水性环氧树脂改性水泥力学性能

李 铭，汪 艳，胡吉良，张闵龙

（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

水性环氧树脂改性水泥力学性能

李 铭，汪 艳，胡吉良，张闵龙

（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

在水性环氧树脂改性水泥材料的实验中，选用不同的固化剂，环氧树脂掺量以及养护制度来研究改性后水泥的力学性能变化；同时也对改性后的水泥断裂面进行观察研究.实验结果表明：a.水溶性好的固化剂对改性水泥的力学性能的改善效果更为显著；b.随着环氧树脂掺量的增加，改性水泥脆性降低，柔性增加，变形能力增大；c.随着龄期的增加，改性水泥的抗折强度及抗压强度都有不同程度的提高；d环氧树脂改性水泥改变了水泥的孔结构，减少了硬化水泥中的微裂纹.

水性环氧树脂；固化剂；改性；力学性能

0 引 言

水泥是水硬性无机胶黏材料，而环氧树脂水泥则是利用环氧树脂乳液代替或部分代替水泥的一种复合材料.经环氧树脂改性后，改性水泥连接性，抗渗性，耐磨性，耐酸性等性能都得到了不同程度的提高［1］.

随着国民经济的迅速增长，建筑行业与交通运输行业的迅速发展，对聚合物改性水泥的力学性能有了越来越高的要求.聚合物改性水泥的力学性能受到很多因素的影响，本实验对环氧树脂改性水泥力学性能进行研究，主要讨论固化剂，环氧树脂掺量以及养护制度对环氧树脂改性水泥力学性能的影响.另外，还对环氧树脂改性后的水泥断裂面进行了研究讨论.

1 药品与方法

1.1 实验材料

32.5＃复合硅酸盐水泥，工业级，华新水泥股份有限公司；

E-570环氧树脂乳液，工业级，广州市欧鹏化工有限公司；

水固8，化学纯，广州市欧鹏化工有限公司；

水固9，化学纯，广州市欧鹏化工有限公司；

三乙醇胺，分析纯，武汉市亚泰化工股份有限公司；

固化剂593，化学纯，广州市欧鹏化工有限公司；

邻苯二甲酸二丁酯，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

消泡剂，工业级；蒸馏水，实验室自制.

1.2 试验方法

参照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》［2］进行制样，试模尺寸为40 mm×40 mm×160 mm.参照国家标准GBJ107《混凝土强度检验评定标准》［3］，采用万能材料试验机测试抗压强度和抗折强度，同种配方各做3个试样，取其力学性能的平均值.

2 结果与讨论

2.1 固化剂对水泥力学性能的影响

表1为环氧树脂掺量为3%，养护条件为湿养护时，试样的力学性能.

表1 试样的力学性能Table 1 The strength of specimen

由实验可以看到，在具有较强的抗折强度和抗压强度下，水固8＃，水固9＃改性的环氧树脂水泥具有较好的压折比，而相对与水固8＃，水固9＃改性的环氧树脂水泥具有更好的力学性能表现，这是因为水固8＃是一种经环氧改性的不含表面活性剂的可常温固化的水稀释性胺类固化剂，而水固9＃是一种水溶性改性脂肪胺固化剂.和水固8＃相比，水固9＃在与水泥的混溶性方面得到了很大的改善.

此外，使用三乙醇胺作为固化剂时，发现水泥的凝结时间较短.这是由于三乙醇胺除了充当环氧树脂乳液的固化剂以外，还可充当加快水泥凝结速率的早强剂.

2.2 环氧树脂掺量对水泥力学性能的影响

选取水固8＃作为环氧树脂的固化剂，实验其28 d龄期下，先湿养护7 d，后干养护21 d条件下，不同的环氧树脂掺量对其力学性能的影响.实验结果如表2.

表2 环氧树脂掺量对其力学性能的影响Table 2 Epoxy resin content on the strength of specimen

首先，从试验结果可以看出，乳液掺量的变化对其改性水泥的抗折、抗压强度的影响比较明显.28 d龄期时，当E570掺量小于5%时，随着环氧树脂乳液掺入量的增加，改性水泥的抗折强度、抗压强度均有所降低.但当E570掺量大于5%以后，随着乳液掺量的继续增加，改性水泥的抗折强度和抗压强度出现上升趋势.另外可以看到，28 d龄期时，在树脂掺量为7%以下，加入环氧树脂乳液后，改性水泥的压折比随E570掺量增长而降低.由此可知，随环氧树脂乳液掺量的增加，改性水泥的脆性降低，柔性增加，变形能力增大［4］.

这是因为少量的环氧树脂乳液掺入到水泥中后，无法形成连续的结构，则改性水泥的强度较小.而当环氧树脂乳液掺量大于5%后，随着乳液掺量的继续增加，改性水泥的抗折强度和抗压强度呈现上升趋势.出现这种现象，是乳液在水泥中达到一定的含量后，在其成膜过程中，会在水泥水化产物与骨料的表面大量富集，这种富集现象会明显改善水泥水化产物之间的粘结性，是使改性水泥抗折强度提高的重要原因.而随着乳液掺量的提高，它对水泥颗粒的分散性增强，原水泥溶液中的絮状颗粒结构被拆散，所包裹的水份被释放，表现为水泥整体流动性增加，柔性增加，变形能力增大.

2.3 养护制度对水泥力学性能的影响

2.3.1 养护龄期 选择水固9＃为环氧树脂固化剂，环氧树脂掺量为3%，经行干养护，测试3 d，7 d，14 d以及28 d改性水泥的力学性能.实验结果见图1.

图1 龄期对改性水泥的力学性能的影响Fig.1 Age of concrete on the strength of specimen

由图1可以看到，随着龄期的增加，改性水泥的抗折强度及抗压强度都有不同程度的提高.前7 d时，改性水泥的抗折强度及抗压强度增长迅速；从7 d到28 d时，其增长速度较为缓慢.这是因为水泥水化需要水泥与水分的接触.早期由于有足够的水分，改性水泥的力学性能增长迅速，而随着龄期的增加，乳液的成膜速度变慢，不能形成完整的薄膜体系，故试样的水分散失迅速，供给于试样水化的水分逐渐减少，水泥水化也变慢，所以后期试样的力学性能增长较慢.

2.3.2 养护条件 A养护：湿养护28 d；B养护：干养护28 d；C养护：先湿养护7 d，后干养护21 d；D养护：先干养护7 d，后湿养护21 d.

选择水固9＃为环氧树脂固化剂，环氧树脂掺量为3%，分别经行A，B，C三种不同的条件养护，测试其力学性能.实验结果见图2.色.这是因为根据复合材料强度混合法则［5］：

图2 养护条件对改性水泥的影响Fig.2 Curing condition on the strength of specimen

式中，σ为复合材料的强度，σm为水泥强度，σp为聚合物强度，Vm为水泥体积比，Vp为聚合物体积比.

要使σ达到最大，在体积比一定的情况下，要求σm与σp分别达到最大值.要使σm达到最大，水泥必须充分水化；而要使σp达到最大，则聚合物必须充分成膜，两者是矛盾的.因为促进水泥水化需将水泥浸入水中或水蒸气中，而促进聚合物成膜则需将水泥干燥以利水分蒸发，且无论满足哪一面，均将有损复合材料的强度与性能.因此，干湿养护的交替应存在一个契合点，使两者均能达到相对的最大值，而此时的养护即为最佳的养护方式.由图可知，本实验的最佳养护方式为C养护.

2.4 改性后水泥断裂面的比较研究

所选取试样龄期均为28 d.A：空白样.B：固化剂为水固8＃环氧树脂掺量为5%湿养护的试样.观察水泥的断裂面如图3、图4.

图3 空白样A的断裂面Fig.3 Fracture surface of blank specimen A

图4 B试样断裂面Fig.4 Fracture surface of the specimen B

综合两个断裂面的照片，可以发现环氧树脂乳液对试样断裂面有明显的影响：加入环氧树脂乳液的试样断裂面的气泡明显少于未加入环氧树脂乳液的试样；加入环氧树脂的试样的断裂面更加平整.

可能的原因是聚合物乳液改善了水泥中的孔结构，与空白水泥相比，改性水泥的总孔隙率降低；而随着树脂掺量的增加，乳液固化后形成较为完整并具有一定强度和粘结力的膜并与水泥形成互穿网络结构［6］，使其界面间的均匀连续性较好，断裂面更加平整.

3 结 语

a.水溶性好的固化剂对改性树脂的力学性能的改善效果更为显著；而三乙醇胺作为固化剂使用时，不仅起到环氧树脂水泥固化作用，而且对水泥本身具有提高其凝结速度的早强作用.

b.在28 d龄期下，随着环氧树脂掺量的增加，改性水泥的抗折强度及抗压强度有一个先下降后上升的过程；随着环氧树脂掺量的增加，改性水泥脆性降低，柔性增加，变形能力增大.

c.随着龄期的增加，改性水泥的抗折强度及抗压强度都有不同程度的提高.前7 d时，改性水泥的抗折强度及抗压强度增长迅速；从14 d到28 d时，其增长速度较为缓慢.此外，对水泥经行先湿养护，后干养护可以得到较好的力学性能.

d.环氧树脂改性水泥改变了水泥的孔结构，减少了硬化水泥中的微裂纹，从而改善了水泥的物理力学性能.

［1］秦海兰，朱方之.环氧树脂混凝土的研究现状和工程应用［J］.焦作工学院学报：自然科学版，2003，22（2）：109-113.

［2］中国水力电力科学研究院.DL／T5126-2001聚合物改性水泥砂浆试验规程［S］.北京：中国电力出版社，2001，17-18.

［3］中华人民共和国城乡建设环境保护部.GB107-87混凝土强度检验评定标准［S］.北京：中华人民共和国国家计划委员会，1988.

［4］田甜.水性环氧树脂乳液改性水泥砂浆性能的研究［D］.长江：湖南大学土木工程学院，2011.

［5］Joshua B K.Polymer Modified Concrete Review［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1997，9（2）：85-87.

［6］王涛，许仲梓.环氧水泥砂浆的改性机理［J］.南京化工大学学报，1997，19（2）：28-31.

Mechanical properties of waterborne epoxy resin modified concrete material

LI Ming，WANG Yan，HU Ji-liang，ZHANG Min-long
（School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China）

In the experiment of waterborne epoxy resin modified concrete material，the change of modified concrete mechanical properties by different curing agents，waterborne epoxy resin proportions and curing conditions was studied and the fractured surface of the concrete modification was observed.Experimental results indicate，（1）curing agent with good water-solubility had better effect on mechanical properties of modified concrete，（2）with increase of waterborne epoxy resin proportion，modified concrete has lower brittleness，higher flexibility and better formability，（3）with the increase of age，compressive strength and flexural strength raise in various degrees，（4）the modification changes pore structure and decreases tiny cracks in the modified concrete.

waterborne epoxy resin；curing agent；modification；mechanical properties

龚晓宁

TU502

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.013

1674－2869（2011）11－0052－03

2011－09－29

李 铭（1986－），男，湖北武汉人，硕士研究生.研究方向：复合材料的合成与应用研究.

指导老师：汪 艳，女，博士，副教授.研究方向：高分子材料配方设计研究.