□文/陳佳寧 劉鳳東 王冬梅 滕 藤 李趙相

試驗結(jié)果證明水泥基材料硬化體被破壞后存在自修復的現(xiàn)象，目前國內(nèi)外水泥基材料的自修復性能研究已經(jīng)成為熱點方向[1]。水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿產(chǎn)品由于其出色的力學性能和耐腐蝕性在建筑工程領(lǐng)域應用日趨廣泛。目前，我國對于水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿自修復性能的研究較少，本文對水性環(huán)氧樹脂改性水泥漿的自修復性能進行了研究。

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原材料

1）水泥：唐山冀東水泥集團生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

2）砂子：2.26 mm以下連續(xù)級河砂。

3）環(huán)氧樹脂：江蘇三木集團有限公司E51環(huán)氧樹脂，見表1。

表1 環(huán)氧樹脂的主要性能指標

4）固化劑：美國氣體化學721自乳化型改性胺類固化劑，見表2。

表2 固化劑的主要性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1 攪拌方法

在試驗中采用符合JC/T 681—2005《行星式水泥膠砂攪拌機》的行星式水泥膠砂攪拌機低速攪拌。先將A（環(huán)氧樹脂）、B（固化劑）兩組分混合后加水攪拌均勻一致后再加入C組分（粉料）攪拌均勻。

1.2.2 拉伸粘接強度

參考標準JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》進行。

1.2.3 抗壓和抗折強度

采用40 mm×40 mm×160 mm試件，成型后放置在溫度（20±3）℃的養(yǎng)護室中24 h后拆模，保持養(yǎng)護溫度在（20±3）℃，濕度（50±5）%，繼續(xù)養(yǎng)護 27 d。參考標準DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》進行7、28 d的抗壓、抗折性能測試。

1.2.4 抗?jié)B壓力比

用上口直徑70 m、下口直徑80 mm、高30 mm的截頭圓錐帶底金屬試模成型抗?jié)B試件，成型后放置在（20±3）℃的養(yǎng)護室中24 h后拆模，脫模后放入（20±3）℃的水中養(yǎng)護至7 d，取出待表面干燥后，用滲透儀中進行抗?jié)B壓力測試直至透水，然后繼續(xù)在（20±3）℃的水中養(yǎng)護至14 d，取出帶表面干燥后進行抗?jié)B壓力測試。14 d抗?jié)B壓力與7 d抗?jié)B壓力比值為試塊的抗?jié)B壓力比。

1.2.5 抗壓強度比

采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件，成型后放置在（20±3）℃的養(yǎng)護室中24 h后拆模，保持養(yǎng)護溫度（20±3）℃，濕度（50±5）%，繼續(xù)養(yǎng)護27 d，測量 28 d抗壓強度，當抗壓強度數(shù)值達到最大值時候停止測試。然后繼續(xù)在（20±3）℃的水中養(yǎng)護至7 d，測量其抗壓強度，第二次抗壓強度與第一次抗壓強度比值為試塊的抗壓強度比。

1.2.6 試驗配合比

試驗原料配比見表3。

表3 試驗原料配比 g

2 結(jié)果和討論

2.1 水性環(huán)氧樹脂對拉伸粘結(jié)強度的影響

圖1為水性環(huán)氧樹脂加入量對14 d拉伸粘結(jié)強度的影響。

圖1 水性環(huán)氧樹脂加入量對拉伸粘度強度的影響

從圖1可以看出，水性環(huán)氧樹脂量摻加量增大，拉伸粘結(jié)強度增大。在水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿中，水泥的水化反應與水性環(huán)氧樹脂與固化劑的反應時協(xié)同進行，水性環(huán)氧樹脂分子中的羥基、醚基等極性基團能夠和材料界面表面形成化學吸附，而環(huán)氧基與含有活潑氫的界面材料反應生成化學鍵，從而提高復合材料拉伸粘結(jié)強度[2]。隨著環(huán)氧樹脂摻加量增大，拉伸強度達到水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿本身的強度數(shù)值，因此當水性環(huán)氧樹脂加入量超過4 g后拉伸強度在1.0～1.2 MPa之間變化。

隨著水性環(huán)氧樹脂添加量增大，水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿粘度增大，由于水性環(huán)氧樹脂的加入，水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的拉伸粘結(jié)強度得到了明顯的提高，但當水性環(huán)氧樹脂摻加量過高，施工作業(yè)難度增大。

2.2 水性環(huán)氧樹脂對力學性能的影響

圖2為水性環(huán)氧樹脂添加量對抗壓強度的影響。

從圖2可以看出，隨著環(huán)氧樹脂量的增加抗壓強度先稍微有所增大然后又有所減小。在水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿中隨著水泥水化反應的進行，水性環(huán)氧樹脂與固化劑逐漸反應交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水泥水化產(chǎn)物、骨料結(jié)合在一起形成了連續(xù)致密的結(jié)構(gòu)，提高了水泥砂漿內(nèi)部界面過渡區(qū)的致密程度，從而提高了抗壓強度[3]。

添加水性環(huán)氧樹脂的水泥砂漿的抗折強度比空白試塊有明顯的提高，抗壓強度和空白試塊相比在添加量4 g以下有所增加，在添加量超過4 g時有所降低。

圖3為水性環(huán)氧樹脂添加量對抗折強度的影響。

從圖3可以看出，水性環(huán)氧樹脂摻加量增大，復合材料的抗折強度也逐漸增大。隨著水泥水化吸收水分，水性環(huán)氧樹脂和固化劑逐漸反應形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[4]。這種結(jié)構(gòu)中水性環(huán)氧樹脂和固化劑反應成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穿透過水泥石中的孔隙連接形成一個具有一定彈性的結(jié)構(gòu)，分散了應力集中，又增加了抵抗變形能力，因而提高了水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的抗折性能。

2.3 水性環(huán)氧樹脂對抗?jié)B壓力比的影響

圖4為水性環(huán)氧樹脂對水泥砂漿抗?jié)B壓力比的影響。

圖2 水性環(huán)氧樹脂對抗壓強度的影響

圖3 水性環(huán)氧樹脂對抗折強度的影響

圖4 水性環(huán)氧樹脂對抗?jié)B壓力比的影響

從圖4可以看出，水性環(huán)氧樹脂的添加量增大，一次抗?jié)B壓力逐漸增大。水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿在水泥水化和水性環(huán)氧樹脂固化完成后，由于水性環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物與水泥水化產(chǎn)物的交互連接，降低了體系的孔隙率，復合材料整體更為致密，增強水泥砂漿內(nèi)部界面間的薄弱環(huán)節(jié)水性環(huán)氧樹脂和固化劑反應交聯(lián)產(chǎn)物和水泥水化產(chǎn)物以及填料結(jié)合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，材料整體孔隙減少，致密性增強。同時水性環(huán)氧樹脂中的活性基因與水泥水化中游離Ca2+、Al3+、Fe2+等離子進行交換形成特殊的橋鍵，改善了水泥漿物理的組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應力狀態(tài)，使得承受變形能力增強因此材料的一次抗?jié)B壓力明顯得到了提高。當水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿抗?jié)B試塊被打穿后，經(jīng)過一段時間的水中養(yǎng)護[5]，砂漿試塊中未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，部分沒有完全與固化份水性環(huán)氧樹脂滲透到被打穿的孔隙部位繼續(xù)發(fā)生固化反應。在兩者的協(xié)同作用下，砂漿試塊的二次抗?jié)B壓力逐漸增加。隨著水性環(huán)氧樹脂摻加量的增大，水性環(huán)氧樹脂交聯(lián)體阻擋了未水化的水泥顆粒進一步的水化反應，二次抗?jié)B壓力比有所降低。

水性環(huán)氧樹脂的加入增加了水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的抗?jié)B壓力，隨著水性環(huán)氧樹脂添加量的增大，抗?jié)B壓力比也逐漸增大。當水性環(huán)氧樹脂摻加量超過6 g時，抗?jié)B壓力比有所降低。

2.4 水性環(huán)氧樹脂對二次抗壓強度的影響

圖5為水性環(huán)氧樹脂對水泥砂漿抗壓強度的影響。

圖5 水性環(huán)氧樹脂對一次、二次抗壓強度的影響

在水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿中，水泥水化反應和水性環(huán)氧樹脂固化反應協(xié)同進行，最終交聯(lián)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿抗壓達到最大壓力值時內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞[6]。經(jīng)過一段時間的水中養(yǎng)護后，砂漿試塊中未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，部分沒有完全與固化份水性環(huán)氧樹脂滲透到孔隙部位繼續(xù)發(fā)生固化反應，從而抗壓強度得到恢復。在被破壞的水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿試塊中，未水化的水泥顆粒的二次水化以及部分沒有固化的水性環(huán)氧樹脂顆粒繼續(xù)固化反應使得水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿具有一定的自修復性能，隨著水性環(huán)氧樹脂添加量的增大，水性環(huán)氧樹脂固化物對水泥顆粒包裹性增強，參與二次水化水泥顆粒逐漸減少，在兩者的協(xié)同作用下，水性環(huán)氧樹脂天添加量增大，水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的抗壓強度比增大，當水性環(huán)氧樹脂摻加量為6 g時，抗壓前強度比達到最大值。水性環(huán)氧樹脂摻量繼續(xù)增大，對未水化水泥顆粒的抑制力增大，抗壓強度比有所降低。

隨著水性環(huán)氧樹脂摻加量增大水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的二次抗壓強度有所增加，當水性環(huán)氧樹脂摻加量大約6 g時，二次抗壓強度開始降低。水性環(huán)氧樹脂摻加量增大，抗壓強度比增大，當水性環(huán)氧樹脂摻加量為6 g時，抗壓強度比達到最大值。

3 結(jié)論

通過研究表明：水性環(huán)氧樹脂不僅具有改性水泥砂漿具有良好的粘結(jié)性能、力學性能而且也具有良好的自我修復性能。

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