水性环氧改性快速修补砂浆的性能研究

彭杰，胡铁刚，单韧，彭勃

（湖南固特邦土木技术发展有限公司，湖南 长沙 410205）

混凝土长期经受雨雪侵蚀、除冰盐腐蚀，表面容易出现麻面、起粉、脱落、露筋等缺陷，影响混凝土美观和长期耐久性[1]，需要对混凝土表面进行薄层修补，起到防碳化、防腐的作用，提高混凝土的耐久性并达到美观效果。聚合物改性砂浆由于粘接强度高、干缩变形小、耐介质侵蚀性能好，具有广阔的应用前景[2]。水性环氧树脂改性水泥砂浆不同于普通聚合物乳液物理成膜的特性，水性环氧乳液在水泥砂浆中会进行化学交联固化，形成不溶、不熔具有三维网状结构的高聚物，其改性的水泥砂浆对复杂的化学和干湿交替环境具有更好的抵抗能力[3-4]。在高速铁路、公路、城市交通等一些快速修补改造工程中，由于工期紧、要求高、中断交通时间短，需要使用快速修补材料，不仅应具有良好的力学性能、粘结性能、体积稳定性及耐久性能，还需具有快硬性以满足快速施工[5-6]。目前快速修补砂浆已经在土木工程各领域有大量工程应用，但对于水性环氧在快速修补砂浆的配方设计及系统性能的研究较少。本研究初步筛选了不同的水性环氧固化剂，对优选出的固化剂改性快速修补砂浆的力学、粘结性能进行了研究。并已应用于快速修补工程。

1 试验

1.1 原材料

水性环氧乳液：BSA-EW1200，上海帆啸化工科技有限公司；1#水性固化剂：G328，改性胺，三菱瓦斯化学；2#水性固化剂：LJ1788，改性胺，上海绿嘉水性涂料有限公司；3#水性固化剂：330W80，脂肪胺，常州山峰化工有限公司；水泥：P·O42.5，南方桃江水泥有限公司；快硬硫铝酸盐水泥：42.5级，郑州市中泰水泥有限公司；砂：天然砂，0.3~0.6 mm；粉煤灰：Ⅱ级，河北友胜耐火材料有限公司；膨润土触变剂：钠基膨润土，安吉益国膨润土厂；聚羧酸减水剂：198，山东鸿泉化工科技有限公司；水：自来水。

1.2 主要试验仪器

微机控制电子万能试验机：WDW-20型，济南科盛试验设备有限公司；微机控制恒加载抗折抗压试验机：TYA-300B型，无锡新路达仪器设备有限公司。

1.3 水性环氧改性快速修补砂浆的制备方法

先将水性环氧乳液与水性固化剂按质量比10∶6混合均匀，再将其与快速修补砂浆粉料按质量比6.4∶100进行混合，加入适量水搅拌均匀，即制得水性环氧改性快速修补砂浆（以下简称快速修补砂浆）。其中快速修补砂浆粉料的配合比为：m（普通硅酸盐水泥）∶m（快硬硫铝酸盐水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（减水剂）∶m（触变剂）=50∶40∶10∶150∶0.3∶0.6。聚灰比=m[水性环氧乳液质量（含固化剂）×水性环氧乳液固含量]/m（普通硅酸盐水泥+快硬硫铝酸盐水泥+粉煤灰）。

1.4 性能测试方法

水泥砂浆流动度：依据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；抗压、抗折强度：依据DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行测试；正拉粘结强度：依据GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》附录G进行测试。

2 结果与讨论

2.1 水性环氧固化体系的筛选

快速修补砂浆由有机水性环氧乳液和无机快硬胶凝材料体系组成，为了获得最佳的力学性能，水性环氧与水性固化剂间化学反应固化的时间须与快硬胶凝材料体系的水化时间相一致，两者硬化时间差过大将导致快速修补砂浆的性能下降。文献显示[7]，聚合物改性水泥砂浆的抗折和抗拉强度比空白样都有一定提高，而抗压强度则会有一定的下降，这是因为聚合物本身弹性模量较低且具有较好的抗拉性能，聚合物的掺入提高了水泥水化产物和骨料的粘结力。试验固定无机快硬胶凝材料体系的水灰比为0.35，分别采用3种不同水性固化剂，配制聚灰比为0.08的快速修补砂浆，测试其性能，结果见表1。

表1 不同水性固化剂对快速修补砂浆性能的影响

由表1可见：

（1）不同固化剂配制的水性环氧树脂改性快速修补砂浆的流动度各不相同，1#水性固化剂配制的流动度最大，3#水性固化剂配制的流动度最小。由于不同水性环氧固化体系的黏度不同，导致其对快速修补砂浆流动性有较大的影响。

（2）水性环氧改性快速修补砂浆的抗折强度普遍高于空白砂浆，可见，水性环氧体系可以显著提高改性砂浆的抗折强度。各个龄期快速修补砂浆的抗压强度相比于空白砂浆均有一定程度的下降，采用不同水性固化剂的快速修补砂浆的抗压强度在各个龄期发展速度有一定差别。1#水性固化剂配制的修补砂浆抗压强度发展趋势与空白砂浆的抗压强度类似，而2#和3#水性固化剂配制的修补砂浆的抗压强度均较1#配制的低。其原因可能是，1#水性固化剂配制的修补砂浆的终凝时间与空白砂浆基本相同，水性环氧树脂与水性固化剂的固化时间与无机快硬胶凝材料的硬化时间相匹配，环氧三维互穿网络交联聚合物反应完全且与胶凝材料水化产物结合紧密，表现出1#水性固化剂配制的快速修补砂浆具有最佳的力学性能。

2.2 聚灰比对快速修补砂浆力学性能的影响

2.2.1 对抗折和抗压强度的影响

环氧改性水泥砂浆的硬化包括水泥水化、环氧树脂固化和环氧颗粒交联3个过程，水泥浆体水化的同时，环氧树脂也在进行固化反应，水泥浆体中微小球形环氧颗粒被挤压与外面聚集的环氧树脂相互交联，形成不规则但是连续贯穿水泥石的的三维网络[8]。环氧三维互穿网络的结构对硬化水泥石的性能有很大影响，水性环氧的掺量决定了硬化水泥石中柔性聚合物与刚性水泥水化产物的分布，影响三维互穿网络中聚合物的连续性。试验选用1#水性固化剂，考察聚灰比对水性环氧改性快速修补砂浆性能的影响，结果见表2。

表2 聚灰比对快速修补砂浆抗折和抗压强度的影响

从表2可以看出：聚灰比在0~0.30范围内，随着聚灰比的增大，快速修补砂浆的抗折强度逐渐提高，而抗压强度则逐渐降低，聚灰比为0.08时，抗折强度明显提高，而抗压强度则下降不明显。其原因可能是，在此聚灰比下部分水性环氧发生固化反应开始形成连续的空间网络结构，对骨料和胶凝材料的水化产物起到了粘结架桥作用。当聚灰比从0.12增大至0.30时，抗折强度持续提高，但增幅趋缓；抗压强度下降化趋缓。聚灰比过大，导致砂浆硬化产物中聚合物的比例过大，形成水泥石颗粒被聚合物包裹的情况，影响胶凝材料水化产物的连续性，同时聚灰比过大导致砂浆成本的升高。从力学性能和经济性方面考虑，聚灰比为0.08时综合效果最佳，最优水性环氧树脂改性快速修补砂浆的配比为：水性环氧乳液与1#水性固化剂按10∶6混合；再将水性环氧乳液与快速修补砂浆粉料按6.4∶100混合，加入10.8份水搅拌均匀。

2.2.2 对粘结性能的影响

在快速修补工程实际应用中，快速修补砂浆与基层的粘结强度是重要的指标之一，粘结性能的好坏关系到后期修补层是否出现空鼓、脱落等。为了达到良好的粘结效果，普通快速修补水泥砂浆在施工时对混凝土基面的要求较高，一般需要基面为饱和面干润湿状态，而油性环氧砂浆则需要基面为干燥状态。水性环氧改性快速修补砂浆的一个显著优点就是在潮湿和干燥环境下都能固化，适应范围广，并且与基面具有较高的粘结强度。试验考察较优聚灰比下，水性环氧改性快速修补砂浆对干、湿基面的粘结性能，结果见表3。潮湿基面为基准混凝土在（23±2）℃水中浸泡48 h后达到饱和面干状态的基面，干燥基面为基准混凝土在温度为（23±2）℃、相对湿度85%的环境中放置48 h的非潮湿基面。

表3 聚灰比对快速修补砂浆与干湿基面粘结强度的影响

由表3可见：

（1）对于空白砂浆（聚灰比为0）而言，对潮湿基面的粘结强度远高于对干燥基面的粘结强度，其主要原因是干燥基层吸附了界面处水泥浆体中的水分，导致界面处水泥浆体水化不完全，粘结强度偏低。

（2）随环氧乳液掺量的增加，粘结强度提高，且对潮湿基面的粘结强度比对干燥基面的粘结强度稍高。主要原因是水性环氧改性快速修补砂浆的粘结强度依靠含有活性基团的环氧树脂分子渗透入基层的孔隙中，并与固化剂发生交联反应，待环氧树脂固化完全形成大分子后填充在孔隙中，与孔隙之间形成很大的机械咬合力，在基块与砂浆之间起到架桥的作用，同时环氧活性基团与基层上的极性基团反应形成化学键，从而提高了粘结强度。所以，水性环氧改性快速修补砂浆对干、湿基面都能适用。综合考虑力学性能和经济适用性，水性环氧改性快速修补砂浆的最佳聚灰比为0.08。

2.3 快速修补砂浆的工程应用

某高速公路桥梁防撞护栏基座的混凝土出现麻面、蜂窝、石子裸露等缺陷，采用水性环氧树脂改性快速修补砂浆对混凝土表面进行薄层修补。按2.2.1中快速修补砂浆的最优配比，用手持式搅拌机将水性环氧改性砂浆搅拌均匀，进行涂抹施工（见图1）。经3年的监测，修补层平整、无剥落和开裂现象，耐久性良好。

图1 某高速公路桥梁防撞护栏基座

3 结论

（1）当环氧的固化时间与无机胶凝材料的硬化时间相匹配时，水性环氧改性快速修补砂浆具有最佳的力学性能，其中采用1#水性固化剂配制的环氧乳液对快速修补砂浆的改性效果最佳。

（2）随着聚灰比的增大，快速修补砂浆的抗折强度逐渐提高，而抗压强度则逐渐降低。综合考虑力学性能与经济适用性，水性环氧改性快速修补砂浆的最佳聚灰比为0.08。

（3）水性环氧改性快速修补砂浆对干、湿基面均有较高的粘结强度，适用范围广。

（4）该快速修补砂浆已应用于混凝土表面薄层快速修补工程，经3年监测，修补层平整、无剥落和开裂现象，耐久性良好。