環氧樹脂基混凝土裂縫快速修復材料的制備及性能研究

黃燕 許瑤怡 范萌萌 呂政凡

摘要：為探究環氧樹脂基混凝土裂縫快速修復材料的制備及性能，解決公路橋梁工程施工中的混凝土裂縫修補問題，文章基于正交試驗方法對環氧樹脂基修補砂漿的性能進行分析，確定了影響環氧樹脂基修補砂漿的影響因素及其影響程度，并通過粘結性能試驗評價了環氧樹脂基修補砂漿的修補效果。結果表明：影響環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的因素排序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞砂摻量，其最優配合比為環氧樹脂：稀釋劑：水泥：固化劑：砂=1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6；粘結性能試驗結果表明，環氧樹脂基修補砂漿具有良好的修補效果，修補后的混凝土抗壓強度提高了18.9%；耐久性試驗結果表明，熱空氣對環氧樹脂基修補砂漿的耐久性能負面影響較小。

關鍵詞：環氧樹脂；修補材料；正交試驗；力學性能；粘結性能

中圖分類號：U416.03? 文獻標識碼：A

0 引言

目前，混凝土被廣泛應用于房屋建筑、道路和橋梁等工程領域。然而混凝土長期暴露在外界環境中，其在荷載、沖擊、溫度變化和腐蝕介質的影響下可能出現裂縫、腐蝕和性能劣化等問題，甚至影響工程質量和安全［1］。目前常用的水泥基修補材料雖具有較高的抗壓強度和抗變形能力，但其在形成強度時會釋放大量的水化熱，引發修補材料的干縮變形和開裂［2］。纖維、膨脹劑、活性氧化物等常被用作水泥基修補材料的改性劑，抑制其收縮變形，但這類材料稀缺且昂貴，限制了其廣泛應用［3］。因此，研發一種新型的修補材料對公路橋梁工程混凝土裂縫修補至關重要。

環氧樹脂是一種低聚材料，具有早期強度高、收縮變形小、粘結力強、耐久性優良等諸多優點［4］。基于這些優點，國內外學者開展了環氧樹脂修補材料性能研究。劉佳杰［5］研究發現墩柱表面裂縫采用環氧樹脂作為修補材料有明顯的補強效果。程毅等［6］研究發現環氧樹脂可以明顯提高水泥砂漿的力學性能。Moetaz M.El-Hawary等［7］研究了在濕熱環境下環氧改性混凝土的耐久性能，發現摻加環氧樹脂可以有效提高混凝土的抗腐蝕能力。

綜上所述，將環氧樹脂作為公路橋梁混凝土裂縫修補材料具有諸多優點，但目前針對環氧樹脂基修補材料配合比設計的研究仍較少。因此，本研究基于正交試驗方法，研究水泥摻量、固化劑摻量、砂摻量因素對環氧樹脂基修補材料性能的影響，并結合粘結性能試驗對其修補效果進行分析。研究成果可為公路橋梁工程混凝土裂縫修補材料的應用推廣提供技術支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為市售P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積和密度分別為341 m2/kg和3.10 kg/m3；砂選用石灰巖機制砂；環氧樹脂產自中國石化公司的E44低黏度透明環氧樹脂；固化劑為乙二胺，稀釋劑為環氧樹脂專用稀釋劑，均購自南寧藍天實驗設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件制備和養護

環氧樹脂砂漿試樣制備步驟為：按照設計配合比稱量環氧樹脂、水泥、機制砂、環氧樹脂專用稀釋劑和固化劑；將環氧樹脂、水泥和一半的機制砂倒入攪拌桶中，加入環氧樹脂專用稀釋劑攪拌1 min，期間再緩慢加入剩余的砂，使環氧樹脂、粉料、骨料充分混合均勻，然后再加入相應比例的固化劑，繼續采用攪拌機攪拌均勻，最后將攪拌完成的砂漿倒入100 mm×100 mm×100 mm的三聯立方鋼模中刮平成型。待試件硬化后拆模，并將其置于恒溫室內進行養護（相對濕度≥65%，溫度為20 ℃±2 ℃）。

1.2.2 抗壓強度測試

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）規定，選用量程為2 000 kN的CXYAW-2000H萬能試驗機，每組取3個試樣，加載速率選擇0.8～1.0 MPa，尺寸換算系數0.95，以3個試件抗壓強度的計算平均值作為該組試件的抗壓強度。

1.2.3 粘結強度試驗

粘結強度試驗如下頁圖1所示，根據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）制作水泥膠砂試塊，并按規定進行養護。28 d后取出試件，并從中間將其鋸斷和打磨，制備光滑斷面和粗糙斷面兩種試件；然后將上述水泥膠砂分別裝入模具，倒入新拌的環氧樹脂砂漿，即可制得粘結強度測試試件。待環氧樹脂砂漿固化6 h后脫模，24 h后進行抗折強度測試，記錄折斷荷載，計算粘結強度。

1.2.4 耐久性試驗

文獻［8］表明環氧樹脂在熱空氣和濕熱環境中會發生熱氧化降解，其表面氧化層在應力作用下易開裂，使其強度降低。基于此，本研究選用熱空氣老化試驗對環氧樹脂砂漿的耐久性試驗進行評價。制備40 mm×40 mm×160 mm的環氧樹脂砂漿試件，分別置于105 ℃熱空氣、50 ℃和80 ℃的濕熱環境中，老化時間為5 d，隨后測試其抗折性能和抗壓性能。

2 配合比設計

以水泥摻量、乙二胺摻量、砂摻量作為合成環氧樹脂基修補砂漿的考察因素，選用L9（33）的正交表進行正交試驗［9］，以無側限抗壓強度作為評價指標，每個因素3個水平（各水平見表1），以確定各因素對環氧樹脂基修補砂漿性能的影響，同時為環氧樹脂基修補砂漿配合比設計提供參考。正交試驗設計如表2所示。

3 試驗結果及分析

3.1 極差分析結果

為分析水泥摻量、固化劑摻量、砂摻量三因素對環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的敏感性，采用極差分析法對正交試驗數據進行分析計算，結果如表3所示。

通常極差R的數值越大，對環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度試驗結果的影響越大。由表3可知，環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的影響排序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞砂摻量。各組環氧樹脂基修補的砂漿無側限抗壓強度均＞100 MPa，由此可見，環氧樹脂基修補具有較高的抗壓強度，能夠確保其在用于結構修補時獲得優良的強度修補效果。在本研究考慮因素范圍內，環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的最優水平為A1B2C3（正交試驗編號2），即配合比組合為環氧樹脂、稀釋劑、水泥、固化劑和砂的比例為1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6。

3.2 因素水平影響分析

各因素各水平對無側限抗壓強度的影響趨勢如下頁圖2所示。由圖2可知，環氧樹脂基修補砂漿的無側限抗壓強度與水泥用量之間存在著負相關性，即水泥摻量越高，強度指標越低。當水泥摻量為環氧樹脂的1.2倍時，環氧樹脂基修補砂漿在水泥因素下的無側限抗壓強度最優。分析認為，水泥的粒徑最小，在環氧樹脂基材料中，水泥幾乎無水化反應，僅作為填料使用，起到增強環氧樹脂基修補砂漿的密實性的作用。但水泥的比表面積小，用量過高時需要更多的環氧樹脂才能將其包裹密實，否則材料內部的微小孔隙將會增多，材料內部的應力集中現象也相應增大，最終導致強度的劣化。對于固化劑摻量而言，環氧樹脂基修補砂漿的無側限抗壓強度隨固化劑摻量增加呈現先升高后降低趨勢，即固化劑的摻量存在最佳值，在本研究中固化劑的摻量在為環氧樹脂的0.1倍時最佳。這主要是由于當環氧樹脂固化劑用量較低時，其不足以使環氧樹脂完全固化，而固化劑用量過高則會導致體系反應速率過快，反應不均勻，同時也會使環氧樹脂在固化后形成的固化膜變脆，韌性與強度下降。因此，在進行配合設計時，建議通過單因素試驗確定固化劑最佳用量。對于砂摻量而言，環氧樹脂基修補砂漿的無側限抗壓強度隨著砂摻量的增大而增大，但當砂的比例達到環氧樹脂的3.2倍后，其強度增長不明顯，僅提高了0.3 MPa。分析認為，當砂的摻量增加時，粗粒含量增大，水泥用量則減小，即細顆粒含量減小，此時粉料和集料的總表面積也相應減小，包裹所需的環氧樹脂也更少，能夠有更多的環氧樹脂形成高強度硬化體。當集料用量繼續提高時，強度指標增長幅度雖較小，但對強度的發展仍是有利的，并且砂的價格較水泥更低，有利于降低生產成本。因此，在進行配合設計時，砂的摻量越高越好。

3.3 骨料級配對環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的影響

為了測試不同骨料對對環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的影響，基于正交試驗測試結果所得的最優材料配合比，選擇粒徑為0.3～0.6 mm的單一級配的砂1組、粒徑為2.36～4.75 mm的單一級配的砂2組和粒徑為0.075～4.75 mm的連續級配的砂3組（正交試驗編號2）進行對比分析，所得試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，砂的級配對環氧樹脂基修補砂漿的無側限抗壓強度存在一定的不利影響。與采用連續級配的砂3組相比，砂粒徑小且級配單一的砂1組無側限抗壓強度下降了6.3%，僅為106.9 MPa。分析可知，強度下降原因主要是由于砂1組所用砂的粒徑較小，需要消耗更多的環氧樹脂對其進行包裹，且粒徑較小的砂在環氧樹脂基修補砂漿內不能形成有效的骨架結構。對于粒徑更大且級配單一的砂2組，其無側限抗壓強度與對照組基本一致，故可以認為粒徑更大的砂對環氧樹脂基修補砂漿的強度幾乎沒有影響。綜上分析，砂的粒徑也是影響環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的重要因素，而在最大粒徑相同的情況下，砂的級配對環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度影響較小。

3.4 環氧樹脂基修補砂漿粘結性能

3.4.1 環氧樹脂基修補砂漿粘結界面的抗折強度

針對公路橋梁工程混凝土開裂的情況，傳統的修補材料在運營過程中易出現干縮變形和開裂，因此修補材料的長期力學性能是作為混凝土裂縫修補材料的重要因素之一。本文采用粘結界面的抗折強度對環氧樹脂基修補砂漿的粘結性能進行表征，其中環氧樹脂基修補砂漿為正交試驗最優組。圖4即為原始膠砂和修補膠砂的抗折強度試驗結果。

由圖4可知，原始膠砂、光滑面修補膠砂和粗糙面修補膠砂的抗折強度分別為7.9 MPa、5.8 MPa和6.0 MPa。從抗折強度來看，修補后膠砂的抗折強度有較大的損失，但通過觀察修復膠砂的長度方向面和折斷破壞面的情況可以發現，環氧樹脂基修補砂漿和原始膠砂的粘結界面未發生破壞，抗折試驗時破壞的斷裂處粘結依然完好無損。這一結果說明修補后膠砂界面的粘結強度高于原始膠砂，也進一步證實本研究環氧樹脂基修補砂漿具有優良的粘結性能，能夠保證修補后結構物的整體性。而抗折強度的降低可能是由于破壞界面的轉移，使膠砂新的破壞界面處受到彎矩的作用，導致抗折強度較低。

3.4.2 環氧樹脂基修補混凝土的抗壓強度

修補前后的C40混凝土28 d無側限抗壓強度測試結果如圖5所示。

由圖5可知，原始混凝土試件和修補混凝土試件的無側限抗壓強度分別為54.3 MPa和64.6 MPa，經過修補后混凝土的無側限抗壓強度提高了10.3 MPa，強度提高幅度達到18.9%，表明采用環氧樹脂基修補砂漿修補后膠砂混凝土的抗壓強度得到了改善。這得益于環氧樹脂基修補砂漿優良的粘結性能，能夠和被修補結構形成整體，共同受力，且由于環氧樹脂基修補砂漿超高的強度，修補后混凝土內部抵抗應力的能力更強，故強度得到一定的提高。

觀察環氧樹脂基修補砂漿修復后的混凝土試件破壞面情況可知，混凝土與環氧樹脂基修補砂漿界面間的粘結程度較高，兩者粘結緊密，這與前文試驗結果一致，進一步表明環氧樹脂基修補砂漿具有優良的修復效果。此外，在破壞面可以發現中心的環氧樹脂基修補砂漿出現了裂縫，這說明經過修補后環氧樹脂基修補砂漿和混凝土之間能夠形成整體，共同抵抗荷載作用。

3.5 環氧樹脂基砂漿熱老化試驗

熱老化試驗前后環氧樹脂基修補砂漿試件力學性能的變化情況如圖6所示。

由圖6可知，經過熱空氣老化后的環氧樹脂基修補砂漿的抗折強度有所下降，比未處理的環氧樹脂基修補砂漿低了1.78 MPa，變化幅度約為5.8%；而熱空氣老化后，環氧樹脂基修補砂漿的抗壓強度則提高了7.65 MPa，變化幅度約為7.0%。分析認為，高溫作用下，環氧樹脂的固化率進一步提高，進而提高了抗壓強度，但高溫下環氧樹脂的脆性也會增大，故抗折強度有所下降。在50 ℃的濕熱環境中，環氧樹脂基修補砂漿的抗折強度和抗壓強度變化不明顯，僅分別提高了0.59 MPa和1.69 MPa，說明較低溫度的濕熱環境對環氧樹脂修補砂漿性能是有利的。當溫度提高至80 ℃時，環氧樹脂基修補砂漿的抗折強度和抗壓強度均有所下降，分別降低了1.86 MPa和0.76 MPa。從數值來看，高溫濕熱環境對環氧樹脂修補砂漿的抗折強度影響較大，對抗壓強度影響則較小。綜上分析，熱空氣對環氧樹脂基修補砂漿的耐久性能的影響較小。這表明在實際工程中，環氧樹脂基修補砂漿性能幾乎不受影響，并且在極端濕熱環境中，其性能劣化也較小。因此，在常見的50 ℃濕熱環境中（如橋面結構）中，本研究的環氧樹脂基修補砂漿具有較為優良的耐久性能。

4 結語

本文采用正交試驗方法對環氧樹脂基修補砂漿強度的配合比設計進行了探討，確定了影響環氧樹脂基修補砂漿強度的影響因素及其影響程度，進一步通過粘結性能分析了環氧樹脂基修補砂漿的修補效果，主要得出以下結論：

（1）正交試驗結果表明，影響環氧樹脂基修補砂漿無側限抗壓強度的因素排序為：水泥摻量＞固化劑摻量＞砂摻量。水泥摻量越高，環氧樹脂基修補砂漿的強度越低，而砂摻量越高強度越高，固化劑摻量則存在一個最佳值。建議采用的環氧樹脂基修補砂漿配合比為環氧樹脂∶稀釋劑∶水泥∶固化劑∶砂為1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6。

（2）粘結性能試驗結果表明，修補砂漿抗折試件粘結界面未發生破壞，表明環氧樹脂修補砂漿具有優良的粘結強度，但因破壞界面的轉移，膠砂受到額外彎矩的作用，導致抗折強度降低。此外，環氧樹脂基修補砂漿還可以改善混凝土的抗壓強度，增幅高達18.9%。

（3）熱空氣對環氧樹脂基修補砂漿的耐久性能有一定負面影響，但影響相對較小；在常規的濕熱環境中，環氧樹脂基修補砂漿性能幾乎不受影響，而在極端濕熱環境中其性能劣化也較小。

參考文獻

［1］梁 波.高性能環氧樹脂混凝土配合比設計試驗研究［J］.西部交通科技，2022（4）：28-31.

［2］田耀剛，趙 成，馬榮輝，等.水性環氧樹脂改性水泥基快速修補砂漿的性能研究［J］.武漢理工大學學報，2019，41（9）：7-12.

［3］葉少鵬，張 震，申丹丹，等.環氧樹脂乳液對混凝土性能影響的研究［J］.江蘇建材，2023（4）：58-60.

［4］唐傳輝，鄭遠彪，方梁正，等.環氧樹脂類混凝土快速修補材料的研究綜述［J］.四川建材，2020，46（9）：7-8，13.

［5］劉佳杰.應用環氧樹脂修補墩柱表面裂縫施工技術［J］.青海交通科技，2021，33（3）：134-137.

［6］程 毅，黃 鑫，何 銳.水性環氧改性水泥砂漿路用性能與機理研究［J］.中外公路，2017，37（5）：215-219.

［7］M.M.El-Hawary，A.Abdul-Jaleel.Durability assessment of epoxy modified concrete［J］.Construction and Building Materials，2010，24（8）：1 523-1 528.

［8］Burton B L.The thermooxidative stability of cured epoxy resin［J］.J Appl Polym Sci，1993，47（10）：1 821.

［9］王學深.正交試驗設計法［J］.山西化工，1989（3）：53-58.

作者簡介：黃 燕（1976—），高級工程師，研究方向：道路工程、混凝土。