环氧砂浆填料配方优化研究

陆旭峰 ，任敏 ，韩杰 ，葛仕彦

（1.上海申航基础工程有限公司，上海 200032；2.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

0 前言

环氧砂浆是一种混凝土修补加固材料，具有化学性能稳定，耐腐、耐候性好，与多种材料的粘结力很强，干缩变形小，抗压模量低，抗侵蚀能力强、抗压强度高，且不受结构形状限制等特点。在道路、桥梁、管道等工程建设中有着广泛的应用[1]。

水工混凝土结构在恶劣的自然环境下，混凝土表面裂缝、冲击磨损、机械磨损以及化学侵蚀，碱骨料反应破坏等情况普遍存在[2]。这些问题已经严重影响混凝土结构的寿命和外观，危及到混凝土结构的正常使用。针对上述混凝土结构所遇到的问题，使用环氧砂浆可以对混凝土结构进行修补，保障混凝土结构安全、保证其长期的安全使用[3]，延长混凝土构筑物的寿命。

但相比普通水泥砂浆、聚合物砂浆，环氧砂浆价格普遍较高、不同配比的环氧砂浆性能差别也较大，这在一定程度上影响了其大规模使用[4]。为进一步改善环氧砂浆的性能，使其更适应现场规模施工需求[5]，公司在大量调研的基础上，结合多年现场施工经验，通过优化环氧砂浆的配方，制得一种性能指标更稳定可靠、成本更低廉的环氧砂浆，并在码头、跨海桥梁等恶劣环境下取得了良好的修补加固效果。

1 试验

1.1 原材料

环氧树脂：E-44，环氧值0.44 mol/100 g，南通星辰合成材料有限公司；聚酰胺固化剂 650：胺值（220±20）mgKOH/g，黏度 15～50 Pa·s（25 ℃），天原集团上海树脂厂；酚醛胺固化剂T31，胺值（460±20）mgKOH/g，黏度 5～10 Pa·s（25 ℃），江苏常州德烨化工有限公司；水泥：P·Ⅱ52.5水泥，海螺牌；砂：河砂，40～70目。

1.2 主要仪器设备

压力机：DYE-2000，河北迪奥试验仪器厂；拉力试验机：ATS-J，艾德堡仪器有限公司；天平：KF-0040，凯丰电子天平；小型搅拌机：D2004W，上海司乐仪器；拌料锅：直径400 mm，深100 mm。

1.3 环氧砂浆及试块的制作

（1）首先将试验所用材料在（23±2）℃存放至少24 h。

（2）拌料：分别把称量的液体和填料拌匀，依次倒入搅拌锅，开动搅拌机缓慢均匀拌和，至颜色均匀且拌和物中无结块为止。

（3）环氧砂浆的抗压强度、抗拉强度、表观密度等参照DL/T 5193—2004《环氧树脂砂浆技术规程》进行测试。具体操作步骤为：将搅拌好的砂浆装入试模，分2次装料，每次都用捶刀或捣棒捣密实，砂浆料顶部应稍高于试模上表面。最后刮去高出的材料，使之与试模表面齐平，在砂浆硬化前抹平表面并进行编号，成型时如拌和物不能自由流动，可用压实工具把砂浆挤入试模，使之填充密实、无孔洞。试件成型后，再将其放入温度为（23±2）℃、相对湿度（50±5）%的空气中养护 7 d。

1.4 扫描电镜（SEM）分析

取环氧砂浆试块新鲜断面，用导电胶布固定在金属圆盘上，放在HITACHI E-1010型离子溅射仪中进行喷金处理，然后用HITACHI S-3700N型扫描电子显微镜进行观察，加速电压为20.0 kV。

2 结果与分析

2.1 填料配比及用量对环氧砂浆力学性能的影响

将环氧砂浆试件在（23±2）℃下养护28 d后进行力学性能测试，环氧砂浆的配比及性能测试结果见表1。

表1 填料配比及用量对环氧砂浆力学性能的影响

从表1可以看出，固定环氧树脂和固化剂的比例，在试验配比范围内，4组不同填料配比环氧砂浆都具备比较好的力学性能，抗压强度、抗拉强度、对混凝土的粘结强度指标均表现的非常良好，均能够满足常规混凝土构件的修补加固需求，具有良好的适用性。试验结果显示出以下几个特征：

（1）固定环氧树脂和固化剂的比例，在试验配比范围内，力学性能随着硅酸盐水泥和硬质河砂用量的增加，稍有波动，总体上呈现上升趋势，抗压强度最大达到了91.8 MPa，抗拉强度最大能达到13.2 MPa。

（2）固定环氧树脂和固化剂的比例，在试验配比范围内，保持硅酸盐水泥量一定，增大河砂的用量，抗压、抗拉强度指标均出现逐渐增大至峰值后回落现象。

（3）环氧砂浆对混凝土粘结强度测试中均为混凝土破坏，有3组环氧砂浆的粘结强度均保持在1.4 MPa，有1组达到了1.5 MPa，说明环氧砂浆对混凝土的粘结性能非常好，填料的配比对粘结性能的影响不大。

（4）固定环氧树脂和固化剂的比例，在试验配比范围内，填料中水泥与砂的质量比为1∶1时，环氧砂浆的力学性能最佳。

分析原因认为：（1）力学性能指标优异是2种填料相互配合互补的共同作用结果[6]。本试验中采用水泥作为其中一种填料，在水泥颗粒与树脂充分混合的过程中，水泥的强吸湿性，使得树脂粘度得到提高，水泥与树脂形成颗粒胶体，增大了树脂与河砂颗粒表面的粘结面积，同时填充了河砂大粒径之间的空隙。固化前，水泥起润滑作用，使树脂与河砂颗粒均匀混合。固化后，水泥颗粒、砂石颗粒与树脂三者固化成一体，起胶结作用。（2）本研究中采用的40～70目河砂一方面具备一定强度，该粒径的选择既避免了颗粒过粗可能会导致的比表面积小、与环氧树脂结合力弱而引起的强度降低；同时避免了粒径过小可能导致的不易搅拌均匀、强度不具优势的弊端。河砂与较细颗粒的硅酸盐水泥起到了良好的互补作用，当增大河砂用量，环氧砂浆力学性能总体上呈现上升趋势。但随着河砂用量的增加，其较细的粒径所带来的大比表面积形成较大体量，无法完全与环氧树脂、硅酸盐水泥形成良好的均匀搅拌体，环氧砂浆内部可能形成小的孔隙，水泥与树脂形成的颗粒胶体无法全部填充，导致其抗压强度反而下降，从峰值的87.2 MPa降至85.8 MPa。（3）当水泥与砂的质量比为1∶1时，水泥与树脂的配合达到较为理想的稳定胶结状态，河砂为环氧砂浆整体提供了骨架效应，此时抗压、抗拉性能指标最佳。

2.2 填料配比及用量对环氧砂浆适用期和表观密度的影响

选取表1中4组配比的环氧砂浆，进行适用期和表观密度的测试，结果如表2所示。

表2 填料配比及用量对环氧砂浆适用期和表观密度的影响

从表2可以看出，在试验配比范围内，4组不同配比环氧砂浆的表观密度、适用期均表现出以下3个特征：

（1）固定环氧树脂和固化剂的比例，适用期随填料用量的增加，总体上呈现缩短的趋势，由最长的40min缩短至25min。

（2）固定环氧树脂和固化剂的比例，表观密度随着填料用量的增加逐渐增大。

（3）固定环氧树脂和固化剂的比例，水泥与砂的质量比为1∶1时，适用期最短，表观密度最大。

分析认为，适用期缩短，是由于随着填料用量增大，搅拌均匀的混合物中单位体积内环氧树脂的含量降低，此时环氧树脂与填料需要固化的粘结面积减小。后续对初凝时间的试验结果也同时验证了这个趋势。

对表观密度的影响，则是因为在试验配比范围内，随着填料用量增大，搅拌均匀的混合物单位体积内环氧树脂含量降低，河砂、水泥的填充量增大。水泥的密度与无填料环氧树脂基本相当，但河砂的密度显著高于无填料的环氧砂浆，这就导致密度随填料总量增加而逐渐增大。

2.3 环氧砂浆的抗渗性能

对1#～4#环氧砂浆进行抗渗性能试验，结果表明这4组环氧砂浆的抗渗压力均大于1.5 MPa，抗渗性能较好，符合DL/T 5193—2004关于环氧砂浆的抗渗要求。2.4 环氧砂浆断面的SEM分析

图1为不同配比环氧砂浆试块抗折试验断面的SEM照片。

图1 不同填料配比及用量环氧砂浆断面的SEM照片

从图1可以看出，1#环氧砂浆的密实程度较低，树脂与骨料颗粒的结合界面不紧密，试块断裂面比较平整[6]；2#～4#环氧砂浆试块断面不平整，随着填料总量的增加，大量颗粒填充在树脂基体，骨料界面区域，此时断面粗糙度增大，表面起伏越来越来大，这种断面结构可以提高砂浆试块的密实程度。在4#环氧砂浆的SEM照片中，当水泥与砂的质量比为1∶1时，断面的颗粒最为密集，呈现波纹状，此时的力学性能最佳。

3 研制的环氧砂浆应用情况

2013年，公司承接了某离岸石油平台桩基础的修补加固作业。该石油平台采用高桩梁板结构，有9根PHC管桩桩头与上部帽梁脱离造成内部空洞，潮位影响情况下会引起空洞处灌水，维修方案既要考虑破损修补、加固的要求，同时要考虑耐久性要求，作业及养护时间还要尽量缩短，以不影响平台正常生产。

基于该平台现场实际破损情况和潮位影响考虑，对当地9月底天气情况、固化时间、力学性能指标、养护要求，经济等因素进行分析。充分进行比选，选用2#配比的环氧砂浆，在力学性能上能够达到质量标准的要求，相比于4#配比环氧砂浆，2#环氧砂浆对混凝土粘结强度优于4#环氧砂浆，与混凝土的粘结性能更强。所采用方案为清理桩头后在空洞处支模填充环氧砂浆，同时，对桩头与帽梁全部结合部位再涂抹一层约1 cm厚环氧砂浆，在起到加固作用的同时，对结合处起到防水、防腐保护，提高整体耐久性。

现场施工过程结束后，进行了7 d养护，现场同时制作的试块检测结果表明，7 d抗压强度为75 MPa，超过28 d抗压强度的85%，完全可满足现场工期尽量缩短的要求。该数据也基本与实验室得出的数据资料吻合。完工1年后对该桩头修补区域重新检查，未发现任何内部空鼓、砂浆脱落、开裂现象，维修效果良好。

4 结论

（1）固定环氧树脂和固化剂的比例，在试验配比范围内，填料用量对环氧砂浆的适用期有明显影响，现场施工时应根据现场环境及实际需求，适当调整配比，以更好满足现场施工需求。

（2）固定环氧树脂和固化剂的比例，在试验配比范围内，环氧砂浆的力学性能随着填料用量的增加，稍有波动，但总体呈上升趋势。在此基础上，保持水泥用量一定，环氧砂浆的力学性能随着砂用量的增加先提高后降低。当填料中水泥与砂的质量比为1∶1时，环氧砂浆的力学性能达到最佳，此时环氧砂浆试块的断面结构较为粗糙，粘结较为密实。

（3）在试验配比范围内，填料的配比及用量对环氧砂浆对混凝土粘结强度、抗渗性能影响不大，基本维持在一个比较好的水平。

[1] 王伟，李少芳，陈海伟，等.填料级配及掺量对环氧砂浆性能影响的研究[J].公路交通科技，2015（2）：106-108.

[2] 陈钊庭，郭文瑛，黎华朝，等.填料物理性质对环氧树脂砂浆性能的影响[J].广东建材，2010，26（2）：13-16.

[3] 刘敬福，刘长兴，李智超.填料对环氧树脂胶粘剂机械性能的影响[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（4）：536-537.

[4] 高杰，胡高平，肖卫东.环氧砂浆在道路修复中的作用[J].粘结，2009（6）：74-75.

[5] 赵宏，邓安仲，陈静波，等.填料和稀释剂对环氧树脂砂浆性能的影响研究[J].材料导报，2015，29（11）：559-564.

[6] 张晓华，朱华，陈晓龙.环氧砂浆性能影响的研究[J].新型建筑材料，2016，43（5）：23-25.