水性環氧樹脂增強路面混凝土耐久性研究現狀及應用

陳曉娟

(寧夏建設職業技術學院，寧夏 銀川 750021)

近年來，我國交通建設迅速發展，四縱八橫的公路網已經形成，現下高速公路主要采用瀝青路面及水泥混凝土路面兩種路面類型，水泥混凝土道路以其剛度大，承載力大等優勢在公路建設中所占比例越來越高。隨著交通荷載的日益增長，水泥混凝土路面的破壞也不斷加重，對其養護以及維修費用的投入隨之加大。同時水泥混凝土路面在車輛荷載及外界氣候環境共同作用下，反復對其產生破壞，加劇了混凝土路面病害的發生。據大量研究表明，水泥混凝土路面病害發生的本質原因是其抗彎拉強度不足，混凝土脆性大，耐久性差，不足以抵抗車輛核載及外界環境對水泥混凝土路面的長期破壞。因此，只有從本質上提高水泥混凝土路面耐久性，才能有效減少病害的產生，改善水泥混凝土使用性能，延長其使用壽命。

大量學者開始尋找一種新材料用于增強混凝土路面耐久性，通過實驗研究，采用聚合物改性混凝土是當前建設領域較為認可的一種方式，聚合物種類繁多，且對混凝土材料的改性方式各有差異。基于綠色環保、能耗低、施工和易性好等要求，目前水性環氧樹脂在水泥混凝土材料中的應用較為廣泛，將其按一定比例加入混凝土中，能在水泥石中形成一層聚合物膜，包裹水泥骨料，增強內部結構密實程度，從而增強其耐久性。

1 水性環氧樹脂改善混凝土路面耐久性研究現狀

1.1 水性環氧樹脂改性路面混凝土力學強度現狀

水泥混凝土路面抗彎拉強度不足，是目前道路混凝土存在的最重要問題，通過向水泥混凝土材料中摻入適量水性環氧樹脂，能有效增加混凝土抗壓強度及抗彎拉強度，鐘鑫等[1]人向水泥混凝土中加入4%摻量的水性環氧樹脂，較基準組，改性混凝土7d抗彎拉強度提高了102.33%。這可用混凝土損傷理論解釋，眾所周知，水泥混凝土的彎拉損壞，一般是從混凝土界面過渡區，最薄弱環節開始破壞，在荷載作用下，混凝土界面過渡區原始裂縫開始擴展、延伸，減小了混凝土有效抵抗體積，最終導致荷載應力超過了混凝土極限抵抗應力，混凝土產生斷裂。然而，水性環氧樹脂能夠與水泥石形成復合網狀結構，增強混凝土結構抵抗荷載作用的穩定性，同時水性環氧樹脂可與水泥水化產物發生反應，生成C-S-H凝膠，填充混凝土孔隙及界面過渡區裂縫區域，使得水性環氧樹脂改性混凝土界面過渡區粘接密實，有效抵抗荷載作用對其產生的彎拉效應，進而增強了混凝土抗彎拉強度。

武漢理工大學黃展魏等[2]學者將水性環氧樹脂摻入到水泥砂漿中，通過設計砂漿抗折試驗及XRD、SEM等微觀試驗，對水性環氧樹脂改性砂漿力學強度及作用機理進行了探討研究，結果表明，水性環氧樹脂對砂漿抗壓強度有一定降低，對抗折強度有明顯提升，這主要與水性環氧樹脂本身柔韌性有關，水性環氧樹脂在砂漿中形成的聚合物膜，雖然改善了砂漿的脆性、對抗折強度有所改善，但是聚合物膜的彈性模量要遠低于水泥石彈性模量，則表現出其在承壓時，抗壓強度有所降低。

1.2 水性環氧樹脂對混凝土收縮抗裂性的改善現狀

水泥混凝土路面在攤鋪、碾壓、成型及養護施工工藝中，因水分的自然流失、膠凝材料正常水化消耗，會使混凝土路面產生一定程度的干燥收縮、溫度收縮及塑形收縮等，混凝土收縮現象極易誘發裂縫的產生，造成混凝土產生開裂破壞。裂縫出現時水泥混凝土路面眾多病害產生的關鍵，水分、氯離子、有害氣體等均沿著裂縫進入混凝土內部，對其產生侵蝕，致使混凝土結構受到損傷，進而產生滲透破壞、腐蝕破壞等。而水性環氧在混凝土中的成膜效應，在很大程度上起到了抑制混凝土收縮，降低開裂風險。

陳楚洲等[3]學者將水性環氧樹脂以3%～12%的摻量加入混凝土中，持續觀察其28d連續干縮率，最終與基準組比較發現，相比基準混凝土，改性混凝土收縮性明顯改善。程毅等[4]人通過向水泥砂漿中摻入水性環氧樹脂，對改性砂漿的抗折、抗壓強度以及28d收縮性能進行了測試，結果表明，水性環氧樹脂能顯著改善水泥顆粒分散程度，特別是砂漿28d抗折強度及收縮率有明顯增強，相比基準組，改性砂漿28d抗折強度提高了29%，28d收縮率降低了約32%。分析水性環氧樹脂對混凝土收縮抗裂性的改善機理，認為水性環氧樹脂在水泥漿體中形成不規則、連續的聚合物膜，有效修補混凝土收縮時產生的微裂紋，對界面薄弱區域起到粘接作用，從而對混凝土收縮抗裂性起到明顯的改善作用。

1.3 水性環氧樹脂改善路面混凝土抗滲性現狀

降雨、降雪等天氣會在水泥混凝土路面產生積水、積雪等現象，而混凝土材料本身就是一種多孔性材料，水分及外界有害物質沿著混凝土表面裂紋，孔隙，進入混凝土內部，對混凝土路面產生侵蝕損害，造成耐久性下降。水泥混凝土路面的滲透破壞分為水分滲透及氯離子滲透破壞，其中氯離子對混凝土結構的侵蝕破壞更為嚴重，特別是對混凝土結構內部鋼筋等構造物產生銹蝕。

鑒于此，有研究表明水性環氧樹脂對混凝土抗滲性有顯著改善，吳進良等[5]試驗發現，較基準混凝土，水性環氧樹脂改性混凝土氯離子遷移系數降低了30.3%，混凝土氯離子滲透評價級別較高。此外，張磊等[6]學者研究了水性環氧樹脂摻量對混凝土氯離子滲透性的影響規律，結果顯示，隨著水性環氧樹脂摻量的增加，混凝土氯離子遷移系數先降低后升高，表明水性環氧樹脂摻量并非多多益善，在混凝土中存在最佳摻量。水性環氧樹脂對混凝土氯離子滲透性的改善機理多取決于水性環氧樹脂在混凝土中形成的致密聚合物膜，聚合物膜將水泥石包裹緊密，且對混凝土孔隙及裂縫均勻填充，有效阻斷了氯離子滲透通道，進而對混凝土氯離子滲透性起到了改善作用。

1.4 水性環氧樹脂改善路面混凝土抗凍性現狀

季凍區、寒冷地區水泥混凝土路面工作環境惡劣，降雪量大、氣溫變化大，頻頻受到凍融循環的損傷，水泥混凝土結構凍融破壞嚴重，對路面耐久性及使用性能造成不利影響。李占全等將水性環氧樹脂按3%的比例摻入混凝土中，結果發現，隨著凍融循環次數的增加，水性環氧樹脂改性混凝土質量損失率逐漸增大，相對動彈模量逐漸降低，當凍融循環次數增加到300次時，其質量損失率及相對動彈模量分別為4.06%、72.5%，改性混凝土抗凍性較好。梁會忠等對低摻量水性環氧樹脂改性混凝土的抗凍耐久性進行了研究，結果發現，當水性環氧樹脂摻量為5%時，混凝土抗凍性能較好，在凍融循環300次后，改性混凝土相對動彈模量仍能達到94.1%。混凝土凍融損傷，一般是從表面砂漿脫落開始，繼而水分進入混凝土內部，凍脹結冰，隨著凍融循環次數的增加，混凝土內部結構逐漸失穩，骨料之間粘附性降低，內部構造松散。

水性環氧樹脂在漿體內聚合成膜，水性環氧樹脂膜相互粘接穿插在水泥石之間，與水泥石形成三維網狀穩態結構，增強了混凝土結構致密程度及穩定性。致密的聚合物膜有效阻止了水分進入混凝土內部，降低了水分在混凝土內部凍脹產生的損傷；另一方面，水性環氧樹脂膜增強了水泥石-骨料之間的黏附性，在凍融循環過程中，使水泥砂漿不易脫落骨料，從而提高了混凝土的抗凍性。

2 水性環氧樹脂在道路工程中的應用

水性環氧樹脂作為一種高分子聚合物，具有彎拉性大、粘附性強以及具有良好的柔韌性，從它的各種優勢，正好可以彌補水泥基材料脆性大、柔韌性差的缺陷。從上述對水性環氧樹脂改性混凝土力學強度、抗滲性及抗凍性等耐久性，可以看出，水性環氧樹脂能很好地改善水泥基材料耐久性能。因此，可以看出用水性環氧樹脂改性水泥基材料有很大發展潛力，目前，已經在道路、橋梁、機場道面等多個領域廣泛應用。由于環氧樹脂本身不起到硬化作用，在工程中應用時，應加入適量固化劑，誘導水性環氧樹脂形成一種不溶于水的固化物，此外，水性環氧樹脂在與水泥等材料攪拌時，易起泡，使得混凝土結構內產生孔洞，因此應加入一定消泡劑，金玉杰等人在環氧樹脂混凝土中加入了有機纖維，借助纖維的韌性效果，使得其與水性環氧樹脂相互纏繞，形成三維立體網絡結構，從一定程度上進一步增強了混凝土的韌性，對混凝土的剪切、收縮抗裂等性能均有增強。

水性環氧樹脂固然好，但是在混凝土工程中應用時，也應注意適量，一方面是大量研究表明，當水性環氧樹脂摻量超過一定范圍時，對混凝土等構造物甚至會產生不利影響，特別是會顯著降低其強度；另一方面，應考慮到水性環氧樹脂價格問題，從經濟性方面也應注意水性環氧樹脂合理摻量，綜合考慮水性環氧樹脂在水泥基材料中的最優摻量為3%。

3 水性環氧樹脂在路面混凝土施工技術及難點

施工作為道路、橋梁建設的重要環節，通過研究發現，水性環氧樹脂對路面、 橋梁混凝土抗滲、收縮抗裂、抗凍性等耐久性改善效果明顯，因此，對其在施工環節中的應用也不能輕視。水性環氧樹脂改性混凝土路面具體施工過程可分為：施工準備、安裝模板、混凝土攤鋪、振搗、整平、人工精平、抹面抹光以及路面混凝土養生。以上各個過程都對混凝土路面成型、通車后的使用性能、耐久性等具有重要影響，水性環氧樹脂改性路面混凝土的關鍵施工技術及難點主要有以下幾方面。

3.1 水性環氧樹脂的摻加方式

目前，常見的水性環氧樹脂加入混凝土中的方式，主要有人工添加和機器添加，機器添加一般是利用水車等，人工將水性環氧樹脂乳液與水混合倒入水車水箱中，用潛水泵反復抽取，使其完全混合，儲存起來，在開始拌合時，將其導入拌和容器中，這樣較省力，比較節省材料。

3.2 水性環氧樹脂改性混凝土的拌和

由于加入了水性環氧樹脂乳液，在混凝土拌合過程中，應該延長拌和時間，以達到混合料拌和均勻的目的，但是也應該注意控制拌和時間，不宜過長，混凝土拌和時間過長，水性環氧樹脂乳液表面活性劑會引入大量空氣，會降低其強度以及耐久性。一般情況下，相比普通混凝土，水性環氧樹脂改性混凝土干拌時間延長10s～15s，濕拌時間延長15s～30s即可。

3.3 水性環氧樹脂改性混凝土養護

養護環節至關重要，也是混凝土路面最后一道施工工藝， 由于水性環氧樹脂粘性很大，當天氣比較炎熱時，混凝土表面常常容易起硬殼，致使混凝土表面平整度不好，需要人工進程二次抹面。收面結束后，應該保證混凝土表面平整、密實、不漏砂，待水性環氧樹脂改性混凝土終凝后，及時覆蓋土工布。同時，考慮到水性環氧樹脂的成膜機理，對于養護方式，采取前期濕養后期干養的方式，即在前3d～7d在覆蓋土工布后，持續灑水養護，保證混凝土內部適度狀況；在7d～14d后，將土工布揭開，對其進行干燥養生。

4 結 語

(1)水性環氧樹脂對路面混凝土抗彎拉強度、收縮抗裂性、抗滲性及抗凍性等耐久性具有改善效果，均隨著摻量的增加，呈先升高后降低的趨勢，表明水性環氧樹脂摻量并非越多越好，據眾多研究結果表明，水性環氧樹脂在混凝土中的最佳摻量約為3%。

(2)水性環氧樹脂對混凝土性能的影響，很大程度與水性環氧樹脂的柔韌性、粘結性以及成膜效應有關，適量水性環氧樹脂加入混凝土中，能明顯降低水泥水化產物氫氧化鈣晶體含量，水性環氧樹脂固化物與水泥石相互穿叉形成剛柔并濟的復合結構，增強水性環氧樹脂改性混凝土密實性及結構穩定性，從而對耐久性有明顯提升。

(3)水性環氧樹脂改性混凝土耐久性提升效果顯著、施工工藝簡單且具有良好經濟性，能有效改善路橋工程中存在的缺陷，因此在道路、橋梁等工程領域極具推廣應用價值。