路面病害的形成及各组分对环氧修补材料性能的影响

王敏　郑水蓉　汪前莉　周风

摘要：阐述了路面裂缝和麻面的形成原因，分析了环氧树脂修补材料中粘料、固化剂、稀释剂、填料及偶联剂对修补材料性能的影响，对其发展前景做了展望。

关键词：裂缝；麻面；环氧树脂；固化剂

中图分类号：TQ433.4+37 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）07-0082-03

1 前言

混凝土路面的养护是高速公路科技研究与攻关的重要课题[1]。路面的破坏成因复杂、影响因素多，传统的沥青混凝土修补法已经不能满足要求。裂缝一旦形成，易引起病害的进一步加剧，造成破坏性的后果[2]。有机高分子修补材料具有粘接性良好、固化速度快和耐腐蚀等优点，在路面修补中得到了良好的应用[3～13]。

混凝土的破坏机理不同，病害的呈现形态也不同。路面的常见病害包括裂缝和麻面。综合各种影响因素，病害包含多种形式如干缩裂纹、沉陷裂纹、温度裂纹、塑性收缩裂纹和蜂窝麻面、坑槽露石子等[14]。因为环氧树脂体系对修补的病害要有针对性[15]，所以对于环氧树脂修补材料的配方设计及工艺要求也会不同。本文通过对病害形成原因的分析，综述了修补材料各个组分对其性能的影响。

2 损坏形成的原因

2.1 裂缝

形成混凝土裂缝的主要原因包括由混凝土原材料质量引起的裂缝和施工过程中操作不当引起的裂缝。

水泥在生产过程中煅烧不充分，会产生很多游离的碳酸钙，使混凝土凝固后产生体积变化不均匀现象，导致路面出现裂纹；拌合物的温度过高，出现"假凝"现象，使混凝土表面形成一层薄的硬壳，易引起混凝土开裂；砂和水中的有害杂质与混凝土反应生成易溶于水的产物，混凝土被腐蚀，强度下降，在车辆载重经过时会遭到破坏；集料中的活性二氧化硅与水泥中碱性氧化物水解生成的氢氧化钠和氢氧化钾产生反应，生成碱硅酸凝胶，吸水后膨胀，破坏混凝土结构，出现较深的网裂，即“碱骨料”反应[16]。

另外，如果路面实际承受超过了设计年限内的累计当量轴次，就会产生裂缝[17]；基层松散以及地基的沉降都极易产生裂缝[18]；在施工过程中，会用模具对混凝土进行固定，若拉应力大于混凝土本身的弯曲强度，也会产生裂缝；良好的养护能够有效减少裂缝的产生，如高温和风速较大的情况下，路面极易缺水干燥，如果不及时补充水分，就易产生干缩裂缝。

2.2 麻面

麻面是指混凝土表面局部缺浆、粗糙或有许多小凹坑，但无露筋现象[21]。

混凝土的配合比不当，混凝土过于黏稠，在振捣时难以将气泡排除，导致凝固后的混凝土表面出现蜂窝状的麻面；混凝土入模后振捣不充分、引气剂质量差等引起的气体残留，导致混凝土表面出现蜂窝麻面。

不合理地使用脱模剂是造成凝固混凝土结构表面蜂窝麻面的主要外部原因；施工时，浇注厚度偏大，即使振捣时间充分，气泡也不能完全排出，也易造成蜂窝麻面；春秋季节昼夜温差较大，因此附着在混凝土结构表面的气泡体积变化也很大，随着时间的推移水泥浆体的强度不断增加，当气泡周围水泥浆体达到一定强度时，气泡破裂，易造成麻面。

3 环氧体系各个组分对修补材料性能的影响

3.1 环氧树脂基体的影响

环氧树脂对产品的各项性能都有很大的影响。环氧值过高的EP强度较大，但较脆；环氧值中等的EP高低温时强度均好；环氧值低的EP高温强度较差。不需要耐高温，对强度要求不高，希望环氧树脂快干、不易流失，可选择环氧值较低的树脂；若要兼顾渗透性和强度，则可选用环氧值较高的树脂[22]。李保红等[23]研究发现，E-51在几种常见的液体E型环氧树脂中黏度最低，有利于在体系中加入较多的填料及助剂，提高其压缩强度及耐磨性能，降低成本。郭文瑛[24]通过对环氧树脂基修补材料进行研究，得到了功能性较好的修补材料，通过调整配方，可以使环氧树脂的用量减少。

3.2 固化剂的影响

环氧树脂的化学活性很大，在酸性或碱性固化剂的作用下，发生交联反应，转化为不溶、不熔的体型结构[25]。固化剂在反应过程中的初凝时间以改性环氧树脂混合料黏度开始升高为依据。黏度升高，混合料的和易性降低，导致混合料压实困难。固化剂初凝时间短，无法满足修补工程的施工要求；固化剂初凝时间较长，但后期固化缓慢，开放交通时间较长[26]。因此在制备修补材料时，应综合考虑操作环境、时间、黏度以及力学性能等方面，选择合适的固化剂。张小博[27]等利用甲基丙烯酸酯改性多乙烯多胺制得一种新型EP固化剂，使EP的韧性和粘接强度增加。刘芳[28]等研究了不同养护条件下T31固化剂的用量对环氧树脂体系的影响，通过对压缩强度和弯曲强度的分析，说明当养护条件为（20±2）℃和RH 80%、T31固化剂的掺量达到10质量份时，90 d的压缩强度为96.9 MPa。

3.3 稀释剂的影响

稀释剂主要作用是降低环氧树脂体系的黏度，改善工艺性能，延长使用寿命。但加入稀释剂会降低固化物的热变形温度、粘接强度、耐介质及耐老化等性能[25]。稀释剂分为活性稀释剂和非活性稀释剂2种，非活性稀释剂不与环氧树脂固化剂等反应，多为高沸点的液体，如邻苯二甲酸二丁酯、苯二甲酸二辛脂、苯乙烯等，用量以5%～20%为宜；活性稀释剂一般指带有1个或2个以上环氧基的低分子化合物，直接参与固化反应。根据稀释剂的种类和用量来调节黏度，例如细小裂纹的修补需要低黏度的产品以保证环氧树脂可以完全注入裂缝，起到修补作用[29]。

3.4 填料的影响

填料的加入可以提高耐磨性等。周梅等[30]人研究了填料种类和用量对环氧树脂体系强度的影响。通过研究体系的剪切强度，发现合适的填料能改善环氧树脂体系的性能，降低体系的收缩率和热线胀系数，增加热导率和机械强度，提高尺寸稳定性，避免发生裂缝。如何在提高修补材料机械加工性的同时降低修补材料线胀系数，改善填料在修补材料体系中的分散性等具有重要的研究价值[32]。王磊、刘方等[35]人以矿粉为填料，研究发现矿粉—环氧树脂基修补材料具有优异的耐久性。

3.5 偶联剂的影响

环氧树脂的偶联剂通常有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等，例如可以通过有机硅烷偶联剂提高持粘性和粘附力等。在路面修补过程中，如果路面不能与树脂体系很好地粘接，通常考虑在体系中加入偶联剂。在施工时直接将偶联剂溶液涂在被修补的清洁表面处，待溶剂挥发或干燥后再施胶，也可将偶联剂直接掺入环氧树脂体系中使用。姚海松等[36]人的研究表明，偶联剂的加入量在一定范围内会提高环氧树脂的拉伸强度和断裂伸长率，而冲击强度有所下降。

4 结语

环氧树脂体系在解决路面病害问题上具有针对性、特殊性和匹配性，可广泛应用于各种路面修补工程中。但是由于固化后的环氧树脂存在质脆、耐疲劳性、耐热性、韧性差等缺点，使其应用受到一定的限制。对环氧树脂进行改性受到广泛重视，通过加入各类助剂使环氧树脂满足不同工况下的修补要求，拓展了其在路面修补方面的应用范围。

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