摘要：研究了以水性環(huán)氧樹脂為改性材料配置的聚丙烯纖維混凝土，測(cè)試了不同摻量水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉、抗折力學(xué)性能，進(jìn)行了水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)聚丙烯纖維的水泥附著性能試驗(yàn)和不同摻量下的水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)聚丙烯纖維混凝土阻裂效應(yīng)試驗(yàn)，并對(duì)水性環(huán)氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土后各項(xiàng)性能的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了探討。以番禺大石大橋橋面鋪裝為工程實(shí)例，介紹了水性環(huán)氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土的工程應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧樹脂；聚丙烯纖維；聚丙烯纖維混凝土
1．引言
水性環(huán)氧樹脂是把環(huán)氧樹脂以微粒或液滴的形式分散在以水為連續(xù)相的分散介質(zhì)中而配得的穩(wěn)定樹脂材料。其突出的優(yōu)點(diǎn)就是可在室溫和潮濕或過濕的環(huán)境中固化，能與水泥、石膏、混凝土等水性膠合物混合，提高其各種力學(xué)性能，增強(qiáng)粘結(jié)能力。聚丙烯纖維混凝土是指在普通混凝土內(nèi)摻入一定量聚丙烯纖維的水泥基復(fù)合材料，聚丙烯纖維用于混凝土中能抑制混凝土的塑性收縮微裂縫，提高混凝土的抗裂性能和防水性能。由于聚丙烯纖維具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿、耐老化，以及摻混工藝簡(jiǎn)單、摻量少、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在公路、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、港口碼頭等建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但是，聚丙烯纖維與水泥的相容性較差，水泥不易附在聚丙烯纖維的表面，這就減少了聚丙烯纖維的增強(qiáng)作用，另外混凝土的粘結(jié)能力不強(qiáng)，對(duì)聚丙烯纖維的握裹力不夠?；谶@種情況，在聚丙烯纖維混凝土中加入一定量的水性環(huán)氧樹脂，以增強(qiáng)聚丙烯纖維與水泥基之間的粘結(jié)力，由于水性環(huán)氧樹脂本身的特性，這種復(fù)合而成的高性能混凝土材料，具有比聚丙烯纖維混凝土更為優(yōu)良的抗拉、抗折、抗裂強(qiáng)度和防水性能。
2．試樣制備和實(shí)驗(yàn)方法
2.1 實(shí)驗(yàn)材料
(1) 水泥：廣州石井牌PO42.5普通硅酸鹽水泥；(2) 細(xì)骨料：河砂，最大粒徑5mm，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2.58g·cm-3，堆積密度1.48×103 kg·m-3；(3) 粗骨料：石灰?guī)r碎石，表觀密度2.98 g·cm-3，堆積密度1.54×103 kg·m-3，顆粒級(jí)配為5～20mm，連續(xù)級(jí)配；(4) 鋼纖維：武漢東州鋼纖維公司生產(chǎn)的冷拉切削異性鋼纖維，規(guī)格為0.5mm×0.7 mm×30 mm；(5) 水性環(huán)氧樹脂：廣州東風(fēng)化工廠生產(chǎn)；(6) 固化劑：DFG-88芳香族胺。
2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)備
按照《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法 CECS 13：89》進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的測(cè)試。立方體抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm；軸心抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×400mm；抗折強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×550mm。每種性能的測(cè)試所用試件均為3個(gè)。
立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的測(cè)試采用NYL-200D壓力試驗(yàn)機(jī)，最大噸位為2000KN，無錫建筑材料儀器廠生產(chǎn)；劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試采用UH-250型材料試驗(yàn)機(jī)，最大量程為250KN，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)；抗折強(qiáng)度的測(cè)試采用VFB型3000KN壓力機(jī)，上海試驗(yàn)機(jī)械制造廠生產(chǎn)。
2.3 配合比
選取一個(gè)SFRC配合比作為基準(zhǔn)配合比，改變水性環(huán)氧樹脂在SFRC中的摻入量進(jìn)行對(duì)比分析。由于水性環(huán)氧樹脂乳液與DFG-88芳香族胺固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，水性環(huán)氧樹脂乳液中的環(huán)氧樹脂被還原出來，其中的水也被離析出來，因此改性后的SFRC的水灰比應(yīng)嚴(yán)格控制，保持與原SFRC相同。根據(jù)含水量測(cè)定，水性環(huán)氧樹脂乳液中含水量為40％。基準(zhǔn)配合比為：水泥：砂：石：水：鋼纖維＝400kg：603kg：1225kg：172kg：118kg，水灰比w:c=0.43，砂率為33％，鋼纖維摻量為混凝土體積摻量的1.5％。水性環(huán)氧樹脂的摻量按水泥用量的10％～40％摻入，每5％遞增，DFG-88芳香族胺固化劑用量為水性環(huán)氧樹脂用量的25％。
3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)鋼纖維混凝土力學(xué)特性
對(duì)不同摻量的水性環(huán)氧樹脂鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，并與普通的鋼纖維混凝土進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表：
從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：
(1) 不同摻量水性環(huán)氧樹脂下的SFRC立方體抗壓和軸心抗壓28d齡期強(qiáng)度提高不大，提高幅度為20%～30%左右，但對(duì)早期強(qiáng)度有一定的提高，7d齡期強(qiáng)度可達(dá)到28d齡期強(qiáng)度75%左右。
(2) 加入水性環(huán)氧樹脂后的SFRC劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度有較大的提高，提高幅度為50%以上。
(3) 水性環(huán)氧樹脂的摻入量存在一個(gè)最佳摻入量的問題，10%～15%的水性環(huán)氧樹脂摻入量對(duì)SFRC各項(xiàng)力學(xué)性能影響不大，這是因?yàn)檫€原出來的環(huán)氧樹脂量不足以形成“結(jié)構(gòu)膠”的薄膜來粘結(jié)混凝土和鋼纖維的接觸面，二者之間的粘結(jié)力不夠，不能使二者很好地粘結(jié)在一起發(fā)揮出二者的強(qiáng)度；而水性環(huán)氧樹脂摻量過多即40%的摻入量時(shí)，混凝土粘性過大，和易性較差，同時(shí)鋼纖維之間易粘結(jié)成團(tuán)。
4．水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)鋼纖維混凝土力學(xué)性能機(jī)理分析
(1) 在鋼纖維混凝土中，由于其本身的缺陷，例如：混凝土的干縮，鋼纖維分散不均勻，在其強(qiáng)度發(fā)展過程中，會(huì)發(fā)生并遺留下許多微裂縫，這些微裂縫就成了SFRC破壞的根源。水性環(huán)氧樹脂的加入，將能有效地彌補(bǔ)這一缺陷，因?yàn)榧尤氲乃原h(huán)氧樹脂膠液填充在混凝土內(nèi)部的微裂縫之中，形成了網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)從而避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，增加了SFRC的抗?jié)B性能。
(2) 由于混凝土的抗拉性能較差，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂紋時(shí)，鋼纖維才參與受力，但是因?yàn)榛炷翆?duì)鋼纖維的握裹力不夠，導(dǎo)致SFRC受到拉伸破壞時(shí)鋼纖維并未達(dá)到其極限拉伸強(qiáng)度，而被整根拔出，而加入的水性環(huán)氧樹脂乳液中環(huán)氧樹脂被還原出來后，環(huán)氧樹脂在鋼纖維表面形成環(huán)氧樹脂膠膜，環(huán)氧樹脂中的環(huán)狀樹脂基中有電負(fù)性極強(qiáng)的氧原子能與鋼纖維中的外層自由電子形成次價(jià)鍵；另外DFG-88固化劑中含有一定量的表面活性劑－苯甲醇，它是一種親水性的物質(zhì)，分散在還原出來的水中，而這種表面活性劑與鋼纖維表面產(chǎn)生物理化學(xué)吸附，且吸附能力隨著水泥水化時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度的升高而增大。因此水性環(huán)氧樹脂的加入大大加強(qiáng)了混凝土與鋼纖維之間的粘結(jié)力，提高了SFRC的抗折和抗拉能力。
(3) 由于水的存在，混凝土中存在著不同孔徑的小孔，其分布范圍為0.0005µm～10µm，這些孔徑結(jié)構(gòu)、孔分布對(duì)混凝土的性質(zhì)有較大的影響。水性環(huán)氧樹脂加入SFRC后，混凝土中的孔徑分布變化較為明顯，大孔徑的數(shù)量減小了，而小孔徑數(shù)量有所增加，簡(jiǎn)而言之就是混凝土中的孔徑級(jí)配發(fā)生了變化。一般認(rèn)為，混凝土的力學(xué)性能不僅受孔隙率的影響，而且還受孔級(jí)配的影響?；炷林锌讖皆叫。炷猎矫軐?shí)，其表現(xiàn)出來的各種力學(xué)性能也越好。水性環(huán)氧樹脂摻入SFRC中發(fā)生孔結(jié)構(gòu)變化的原因是還原出來的環(huán)氧樹脂顆粒填充了水泥漿體的毛細(xì)孔和大孔，因?yàn)镾FRC在集料與水泥基體之間存在著過渡區(qū)，但過渡區(qū)結(jié)構(gòu)松散，與集料的粘結(jié)能力較弱，加入水性環(huán)氧樹脂后，不僅使得過渡區(qū)結(jié)構(gòu)密實(shí)，而且使得水泥漿體與骨料之間的聯(lián)接大大加強(qiáng)了，從而使得混凝土中的孔徑向著微孔(<10µm)方向移動(dòng)，因此加入水性環(huán)氧樹脂后的SFRC各項(xiàng)力學(xué)性能得到較大的提高。
5．工程實(shí)例
5.1 加固橋梁概述
番禺大石大橋位于番禺區(qū)大石鎮(zhèn)內(nèi)，橋全長(zhǎng)455.50m，主跨為2×38.2m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T型剛構(gòu)＋24.3m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支掛梁，引橋?yàn)?2跨25.0m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁。
橋面寬度：凈－9.0＋2×1.5m，設(shè)計(jì)荷載為汽－20、掛－100。該橋原采用普通混凝土鋪裝，設(shè)計(jì)厚度為6－10cm，實(shí)際平均厚度為5—7cm。整個(gè)橋面鋪裝采用連續(xù)鋪裝結(jié)構(gòu)，每80m為一組，全橋設(shè)六道伸縮縫，為了消除溫縮應(yīng)力，在橋面鋪裝層的表面進(jìn)行了切縫，縫間距為5m。由于超重載車頻繁在該橋通過，使得該橋處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，橋面鋪裝層出現(xiàn)了局部破損以及縱橫向裂縫，其中以橫向裂縫居多，橫向裂縫主要集中在梁端間的伸縮縫鋪裝層連接處，裂縫寬度最大達(dá)到2cm。
5.2 破壞原因分析
分析局部破損和兩種裂縫出現(xiàn)的位置，發(fā)現(xiàn)破壞部位均出現(xiàn)在負(fù)彎矩區(qū)，這實(shí)際上是橋面剛性結(jié)構(gòu)連接部位在荷載作用下，產(chǎn)生較大負(fù)彎矩的作用，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的結(jié)果。從結(jié)構(gòu)上分析，在縱向翼板之間及附近，大多數(shù)橫隔板在超載荷載的作用下，在翼板交界處出現(xiàn)過大的豎向變形，導(dǎo)致橋面鋪裝層受拉而拉裂；或者由于翼板之間出現(xiàn)相對(duì)豎向位移而被剪裂。出現(xiàn)橫向裂縫的梁端之間的伸縮縫鋪裝層連接處，主要是由于超載作用下，梁端出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起鋪裝層受拉而被拉裂。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在橋面鋪裝前，對(duì)橋面板的表面處理不夠徹底，造成橋面板與鋪裝層之間形成夾層，從而導(dǎo)致鋪裝層與橋面板的粘結(jié)力不足而脫離，使得橋面鋪裝層過早破壞。
5.3 加固方法
總的來說，番禺大石大橋橋面鋪裝層的損壞，是由于荷載作用下的應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度所致。因此，為了改善橋面的使用功能，延長(zhǎng)橋面鋪裝層的使用壽命，同時(shí)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果（水性環(huán)氧樹脂摻入SFRC后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度有較大的提高），番禺大石大橋橋面鋪裝層破損部位擬采用水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)鋼纖維混凝土。所用加鋪材料配合比為：
水性環(huán)氧樹脂乳液中含水量為40%，鋼纖維摻量為混凝土體積摻量的1.5%。
5.4 施工工藝
?。?）清除舊橋面鋪裝層破損部位留下的雜質(zhì)，主要是指鑿除橋面上松散的混凝土塊及膨脹物，還包括對(duì)橋面現(xiàn)澆層的一些表面微裂縫進(jìn)行處理，采用灌漿料對(duì)橋面現(xiàn)澆層的微裂縫進(jìn)行封填。
?。?）鑿除伸縮縫處的鋪裝層（具體尺寸見下圖）
（3）鑿除需處理的鋪裝層處的橋面混凝土現(xiàn)澆層2cm，露出新鮮的混凝土，在混凝土表面涂刷粘結(jié)膠1～2道。
?。?）澆注水性環(huán)氧樹脂改性鋼纖維混凝土鋪裝層，采用震搗板進(jìn)行震搗密實(shí)。
5．5 試驗(yàn)使用情況
番禺大石大橋橋面鋪裝層維修試驗(yàn)于2004年10月底完成，至今已經(jīng)超過1年半的時(shí)間。從目前的使用效果來看，修補(bǔ)后的鋪裝層完好無損，新舊鋪裝層之間未出現(xiàn)明顯裂縫，所出現(xiàn)的微裂縫均為初期養(yǎng)護(hù)及行車振動(dòng)而引起的。從跟蹤的觀測(cè)結(jié)果來看，這些微裂縫均保持穩(wěn)定，沒有發(fā)展的趨勢(shì)。
6．結(jié)論
本文研究了在鋼纖維混凝土中加入不同摻量的水性環(huán)氧樹脂后的各種力學(xué)性能，并對(duì)水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)SFRC力學(xué)性能機(jī)理進(jìn)行了分析。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，并經(jīng)過橋梁加鋪層修補(bǔ)的實(shí)際使用，作者認(rèn)為水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)SFRC各項(xiàng)力學(xué)性能有以下幾個(gè)結(jié)論：
(1) 水性環(huán)氧樹脂摻入SFRC后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度有較大的提高，但是立方體抗壓和軸心抗壓強(qiáng)度增加不是很大。
(2) 水性環(huán)氧樹脂對(duì)SFRC改性，存在一個(gè)水性環(huán)氧樹脂最佳摻量的問題，并不是摻量越多越好，因?yàn)閺慕?jīng)濟(jì)上來說，水性環(huán)氧樹脂摻量越多，成本越高，這在工程上的廣泛應(yīng)用是不可取的；從施工角度上說，水性環(huán)氧樹脂摻量越多，還原出來的環(huán)氧樹脂量也越多，整個(gè)混凝土的粘性也越大，施工操作也越困難。
(3) 水性環(huán)氧樹脂對(duì)SFRC各種力學(xué)性能的早期強(qiáng)度有較大的提高，一般7d齡期強(qiáng)度可達(dá)到28d齡期強(qiáng)度的75%左右。
(4) 水性環(huán)氧樹脂的粘結(jié)能力強(qiáng)，能使鋼纖維和混凝土之間更好的粘結(jié)在一起，充分發(fā)揮二者的極限強(qiáng)度。
(5) 由于水性環(huán)氧樹脂是一種親水性的聚合物，其滲透能力強(qiáng)，能盡可能減少混凝土中的水泥基在水化過程中出現(xiàn)的裂縫等孔隙，增加了混凝土的密實(shí)性。
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