水性环氧树脂改性水泥混凝土的制备及力学性能分析*

钟 鑫

(东南大学 基本建设处，南京 210000)

0 引 言

随着我国工业化和经济的飞速发展，交通运输业也快速进步，水泥混凝土的用量越来越大，未来十年水泥混凝土依旧会是交通运输业发展的核心[1]。混凝土的主要研究点在于其力学性能，比如抗压强度、抗折强度等，而对于一些特殊的工程，例如水工、地下基础、屋面防水等，混凝土的抗渗性能就显得尤为重要[2-5]，一般抗渗混凝土通过提高混凝土的密实度，改善孔隙结构，从而减少渗透通道，提高其抗渗性[6-7]。较为常用的改善混凝土抗渗性能的方法是加入引气型外加剂，在混凝土中通过产生较多的气泡，填充了孔隙结构，从而提高混凝土的抗渗性[8-9]。水性环氧树脂由于具有较强的附着力、较低的固化收缩率、耐腐蚀和耐水性等优点，目前广泛应用于水性环氧涂料、工业地坪涂料、内外墙乳胶漆和改性混凝土等领域[10-12]。通过掺入水性环氧树脂对水泥混凝土进行改性，主要是因为环氧树脂进入到混凝土基体后，可以有效地填充内部孔隙，提高基体的力学性能，最后形成低孔隙的混凝土，从而改善混凝土的抗渗性能，增加其韧性和弹性[13-15]。

近年来，对水泥混凝土的改性研究越来越多[16-19]。孙琳[20]通过慢冻法试验以单位面积剥蚀量及相对动弹模量为评价指标研究不同掺量下纳米SiO2改性混凝土抗盐冻融循环能力，并进行三点弯曲试验，研究其断裂韧度及断裂能损失率，基于此建立水胶比W/B=0.31时的盐冻融损伤回归方程。结果表明，经过纳米SiO2改性的混凝土抗盐冻融性能明显提升，2.0%(质量分数)掺量下最大可分别提升混凝土约70%单位面积剥蚀量，24.2%相对动弹模量，29.5%断裂韧度及10.9%断裂能，且纳米SiO2的最佳掺量范围为1.5%～2.0%(质量分数)。刘方等[21]采用了一种聚合物乳液(丁苯胶乳)对高性能混凝土进行改性处理，研究不同丁苯胶乳掺加量对水泥混凝土基本力学性能、韧性、自收缩性能及抗氯离子渗透性能的影响。结果表明，苯胶乳改性水泥混凝土的抗压强度随着丁苯胶乳掺加量的增加有所降低，丁苯胶乳的加入对混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度及韧性有较大提高，且掺量为15%(质量分数)的增强效果最明显，劈裂抗拉强度和抗折强度的提升幅度分别达到17.4%和23.8%，掺量为10%(质量分数)的情况下韧度指数最高，增加幅度达到71.1%，丁苯胶乳改性混凝土浇注24 h后的总收缩值随着丁苯胶乳掺量的增加而逐渐减少，掺量为15%(质量分数)情况下的总收缩值降幅高达35%，改性后水泥混凝土的抗氯离子扩散能力和抗渗性能也得到改善。吕晨曦[22]通过实验验证和理论分析，研究了钢筋在新型水性环氧树脂改性砂浆体系中的钝化行为，探讨了不同养护方式对钢筋钝化行为的影响、不同掺量的环氧树脂对混凝土的力学性能及耐久性能的影响。结果表明，加入聚合物后砂浆的水化反应及钢筋表面的钝化膜形成减慢，养护后期聚合物改性砂浆中钢筋表面阻抗值大于普通砂浆中钢筋表面阻抗值，聚合物乳液的掺加改善了混凝土刚性大、柔性小的特点，使混凝土弹性模量减小，聚合物掺加有利于混凝土强度的提升。

本文以掺入水性环氧树脂对水泥混凝土进行改性，通过调整水性环氧树脂的含量，制备了不同水性环氧树脂掺量(0，2%，4%和6%)(质量分数)的水泥混凝土。采用实验验证和理论分析，探讨了水性环氧树脂含量对水泥混凝土力学性能、抗渗性能和微观形貌等的影响，力求制备出综合性能最佳的改性水泥混凝土。

1 实 验

1.1 实验原材料

普通硅酸盐水泥：P.O 42.5，购买于唐山燕东集团华城水泥有限公司；聚羧酸减水剂：固含量为20%，减水率为35%，购买于唐山燕东集团华城水泥有限公司；砂：含水率为0，购买于唐山燕东集团华城水泥有限公司；水性环氧树脂：CYDW-112W50，环氧树脂固含量为50%，购买于唐山燕东集团华城水泥有限公司；环氧固化剂：CYDHD-W280，胺值为270～330 mgKOH/g，购买于上海悦怡化工有限公司。

1.2 样品制备

混凝土的配比为m(水泥)∶m(水)∶m(砂子)∶m(石子)=1∶2.24∶4.61∶0.6，水灰比W/C=0.42，砂率为33%，m(水性环氧树脂)∶m(固化剂)=4∶1。按照配比称取硅酸盐水泥及标准砂，掺拌均匀，将上述水性环氧树脂、固化剂、水加入到容器中，继续搅拌振动直到均匀，在此基础上制备了不同水性环氧树脂掺量(0%，2%，4%和6%)(质量分数)改性混凝土，随后在室温下进行养护至龄期后进行性能测试。

2 结果与讨论

2.1 水性环氧树脂改性混凝土的力学性能分析

将上述制备的水性环氧树脂改性混凝土按照GBJ107《混凝土强度检验评定标准》标准，试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，对养护7和28 d的试样进行抗压强度和抗折强度测试，每组样品测试10个，取平均值为测试结果。

图1为水性环氧树脂改性混凝土在7 d的抗压强度和抗折强度曲线。从图1可以看出，在7 d下，随着水性环氧树脂的掺入，混凝土的抗压强度和抗折强度均得到了提高，且随着水性环氧树脂含量的增加，抗压强度和抗折强度均先增加后轻微降低。当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，抗压强度和抗折强度达到了最大值，分别为23.85和4.22 MPa，相较于未掺杂水性环氧树脂的混凝土强度分别提升了110.13%和102.33%；当水性环氧树脂的含量增加至6%(质量分数)时，混凝土的抗压强度和抗折强度均出现了不同程度的下降。

图1 不同水性环氧树脂掺量的混凝土7 d抗压强度和抗折强度曲线

图2为水性环氧树脂改性混凝土在28 d的抗压强度和抗折强度曲线。从图2可以看出，养护至28 d时，不同水性环氧树脂掺量的混凝土的抗压强度和抗折强度的变化趋势与7 d类似，随着水性环氧树脂含量的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度均先增加后轻微降低，当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，抗压强度和抗折强度达到了最大值，分别为41.15和8.67 MPa。

图2 不同水性环氧树脂掺量的混凝土28 d抗压强度和抗折强度曲线

2.2 水性环氧树脂改性混凝土的干密度分析

将上述制备的水性环氧树脂改性混凝土在养护28 d下按照GB11970-1997对干密度进行测试，对同一体系的混凝土测试3次，取平均值为最终测试结果。

图3为水性环氧树脂改性混凝土的干密度曲线。从图3可以看出，未掺杂水性环氧树脂的混凝土的干密度最小为 277.5 kg/m3，随着水性环氧树脂的掺入，混凝土的干密度整体出现上升，且随着水性环氧树脂的含量增加，干密度先升高后略微下降。当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，改性混凝土的干密度达到最大为278.6 kg/m3，通常干密度和气孔的大小及密度是反相关的，当干密度升高时，多数是因为气孔尺寸、数量变小导致的。

图3 不同水性环氧树脂掺量的混凝土的干密度曲线

2.3 水性环氧树脂改性混凝土的吸水率分析

将上述制备的水性环氧树脂改性混凝土在养护28 d下按照GB11970—1997对吸水率进行测试，对同一体系的混凝土测试3次，取平均值为最终测试结果，吸水率计算值精确至0.1%。

图4为水性环氧树脂改性混凝土的吸水率曲线。从图4可以看出，随着水性环氧树脂含量的增加，改性混凝土的吸水率出现了先降低后略微升高的现象。当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，吸水率最低为28.3%；当水性环氧树脂含量为6%(质量分数)时，吸水率出现了轻微升高为28.6%，这与干密度的测试结果一致，说明水性环氧树脂的含量变化引起了气孔的尺寸和密度变化，在宏观上体现出吸水率和干密度的变化，即当试样尺寸不变时，干密度增加就会导致气孔尺寸和密度减小，从而吸水率降低。

图4 不同水性环氧树脂掺量的混凝土的吸水率曲线

2.4 水性环氧树脂改性混凝土的抗渗性能分析

对上述制备的水性环氧树脂改性混凝土在养护28 d下按照GBJ82-1985《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行抗渗性能测试，通过混凝土渗透仪对不同体系下的试样进行测试，从0.1 MPa开始加压，加压范围为0～4 MPa，持续进行8 h，试验压力递增0.1 MPa，每组试样测试3次，取平均值为最终测试结果。

表1为水性环氧树脂改性混凝土的抗渗性能分析数据。从表1可以看出，所有混凝土的初始压力均为0.1 MPa，随着水性环氧树脂含量的增加，混凝土的耐水压力、渗水压力、抗渗等级均逐渐提高，其中水性环氧树脂的含量越高，抗渗性能越强，当水性环氧树脂含量为6%(质量分数)时，混凝土的抗渗等级达到了P19。

表1 水性环氧树脂改性混凝土的抗渗性能分析数据

2.5 水性环氧树脂改性混凝土的SEM分析

图5为不同水性环氧树脂掺量的混凝土的SEM图。从图5(a)可以看出，未掺杂水性环氧树脂的混凝土的气孔尺寸较大，约为4～5 mm。从图5(b)和(c)可以看出，随着水性环氧树脂的掺入，混凝土的气孔尺寸明显减小，整体尺寸在2～3 mm之间。从图5(d)可以看出，当水性环氧树脂的掺量为6%(质量分数)时，混凝土的气孔尺寸又开始增大。说明适量水性环氧树脂的掺杂有助于降低混凝土的气孔尺寸，并使气孔分布更加均匀；当树脂含量较多时，水性环氧树脂在基体中会包覆在水泥表面，阻碍了水分子与水泥颗粒的接触，导致了水化反应的减慢，使得水泥颗粒无法均匀地分布在基体中，从而使局部区域的气孔尺寸出现了增大。

图5 不同水性环氧树脂掺量的混凝土的SEM图

3 结 论

(1)随着水性环氧树脂含量的增加，改性混凝土在7和28 d的抗压强度和抗折强度均先增加后轻微降低，当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，28 d抗压强度和抗折强度达到了最大值，分别为41.15和8.675 MPa。

(2)随着水性环氧树脂的含量增加，改性混凝土的干密度先升高后略微下降，当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，干密度达到最大为278.6 kg/m3。

(3)随着水性环氧树脂含量的增加，改性混凝土的吸水率出现了先降低后略微升高的现象，当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，吸水率最低为28.3%。

(4)随着水性环氧树脂含量的增加，改性混凝土的耐水压力、渗水压力、抗渗等级均逐渐提高，其中水性环氧树脂的含量越高，抗渗性能越强，当水性环氧树脂含量为6%(质量分数)时，混凝土的抗渗等级达到了P19。

(5)SEM分析可知，随着水性环氧树脂含量的增加，改性混凝土的气孔尺寸呈现出先降低后升高的趋势，当水性环氧树脂含量为4%(质量分数)时，气孔尺寸较小，约为2～3 mm，当水性环氧树脂的掺量为6%(质量分数)时，混凝土的气孔尺寸开始增大。

综合以上分析来看，水性环氧树脂的含量为4%(质量分数)时，改性混凝土的综合性能最佳。