黄燕 许瑶怡 范萌萌 吕政凡
摘要：为探究环氧树脂基混凝土裂缝快速修复材料的制备及性能，解决公路桥梁工程施工中的混凝土裂缝修补问题，文章基于正交试验方法对环氧树脂基修补砂浆的性能进行分析，确定了影响环氧树脂基修补砂浆的影响因素及其影响程度，并通过粘结性能试验评价了环氧树脂基修补砂浆的修补效果。结果表明：影响环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的因素排序为：水泥掺量＞固化剂掺量＞砂掺量，其最优配合比为环氧树脂：稀释剂：水泥：固化剂：砂=1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6；
粘结性能试验结果表明，环氧树脂基修补砂浆具有良好的修补效果，修补后的混凝土抗压强度提高了18.9%；
耐久性试验结果表明，热空气对环氧树脂基修补砂浆的耐久性能负面影响较小。
关键词：环氧树脂；
修补材料；
正交试验；
力学性能；
粘结性能
中图分类号：U416.03 文献标识码：A
0 引言
目前，混凝土被广泛应用于房屋建筑、道路和桥梁等工程领域。然而混凝土长期暴露在外界环境中，其在荷载、冲击、温度变化和腐蚀介质的影响下可能出现裂缝、腐蚀和性能劣化等问题，甚至影响工程质量和安全［1］。目前常用的水泥基修补材料虽具有较高的抗压强度和抗变形能力，但其在形成强度时会释放大量的水化热，引发修补材料的干缩变形和开裂［2］。纤维、膨胀剂、活性氧化物等常被用作水泥基修补材料的改性剂，抑制其收缩变形，但这类材料稀缺且昂贵，限制了其广泛应用［3］。因此，研发一种新型的修补材料对公路桥梁工程混凝土裂缝修补至关重要。
环氧树脂是一种低聚材料，具有早期强度高、收缩变形小、粘结力强、耐久性优良等诸多优点［4］。基于这些优点，国内外学者开展了环氧树脂修补材料性能研究。刘佳杰［5］研究发现墩柱表面裂缝采用环氧树脂作为修补材料有明显的补强效果。程毅等［6］研究发现环氧树脂可以明显提高水泥砂浆的力学性能。Moetaz M.El-Hawary等［7］研究了在湿热环境下环氧改性混凝土的耐久性能，发现掺加环氧树脂可以有效提高混凝土的抗腐蚀能力。
综上所述，将环氧树脂作为公路桥梁混凝土裂缝修补材料具有诸多优点，但目前针对环氧树脂基修补材料配合比设计的研究仍较少。因此，本研究基于正交试验方法，研究水泥掺量、固化剂掺量、砂掺量因素对环氧树脂基修补材料性能的影响，并结合粘结性能试验对其修补效果进行分析。研究成果可为公路桥梁工程混凝土裂缝修补材料的应用推广提供技术支持。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
水泥为市售P.O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积和密度分别为341 m2/kg和3.10 kg/m3；
砂选用石灰岩机制砂；
环氧树脂产自中国石化公司的E44低黏度透明环氧树脂；
固化剂为乙二胺，稀释剂为环氧树脂专用稀释剂，均购自南宁蓝天实验设备有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 试件制备和养护
环氧树脂砂浆试样制备步骤为：按照设计配合比称量环氧树脂、水泥、机制砂、环氧树脂专用稀释剂和固化剂；
将环氧树脂、水泥和一半的机制砂倒入搅拌桶中，加入环氧树脂专用稀释剂搅拌1 min，期间再缓慢加入剩余的砂，使环氧树脂、粉料、骨料充分混合均匀，然后再加入相应比例的固化剂，继续采用搅拌机搅拌均匀，最后将搅拌完成的砂浆倒入100 mm×100 mm×100 mm的三联立方钢模中刮平成型。待试件硬化后拆模，并将其置于恒温室内进行养护（相对湿度≥65%，温度为20 ℃±2 ℃）。
1.2.2 抗压强度测试
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）规定，选用量程为2 000 kN的CXYAW-2000H万能试验机，每组取3个试样，加载速率选择0.8～1.0 MPa，尺寸换算系数0.95，以3个试件抗压强度的计算平均值作为该组试件的抗压强度。
1.2.3 粘结强度试验
粘结强度试验如下页图1所示，根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）制作水泥胶砂试块，并按规定进行养护。28 d后取出试件，并从中间将其锯断和打磨，制备光滑断面和粗糙断面两种试件；
然后将上述水泥胶砂分别装入模具，倒入新拌的环氧树脂砂浆，即可制得粘结强度测试试件。待环氧树脂砂浆固化6 h后脱模，24 h后进行抗折强度测试，记录折断荷载，计算粘结强度。
1.2.4 耐久性试验
文献［8］表明环氧树脂在热空气和湿热环境中会发生热氧化降解，其表面氧化层在应力作用下易开裂，使其强度降低。基于此，本研究选用热空气老化试验对环氧树脂砂浆的耐久性试验进行评价。制备40 mm×40 mm×160 mm的环氧树脂砂浆试件，分别置于105 ℃热空气、50 ℃和80 ℃的湿热环境中，老化时间为5 d，随后测试其抗折性能和抗压性能。
2 配合比设计
以水泥掺量、乙二胺掺量、砂掺量作为合成环氧树脂基修补砂浆的考察因素，选用L9（33）的正交表进行正交试验［9］，以无侧限抗压强度作为评价指标，每个因素3个水平（各水平见表1），以确定各因素对环氧树脂基修补砂浆性能的影响，同时为环氧树脂基修补砂浆配合比设计提供参考。正交试验设计如表2所示。
3 试验结果及分析
3.1 极差分析结果
为分析水泥掺量、固化剂掺量、砂掺量三因素对环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的敏感性，采用极差分析法对正交试验数据进行分析计算，结果如表3所示。
通常极差R的数值越大，对环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度试验结果的影响越大。由表3可知，环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的影响排序为：水泥掺量＞固化剂掺量＞砂掺量。各组环氧树脂基修补的砂浆无侧限抗压强度均＞100 MPa，由此可见，环氧树脂基修补具有较高的抗压强度，能够确保其在用于结构修补时获得优良的强度修补效果。在本研究考虑因素范围内，环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的最优水平为A1B2C3（正交试验编号2），即配合比组合为环氧树脂、稀释剂、水泥、固化剂和砂的比例为1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6。
3.2 因素水平影响分析
各因素各水平对无侧限抗压强度的影响趋势如下页图2所示。由图2可知，环氧树脂基修补砂浆的无侧限抗压强度与水泥用量之间存在着负相关性，即水泥掺量越高，强度指标越低。当水泥掺量为环氧树脂的1.2倍时，环氧树脂基修补砂浆在水泥因素下的无侧限抗压强度最优。分析认为，水泥的粒径最小，在环氧树脂基材料中，水泥几乎无水化反应，仅作为填料使用，起到增强环氧树脂基修补砂浆的密实性的作用。但水泥的比表面积小，用量过高时需要更多的环氧树脂才能将其包裹密实，否则材料内部的微小孔隙将会增多，材料内部的应力集中现象也相应增大，最终导致强度的劣化。对于固化剂掺量而言，环氧树脂基修补砂浆的无侧限抗压强度随固化剂掺量增加呈现先升高后降低趋势，即固化剂的掺量存在最佳值，在本研究中固化剂的掺量在为环氧树脂的0.1倍时最佳。这主要是由于当环氧树脂固化剂用量较低时，其不足以使环氧树脂完全固化，而固化剂用量过高则会导致体系反应速率过快，反应不均匀，同时也会使环氧树脂在固化后形成的固化膜变脆，韧性与强度下降。因此，在进行配合设计时，建议通过单因素试验确定固化剂最佳用量。对于砂掺量而言，环氧树脂基修补砂浆的无侧限抗压强度随着砂掺量的增大而增大，但当砂的比例达到环氧树脂的3.2倍后，其强度增长不明显，仅提高了0.3 MPa。分析认为，当砂的掺量增加时，粗粒含量增大，水泥用量则减小，即细颗粒含量减小，此时粉料和集料的总表面积也相应减小，包裹所需的环氧树脂也更少，能够有更多的环氧树脂形成高强度硬化体。当集料用量继续提高时，强度指标增长幅度虽较小，但对强度的发展仍是有利的，并且砂的价格较水泥更低，有利于降低生产成本。因此，在进行配合设计时，砂的掺量越高越好。
3.3 骨料级配对环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的影响
为了测试不同骨料对对环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的影响，基于正交试验测试结果所得的最优材料配合比，选择粒径为0.3～0.6 mm的单一级配的砂1组、粒径为2.36～4.75 mm的单一级配的砂2组和粒径为0.075～4.75 mm的连续级配的砂3组（正交试验编号2）进行对比分析，所得试验结果如图3所示。
由图3可知，砂的级配对环氧树脂基修补砂浆的无侧限抗压强度存在一定的不利影响。与采用连续级配的砂3组相比，砂粒径小且级配单一的砂1组无侧限抗压强度下降了6.3%，仅为106.9 MPa。分析可知，强度下降原因主要是由于砂1组所用砂的粒径较小，需要消耗更多的环氧树脂对其进行包裹，且粒径较小的砂在环氧树脂基修补砂浆内不能形成有效的骨架结构。对于粒径更大且级配单一的砂2组，其无侧限抗压强度与对照组基本一致，故可以认为粒径更大的砂对环氧树脂基修补砂浆的强度几乎没有影响。综上分析，砂的粒径也是影响环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的重要因素，而在最大粒径相同的情况下，砂的级配对环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度影响较小。
3.4 环氧树脂基修补砂浆粘结性能
3.4.1 环氧树脂基修补砂浆粘结界面的抗折强度
针对公路桥梁工程混凝土开裂的情况，传统的修补材料在运营过程中易出现干缩变形和开裂，因此修补材料的长期力学性能是作为混凝土裂缝修补材料的重要因素之一。本文采用粘结界面的抗折强度对环氧树脂基修补砂浆的粘结性能进行表征，其中环氧树脂基修补砂浆为正交试验最优组。图4即为原始胶砂和修补胶砂的抗折强度试验结果。
由图4可知，原始胶砂、光滑面修补胶砂和粗糙面修补胶砂的抗折强度分别为7.9 MPa、5.8 MPa和6.0 MPa。从抗折强度来看，修补后胶砂的抗折强度有较大的损失，但通过观察修复胶砂的长度方向面和折断破坏面的情况可以发现，环氧树脂基修补砂浆和原始胶砂的粘结界面未发生破坏，抗折试验时破坏的断裂处粘结依然完好无损。这一结果说明修补后胶砂界面的粘结强度高于原始胶砂，也进一步证实本研究环氧树脂基修补砂浆具有优良的粘结性能，能够保证修补后结构物的整体性。而抗折强度的降低可能是由于破坏界面的转移，使胶砂新的破坏界面处受到弯矩的作用，导致抗折强度较低。
3.4.2 环氧树脂基修补混凝土的抗压强度
修补前后的C40混凝土28 d无侧限抗压强度测试结果如图5所示。
由图5可知，原始混凝土试件和修补混凝土试件的无侧限抗压强度分别为54.3 MPa和64.6 MPa，经过修补后混凝土的无侧限抗压强度提高了10.3 MPa，强度提高幅度达到18.9%，表明采用环氧树脂基修补砂浆修补后胶砂混凝土的抗压强度得到了改善。这得益于环氧树脂基修补砂浆优良的粘结性能，能够和被修补结构形成整体，共同受力，且由于环氧树脂基修补砂浆超高的强度，修补后混凝土内部抵抗应力的能力更强，故强度得到一定的提高。
观察环氧树脂基修补砂浆修复后的混凝土试件破坏面情况可知，混凝土与环氧树脂基修补砂浆界面间的粘结程度较高，两者粘结紧密，这与前文试验结果一致，进一步表明环氧树脂基修补砂浆具有优良的修复效果。此外，在破坏面可以发现中心的环氧树脂基修补砂浆出现了裂缝，这说明经过修补后环氧树脂基修补砂浆和混凝土之间能够形成整体，共同抵抗荷载作用。
3.5 环氧树脂基砂浆热老化试验
热老化试验前后环氧树脂基修补砂浆试件力学性能的变化情况如图6所示。
由图6可知，经过热空气老化后的环氧树脂基修补砂浆的抗折强度有所下降，比未处理的环氧树脂基修补砂浆低了1.78 MPa，变化幅度约为5.8%；
而热空气老化后，环氧树脂基修补砂浆的抗压强度则提高了7.65 MPa，变化幅度约为7.0%。分析认为，高温作用下，环氧树脂的固化率进一步提高，进而提高了抗压强度，但高温下环氧树脂的脆性也会增大，故抗折强度有所下降。在50 ℃的湿热环境中，环氧树脂基修补砂浆的抗折强度和抗压强度变化不明显，仅分别提高了0.59 MPa和1.69 MPa，说明较低温度的湿热环境对环氧树脂修补砂浆性能是有利的。当温度提高至80 ℃时，环氧树脂基修补砂浆的抗折强度和抗压强度均有所下降，分别降低了1.86 MPa和0.76 MPa。从数值来看，高温湿热环境对环氧树脂修补砂浆的抗折强度影响较大，对抗压强度影响则较小。综上分析，热空气对环氧树脂基修补砂浆的耐久性能的影响较小。这表明在实际工程中，环氧树脂基修补砂浆性能几乎不受影响，并且在极端湿热环境中，其性能劣化也较小。因此，在常见的50 ℃湿热环境中（如桥面结构）中，本研究的环氧树脂基修补砂浆具有较为优良的耐久性能。
4 结语
本文采用正交试验方法对环氧树脂基修补砂浆强度的配合比设计进行了探讨，确定了影响环氧树脂基修补砂浆强度的影响因素及其影响程度，进一步通过粘结性能分析了环氧树脂基修补砂浆的修补效果，主要得出以下结论：
（1）正交试验结果表明，影响环氧树脂基修补砂浆无侧限抗压强度的因素排序为：水泥掺量＞固化剂掺量＞砂掺量。水泥掺量越高，环氧树脂基修补砂浆的强度越低，而砂掺量越高强度越高，固化剂掺量则存在一个最佳值。建议采用的环氧树脂基修补砂浆配合比为环氧树脂∶稀释剂∶水泥∶固化剂∶砂为1∶0.1∶1.2∶0.1∶3.6。
（2）粘结性能试验结果表明，修补砂浆抗折试件粘结界面未发生破坏，表明环氧树脂修补砂浆具有优良的粘结强度，但因破坏界面的转移，胶砂受到额外弯矩的作用，导致抗折强度降低。此外，环氧树脂基修补砂浆还可以改善混凝土的抗压强度，增幅高达18.9%。
（3）热空气对环氧树脂基修补砂浆的耐久性能有一定负面影响，但影响相对较小；
在常规的湿热环境中，环氧树脂基修补砂浆性能几乎不受影响，而在极端湿热环境中其性能劣化也较小。
参考文献
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作者简介：黄 燕（1976—），高级工程师，研究方向：道路工程、混凝土。
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