摘要：以改性水性環氧樹脂配置聚丙烯纖維混凝土，測試不同水性環氧樹脂摻量的聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉、抗折力學性能，進行了水性環氧樹脂增強聚丙烯纖維的水泥附著性能試驗和水性環氧樹脂的不同摻量下增強聚丙烯纖維混凝土阻裂、抗滲性能效應試驗，并對水性環氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土中后對各項性能的增強機理進行了探討。以番禺大石大橋橋面鋪
裝工程為例，介紹了水性環氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土的工程應用。
關鍵詞：水性環氧樹脂；聚丙烯纖維；混凝土
中圖分類號：TU57+8.12；TU528.572 文獻標識碼：B 文章編號：1001- 702X（2006）11- 0060- 04
0 引言
水性環氧樹脂突出的優點是可在室溫、潮濕或過濕的環境中固化，能與水泥、石膏、混凝土等水性膠合物混合，提高其各種力學性能，增強粘結能力。在普通混凝土內摻入一定量聚丙烯纖維能抑制混凝土的塑性收縮微裂縫，提高混凝土的抗裂和防水性能。由于聚丙烯纖維具有化學性能穩定、耐酸堿，以及摻混工藝簡單、摻量少、價格較低等優點，在公路、橋梁、機場跑道、港口碼頭等工程中得到了廣泛的應用。但是，未經處理的聚丙烯纖維與水泥的相容性較差，水泥不易粘附在聚丙烯纖維表面，影響聚丙烯纖維與水泥的握裹力和增強作用。
基于這些因素，加入一定量的水性環氧樹脂，改善纖維與水泥的表面親合性，以增強聚丙烯纖維與水泥基之間的粘結力。使這種復合水性環氧樹脂聚丙烯纖維混凝土具有更為優良的抗拉、抗折強度和抗裂、防水性能。
1 水性環氧樹脂對聚丙烯纖維混凝土力學性能影響的試驗
1.1 試驗材料
水泥：廣州石井牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；細骨料：河砂，最大粒徑5 mm，細度模數2.5，表觀密度2.58 g/cm3，堆積密度1480 kg/cm3；粗骨料：石灰巖碎石，表觀密度2.98 g/cm3，堆積密度1540 kg/cm3，顆粒級配為5～20 mm，連續級配；聚丙烯纖維：美國杜拉纖維，密度0.91 g/cm3,長度20 mm；水性環氧樹脂：廣州東風化工廠生產；固化劑：DFG—88 芳香族胺類固化劑，用量為水性環氧樹脂用量的25%。
1.2 試驗方法及試驗設備
按照CECS 13：89 《纖維混凝土試驗方法》進行劈裂抗拉、抗折強度的測試。劈裂抗拉強度試件尺寸為150 mm×150mm×150 mm；抗折強度試件尺寸為150 mm×150 mm×550mm。每種性能測試所用試件均為3 個。
劈裂抗拉強度的測試采用濟南試驗機廠生產的UH- 250型材料試驗機；抗折強度的測試采用上海試驗機械制造廠的VFB 型3000 kN 壓力機。
1.3 配合比
選取一個聚丙烯纖維混凝土配合比作為基準配合比，改變水性環氧樹脂在聚丙烯纖維混凝土中的摻入量進行對比分析。水性環氧樹脂是一種水分散型的高分子聚合物乳液，根據測定，水性環氧樹脂乳液中含水量為40%。因此，經水性環氧樹脂改性后的聚丙烯纖維混凝土與基準混凝土的各項性能對比試驗中，對改性后的聚丙烯纖維混凝土的水灰比應嚴格控制，以保持與原聚丙烯纖維混凝土各項試驗中水灰比的一致。基準配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纖維）=400∶603∶1225 ∶172∶0.9 ，水灰比W/C=0.43，砂率為33%，
聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3。水性環氧樹脂摻量按水泥用量的5%～25%摻入，每5%遞增，水性胺類固化劑用量為水性環氧樹脂用量的25%。
1.4 試驗結果與分析
對水性環氧樹脂的摻量對聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度的影響進行了測試，并與普通聚丙烯纖維混凝土進行比較，試驗結果見表1。從表1 試驗結果得出：
（1）由于水性環氧樹脂與水性胺類固化劑發生化學反應后，生成的樹脂固化物具有很強的內聚力和粘結力，在水泥漿、骨料與聚丙烯纖維三者之間形成具有較高粘結力的膜，在與水泥水化時，水化產物與聚合物膜相互交織在一起形成互穿網絡結構，使得聚丙烯纖維更緊密地吸附在混凝土的骨料和水泥基的表面。因此，摻入水性環氧樹脂改性后的聚丙烯纖1 水性環氧樹脂對聚丙烯纖維混凝土力學性能影響的試驗
1.1 試驗材料
水泥：廣州石井牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；細骨料：河砂，最大粒徑5 mm，細度模數2.5，表觀密度2.58 g/cm3，堆積密度1480 kg/cm3；粗骨料：石灰巖碎石，表觀密度2.98 g/cm3，堆積密度1540 kg/cm3，顆粒級配為5～20 mm，連續級配；聚丙烯纖維：美國杜拉纖維，密度0.91 g/cm3,長度20 mm；水性環氧樹脂：廣州東風化工廠生產；固化劑：DFG—88 芳香族胺類固化劑，用量為水性環氧樹脂用量的25%。
1.2 試驗方法及試驗設備
按照CECS 13：89 《纖維混凝土試驗方法》進行劈裂抗拉、抗折強度的測試。劈裂抗拉強度試件尺寸為150 mm×150mm×150 mm；抗折強度試件尺寸為150 mm×150 mm×550mm。每種性能測試所用試件均為3 個。
劈裂抗拉強度的測試采用濟南試驗機廠生產的UH- 250型材料試驗機；抗折強度的測試采用上海試驗機械制造廠的VFB 型3000 kN 壓力機。
1.3 配合比
選取一個聚丙烯纖維混凝土配合比作為基準配合比，改變水性環氧樹脂在聚丙烯纖維混凝土中的摻入量進行對比分析。水性環氧樹脂是一種水分散型的高分子聚合物乳液，根據測定，水性環氧樹脂乳液中含水量為40%。因此，經水性環氧樹脂改性后的聚丙烯纖維混凝土與基準混凝土的各項性能對比試驗中，對改性后的聚丙烯纖維混凝土的水灰比應嚴格控制，以保持與原聚丙烯纖維混凝土各項試驗中水灰比的一致。
基準配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纖維）=400∶603∶1225 ∶172∶0.9 ，水灰比W/C=0.43，砂率為33%，聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3。水性環氧樹脂摻量按水泥用量的5%～25%摻入，每5%遞增，水性胺類固化劑用量為水性環氧樹脂用量的25%。
1.4 試驗結果與分析
對水性環氧樹脂的摻量對聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度的影響進行了測試，并與普通聚丙烯纖維混凝土進行比較，試驗結果見表1。從表1 試驗結果得出：
（1）由于水性環氧樹脂與水性胺類固化劑發生化學反應后，生成的樹脂固化物具有很強的內聚力和粘結力，在水泥漿、骨料與聚丙烯纖維三者之間形成具有較高粘結力的膜，在與水泥水化時，水化產物與聚合物膜相互交織在一起形成互穿網絡結構，使得聚丙烯纖維更緊密地吸附在混凝土的骨料和水泥基的表面。因此，摻入水性環氧樹脂改性后的聚丙烯纖
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（2）摻入水性環氧樹脂15%～20%的聚丙烯纖維混凝土，成本增加較少，其各項力學性能提高較大，粘結性適當，便于施工操作。
2 水性環氧樹脂增強聚丙烯纖維水泥附著性能試驗
為了評估水性環氧樹脂改性聚丙烯纖維后的粘結性效果，進行水泥對聚丙烯纖維附著性大小的對比試驗[1]。第Ⅰ組：長度為20 mm 聚丙烯纖維；第Ⅱ組：將長度為20 mm 的聚丙烯纖維摻入以100 份水性環氧樹脂+25 份固化劑混合攪拌制成的水性環氧樹脂乳液中，浸泡3 min；再將第Ⅰ組和第Ⅱ組纖維材料分別摻入水灰比為0.5 的水泥凈漿中，攪拌2 min，靜止放置10 min，然后用鑷子夾住聚丙烯纖維一端將纖維取出，滴干水，用濾紙吸干附著在纖維末端的水分，稱量，計算纖維吸附水泥的量。每組纖維試樣測試10 個數據，將測試結果中的最大值和最小值去掉，得出水性環氧樹脂乳液對聚丙烯纖維改性后，其纖維表面的水泥附著性吸附量的統計平均值：第Ⅰ組為311.2 mg/20 mm；第Ⅱ組為420.5 mg/20 mm。
試驗可知，水性環氧樹脂改性后的聚丙烯纖維的水泥吸附量提高了35%。這是由于經過水性環氧樹脂乳液浸泡的聚丙烯纖維表面帶有羧酸根離子（—COO-），在堿性環境下與水泥水化產生的大量Ca2+發生化學反應，使得聚丙烯纖維的水泥附著性能增強。
3 水性環氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土后阻裂效應試驗研究
3.1 混凝土塑性裂縫機理[2- 3]
混凝土在成型之初由于內部的水分遷移至表面，其內部存在較多的原生微裂縫。在混凝土終凝前后，混凝土逐漸失去塑性, 但強度尚未發展，而混凝土表面水分蒸發的結果可能造成混凝土表面細微原生裂縫擴展成宏觀裂縫。由于這種裂縫是混凝土在塑性期失水形成的，所以被稱為塑性裂縫。混凝土塑性裂縫的形狀是不規則、無取向性的，最易發生在混凝土澆注后的3～4 h。
3.2 試驗方法
以文獻[4]推薦的方法，自行設計制作了用于測定纖維混凝土塑性開裂試驗的裝置，裝置的外形尺寸：高100 mm，長600 mm，寬400 mm，中間突起部位高80 mm，兩端突起部位高40 mm。試驗原理：新攪拌的混凝土倒入該裝置后，裝置兩端突起部位用于限制混凝土的自由收縮，由于混凝土在裝置中間部位的厚度相對較小（20 mm），塑性收縮的結果將使新拌混凝土沿裝置中線發生塑性裂縫（如圖1 所示）。通過測量中線處塑性裂縫的寬度來評價水性環氧樹脂增強后的聚丙烯纖維混凝土的阻裂效應。
試驗：將摻入一定量水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土倒入圖1 所示裝置中，用刮刀將表面抹平，進行吹風試驗，在相對干燥（相對濕度40%）和高溫（35 ℃）的條件下，觀測干縮270 min 后，水性環氧樹脂不同摻量的聚丙烯纖維混凝土塑性裂縫寬度變化。
3.3 試驗結果
在上述試驗條件下，水性環氧樹脂的不同摻量對聚丙烯纖維混凝土塑性裂縫寬度影響的試驗結果，見圖2。
3.4 試驗結果分析
由圖2 可見，摻入水性環氧樹脂能顯著降低聚丙烯纖維混凝土塑性裂縫寬度，并且阻裂效應隨著水性環氧樹脂摻量的增大而增強，也因此提高了纖維混凝土的防裂、抗滲性能。從性價比、施工操作和阻裂效果等幾方面評價，水性環氧樹脂摻量為15%～20%為最佳。
由于混凝土中的水性環氧乳液隨著水分的蒸發，能迅速填補混凝土表面因水分蒸發產生的微裂縫；水性環氧乳液和聚丙烯纖維混凝土一起均勻攪拌，水性環氧乳液被均勻地分散于混凝土中，并填補因聚丙烯纖維分布不均而造成混凝土內部產生的裂縫，加強聚丙烯纖維之間的粘聚力；使得改性后的聚丙烯纖維混凝土內部形成一個網狀的結構，避免由于聚丙烯纖維分布不均造成的應力集中現象。
4 摻水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土抗滲性能試驗
4.1 試驗原理
該試驗根據GBJ 82—1985《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》實施，試驗所用材料種類、混凝土配合比以及水性環氧樹脂摻量與力學性能試驗相同，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試驗齡期為28 d。試驗采用HS- 4B 型混凝土滲透儀，其加壓范圍為0～4 MPa，每次試驗安裝1 組試件（6個），試驗時由初始的0.1MPa 開始加壓，加壓持續8 h，如未發現試件出現透水或透水試件總數不超過3 個時，試驗壓力遞增0.1MPa，依次類推，直至透水試件超過3 個時試驗結束。
4.2 試驗結果（見表2）
4.3 試驗結論
表2 結果表明，在聚丙烯纖維混凝土中摻入水性環氧樹脂，可大幅度提高混凝土的抗滲性能，而且隨著水性環氧樹脂摻量的增大，聚丙烯纖維混凝土的抗滲性能也隨之提高，不僅抗滲時間大幅度增加，而且耐水壓力也大幅度提高。
在試驗中對未產生透水現象的試件剖開對比發現，尚未完全透水的未摻水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土試件透水高度均達到了120 mm，而摻入水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土試件透水高度為60~90 mm，且水性環氧樹脂摻量越大，透水高度越低。從性價比、施工操作和抗滲性能等幾方面考慮，水性環氧樹脂摻量在15%～20%為最佳摻量。
5 工程應用
5.1 工程概況
番禺大石大橋位于番禺區大石鎮內，橋全長455.50 m，主跨為2×38.2 m預應力鋼筋混凝土T 型剛構+24.3 m 預應力鋼筋混凝土簡支掛梁；引橋為12 跨，每跨25.0 m 預應力鋼筋混凝土簡支T 梁。
該橋原采用的是普通混凝土與改性瀝青混凝土上下2 層的加鋪層。在對該橋進行加固期間，發現箱梁內有多處滲漏水，主要以頂板、腹板漏水為主，從橋面也可以觀察到多處開裂。這表明橋面在多種因素的影響下，其防水能力已明顯降低或局部失效。如果大量滲漏水積存在箱梁內，將加速內部預應力鋼筋及普通鋼筋的銹蝕，影響橋梁結構耐久性，這將成為該橋的安全隱患，因此，需對箱梁部分橋面鋪裝層進行防裂、防水處理。
5.2 加固方法
根據各項試驗結果，對番禺大石大橋箱梁部位的橋面鋪裝層，擬采用摻入一定量水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土鋪裝。具體加固結構形式為：摻有水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土防水層+AC- 20Ⅰ改性瀝青混凝土面層。摻有水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土的材料配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纖維）∶m（水性環氧樹脂）∶m（固化劑）=400∶603∶1225∶125∶0.9∶80∶20，水灰比W/C=0.43，砂率33%。
5.3 施工工藝
（1）鑿除箱梁部位的橋面原有加鋪層，并清除舊橋面鋪裝層破損后留下的雜質。對箱梁頂部的裂縫進行處理，用灌漿料對裂縫進行壓力灌縫。
（2）按確定配合比進行配料，先將水性環氧樹脂與固化劑倒入容器中，攪拌制成乳液，摻入聚丙烯纖維浸泡10～15min。
（3）按配比將水泥、砂混合，再加入浸泡后的纖維一起拌合，然后該混合物與水性環氧乳液投入攪拌機與石料一起攪拌制成混凝土。
（4）澆注摻有水性環氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土，采用震搗板進行震搗密實。
5.4 使用情況
番禺大石大橋橋面鋪裝層維修于2004 年10 月底完成，至今已2 年時間。從目前的使用效果看，修補后的鋪裝層完好無損，箱梁內未發現有滲漏水現象。新鋪的鋪裝層表面未出現明顯裂縫，所出現的微裂縫均為初期養護及行車振動后引起。從跟蹤的觀測結果看，這些微裂縫均保持穩定，沒有擴展。
6 結語
（1）水性環氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土后，混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度抗裂和抗滲性能有一定的提高。
（2）聚丙烯纖維混凝土中摻入一定量的水性環氧樹脂，混凝土的抗裂和抗滲性能有明顯的提高
（3）隨著水性環氧樹脂摻入量增加，聚丙烯纖維混凝土各項力學性能均有提高，但從經濟考慮，水性環氧樹脂摻量越多，成本越高，不利于工程的廣泛應用；從施工角度考慮，水性環氧樹脂摻量越多，混凝土的粘性也越大，施工操作也越困難。因此，水性環氧樹脂在纖維混凝土中應用存在一個最佳摻量問題，本試驗中水生環氧樹脂最佳摻量為15%～20%。
參考文獻:
[1] 黃承亞，龔克成，李紅.改性聚丙烯纖維水泥基復合材料力學性能研究.混凝土與水泥制品，2001（12）：40- 42.
[2] 戴建國，黃承逵.網狀聚丙烯纖維混凝土的試驗研究.混凝土與水泥制品，1999（4）：35- 38.
[3] 劉蘭強，曹誠.聚丙烯纖維在混凝土中的阻裂效應研究.公路，2000（6）：39- 42.
[4] 朱江.聚丙烯纖維混凝土的防水性能及其應用.新型建筑材料，2002（2）：38- 39.
