性环氧树脂在路面混凝土施工技术及难点

施工作为道路、桥梁建设的重要环节，通过研究发现，水性环氧树脂对路面、 桥梁混凝土抗渗、收缩抗裂、抗冻性等耐久性改善效果明显，因此，对其在施工环节中的应用也不能轻视。水性环氧树脂改性混凝土路面具体施工过程可分为：施工准备、安装模板、混凝土摊铺、振捣、整平、人工精平、抹面抹光以及路面混凝土养生。以上各个过程都对混凝土路面成型、通车后的使用性能、耐久性等具有重要影响，水性环氧树脂改性路面混凝土的关键施工技术及难点主要有以下几方面。

3.1 水性环氧树脂的掺加方式

目前，常见的水性环氧树脂加入混凝土中的方式，主要有人工添加和机器添加，机器添加一般是利用水车等，人工将水性环氧树脂乳液与水混合倒入水车水箱中，用潜水泵反复抽取，使其完全混合，储存起来，在开始拌合时，将其导入拌和容器中，这样较省力，比较节省材料。

3.2 水性环氧树脂改性混凝土的拌和

由于加入了水性环氧树脂乳液，在混凝土拌合过程中，应该延长拌和时间，以达到混合料拌和均匀的目的，但是也应该注意控制拌和时间，不宜过长，混凝土拌和时间过长，水性环氧树脂乳液表面活性剂会引入大量空气，会降低其强度以及耐久性。一般情况下，相比普通混凝土，水性环氧树脂改性混凝土干拌时间延长10s～15s，湿拌时间延长15s～30s即可。

3.3 水性环氧树脂改性混凝土养护

养护环节至关重要，也是混凝土路面最后一道施工工艺， 由于水性环氧树脂粘性很大，当天气比较炎热时，混凝土表面常常容易起硬壳，致使混凝土表面平整度不好，需要人工进程二次抹面。收面结束后，应该保证混凝土表面平整、密实、不漏砂，待水性环氧树脂改性混凝土终凝后，及时覆盖土工布。同时，考虑到水性环氧树脂的成膜机理，对于养护方式，采取前期湿养后期干养的方式，即在前3d～7d在覆盖土工布后，持续洒水养护，保证混凝土内部适度状况；在7d～14d后，将土工布揭开，对其进行干燥养生。

4 结 语

(1)水性环氧树脂对路面混凝土抗弯拉强度、收缩抗裂性、抗渗性及抗冻性等耐久性具有改善效果，均随着掺量的增加，呈先升高后降低的趋势，表明水性环氧树脂掺量并非越多越好，据众多研究结果表明，水性环氧树脂在混凝土中的最佳掺量约为3%。

(2)水性环氧树脂对混凝土性能的影响，很大程度与水性环氧树脂的柔韧性、粘结性以及成膜效应有关，适量水性环氧树脂加入混凝土中，能明显降低水泥水化产物氢氧化钙晶体含量，水性环氧树脂固化物与水泥石相互穿叉形成刚柔并济的复合结构，增强水性环氧树脂改性混凝土密实性及结构稳定性，从而对耐久性有明显提升。

(3)水性环氧树脂改性混凝土耐久性提升效果显著、施工工艺简单且具有良好经济性，能有效改善路桥工程中存在的缺陷，因此在道路、桥梁等工程领域极具推广应用价值。