尹浩，周進(jìn)俊，孫德文，李波，冉千平

(1.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211103）

0 引言

隨著混凝土建筑物服役年限的增加， 目前許多工業(yè)和民用建筑已經(jīng)或多或少地出現(xiàn)了一些問題。 裂縫和表面破壞是建筑物服役過程中最常見的病害之一。 對(duì)于已經(jīng)存在病害的混凝土建筑物，工程上很早就開始采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)可行的修補(bǔ)和翻新技術(shù)。 環(huán)氧樹脂材料因其強(qiáng)度高、粘結(jié)性好、耐化學(xué)品和耐堿腐蝕等優(yōu)越的性能， 作為建筑物修補(bǔ)和翻新材料， 在國內(nèi)外許多建筑工程上已應(yīng)用多年[1-4]。 普遍應(yīng)用的環(huán)氧樹脂是一種高黏度、不溶于水的油溶性聚合物， 開發(fā)水性環(huán)氧樹脂逐漸成為行業(yè)熱點(diǎn)之一。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂E51，環(huán)氧當(dāng)量190 g/mol，工業(yè)級(jí)，南亞昆山樹脂廠；聚乙二醇單甲醚MPEG-1000，羥值51 mgKOH/g，工業(yè)級(jí)，南京博特新材料有限公司；三苯基膦，工業(yè)級(jí)，安徽金善化工科技有限公司；固化劑型號(hào)Anquamine 287，工業(yè)級(jí)，贏創(chuàng)化學(xué)公司；水泥，P·I 52.5，小野田水泥有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳液的物理性能

乳液的平均粒徑是通過HELOS / SUCELL 濕式激光粒徑分析儀在25 ℃下測(cè)量的。 乳液的粘度是通過布氏粘度計(jì)在25 ℃下測(cè)量的。

1.2.2 乳液穩(wěn)定性

取20 ml 乳液，分別在轉(zhuǎn)速1 000 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm、4 000 rpm 和5 000 rpm 下離心30 min。沒有出現(xiàn)分水現(xiàn)象， 說明該轉(zhuǎn)速下的乳液穩(wěn)定性好。不分水情況下的轉(zhuǎn)速越大，說明乳液越穩(wěn)定，保存時(shí)間越長。

1.2.3 乳液改性水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度采用GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(ISO 法)進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.4 乳液改性水泥砂漿的抗裂性能

在0.5 水灰比的水泥凈漿中加入一定摻量的水性環(huán)氧樹脂，拌和均勻后攤鋪于鋼板上，厚度為5 mm。待其硬化后觀察表面裂紋情況，結(jié)合水性環(huán)氧樹脂的摻量，定性判斷抗裂性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑的原位制備

將計(jì)量的聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 和環(huán)氧樹脂E51 加入帶有攪拌裝置、 溫度計(jì)的三口燒瓶中，攪拌并加熱至120 ℃。 然后一次性加入占環(huán)氧樹脂質(zhì)量1%的三苯基膦作為催化劑， 繼續(xù)在120 ℃下攪拌12 h，最后冷卻至室溫即得乳化劑和環(huán)氧樹脂的混合物，無需分離，直接加水高速分散乳化，分散速度1 000 rpm，分散盤直徑8 cm。 乳化劑分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 乳化劑分子結(jié)構(gòu)

2.2 乳液的粒徑

由圖1 可知， 在合成的乳化劑分子結(jié)構(gòu)中，將聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 作為親水性鏈段，將環(huán)氧樹脂E51 作為親油性鏈段， 計(jì)算出理論親水親油平衡值（HLB）為14.49。 這與文獻(xiàn)報(bào)告的環(huán)氧樹脂乳化劑的HLB 值非常吻合。 聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 的用量與乳液的平均粒徑的關(guān)系如圖2 所示。 在5%～20%范圍內(nèi)，MPEG-1000 的用量與粒徑?jīng)]有顯著的關(guān)聯(lián)性，都能制備得到粒徑較小的乳液，說明原位制備的乳化劑的乳化能力較強(qiáng)。

2.3 乳液的粘度

當(dāng)乳液的固含量為50%時(shí)， 聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 的用量與乳液的粘度的關(guān)系如圖3 所示。 由圖3 可知，隨著MPEG-1000 用量的增加，乳液粘度越來越大。 一方面，提高M(jìn)PEG-1000 的用量會(huì)生成更多的MPEG-1000 和環(huán)氧樹脂反應(yīng)而成的乳化劑，從而增加體系的粘度；另一方面，膠束粒子表面的聚乙二醇鏈段的含量相對(duì)增加，可能會(huì)增加膠束粒子之間的分子作用力，也導(dǎo)致了最終乳液粘度的增加。

圖2 MPEG-1000 的用量對(duì)水性環(huán)氧樹脂粒徑的影響

圖3 MPEG-1000 的用量對(duì)水性環(huán)氧樹脂粘度的影響

2.4 乳液的穩(wěn)定性

利用不同用量的聚乙二醇單甲醚MPEG-1000制備水性環(huán)氧樹脂乳液，在不同轉(zhuǎn)速下的離心穩(wěn)定性如表1 所示。 由表1 可知，當(dāng)MPEG-1000 用量是環(huán)氧樹脂質(zhì)量的5%時(shí)，制備的乳液僅在離心轉(zhuǎn)速1 000 rpm 時(shí)不分水， 說明穩(wěn)定性很差；當(dāng)MPEG-1000 用量是環(huán)氧樹脂的質(zhì)量10%和15%時(shí)，離心轉(zhuǎn)速在3 000 rpm 時(shí)不分水，說明穩(wěn)定性良好；如果想要得到優(yōu)異的穩(wěn)定性，也就是在轉(zhuǎn)速5 000 rpm 時(shí)不分水， 需要將MPEG-1000 用量提高至占環(huán)氧樹脂質(zhì)量的20%。 MPEG-1000 用量的增加，實(shí)際上提高了乳液粒子的親水性能，改善了與分散相水的相容性，導(dǎo)致穩(wěn)定性的大幅提升。 另外，粘度的增加也有助于提高乳液的穩(wěn)定性。

2.5 改性水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度

用MPEG-1000 占環(huán)氧樹脂質(zhì)量的20%的比例制備水性環(huán)氧樹脂乳液，并與固化劑Anquamine 287按照環(huán)氧基和胺基等當(dāng)量的比例進(jìn)行混合攪拌，然后按照不同的聚灰比（P/C）設(shè)計(jì)拌和水泥砂漿，分別測(cè)試砂漿28 d 齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 可知，隨著聚灰比的增加，抗壓強(qiáng)度先小幅下降，隨后增加，最后又下降。 當(dāng)聚灰比為15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。另外，抗折強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)不同于抗壓強(qiáng)度，它隨著聚灰比的增加而增加。 因此綜合考慮，可以選擇聚灰比15%作為最優(yōu)摻量，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為62 MPa，抗折強(qiáng)度為14 MPa。

表1 MPEG-1000 用量對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

圖4 聚灰比對(duì)改性水泥砂漿抗壓強(qiáng)度（左）和抗折強(qiáng)度（右）的影響

2.6 改性水泥砂漿的抗裂性能

水泥砂漿的抗裂問題一直是建筑材料領(lǐng)域十分關(guān)注的熱點(diǎn)課題。添加聚合物是增加水泥砂漿抗裂性的方法之一。試驗(yàn)研究了水性環(huán)氧樹脂的摻量對(duì)抗裂性能的影響。 聚灰比（P/C）與抗裂性的關(guān)系照片如圖5 所示。 由圖5 可知，不摻水性環(huán)氧樹脂的水泥砂漿因?yàn)樵缙诘乃苄允湛s出現(xiàn)了多道細(xì)小裂縫。當(dāng)聚灰比為2.5%和5%時(shí)水泥砂漿同樣出現(xiàn)了裂紋， 而且裂縫比不摻水性環(huán)氧樹脂的砂漿更寬。 這是因?yàn)樗原h(huán)氧樹脂的摻入，與水泥發(fā)生吸附，導(dǎo)致自由水的增加，即水性環(huán)氧樹脂具有減水作用，自由水的揮發(fā)導(dǎo)致了更寬的裂縫。 當(dāng)聚灰比達(dá)到10%以上時(shí)，裂紋消失了，這是因?yàn)橹挥兴原h(huán)氧樹脂占有足夠的體積時(shí)，其較強(qiáng)的內(nèi)聚力才能克服水泥砂漿因塑性收縮導(dǎo)致的收縮應(yīng)力。 因此，聚灰比為10%作為優(yōu)選的水性環(huán)氧樹脂摻量，能夠達(dá)到很好的抗開裂性能。

圖5 聚灰比對(duì)改性水泥砂漿抗裂性的影響

3 結(jié)論

（1）利用聚乙二醇單甲醚MPEG-1000 與環(huán)氧樹脂E51 原位反應(yīng)制備出了穩(wěn)定性優(yōu)異的水性環(huán)氧樹脂。 通過對(duì)自制水性環(huán)氧樹脂的粒徑、粘度和離心穩(wěn)定性的分析，確定了MPEG-1000 占E51 質(zhì)量的20%為最優(yōu)選的條件。 最終制得粒徑為0.7 μm、 粘度為420 mpa·s、 在5 000 rpm 轉(zhuǎn)速下離心穩(wěn)定的水性環(huán)氧樹脂。

（2）將上述優(yōu)選的水性環(huán)氧樹脂制備改性水泥砂漿，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明，水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度顯示了隨著聚灰比的增加先減少后增大，最后又減少的趨勢(shì)；抗折強(qiáng)度則是隨著聚灰比的增加而增加。聚灰比為15%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值62 MPa，抗折強(qiáng)度14 MPa，能夠滿足大多數(shù)工程的應(yīng)用要求。

（3）通過將水性環(huán)氧樹脂摻入0.5 水灰比的水泥凈漿中考察抗裂性能。 結(jié)果表明，隨著聚灰比的增加， 水泥砂漿的抗裂性能顯示先增大后減緩，最后不開裂的規(guī)律。 聚灰比至少在10%以上時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)水泥砂漿不開裂。