摘要：研究了以水性環氧樹脂為改性材料配置的聚丙烯纖維混凝土，測試了不同摻量水性環氧樹脂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不同摻量下的水性環氧樹脂增強聚丙烯纖維混凝土阻裂效應試驗，并對水性環氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土后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為工程實例，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；聚丙烯纖維混凝土
1．引言
水性環氧樹脂是把環氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續相的分散介質中而配得的穩定樹脂材料。其突出的優點就是可在室溫和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。聚丙烯纖維混凝土是指在普通混凝土內摻入一定量聚丙烯纖維的水泥基復合材料，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性能穩定、耐酸堿、耐老化，以及摻混工藝簡單、摻量少、價格低等優點，在公路、橋梁、機場跑道、港口碼頭等建筑工程中得到了廣泛的應用，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作用，另外混凝土的粘結能力不強，對聚丙烯纖維的握裹力不夠。基于這種情況，在聚丙烯纖維混凝土中加入一定量的水性環氧樹脂，以增強聚丙烯纖維與水泥基之間的粘結力，由于水性環氧樹脂本身的特性，這種復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良的抗拉、抗折、抗裂強度和防水性能。
2．試樣制備和實驗方法
2.1 實驗材料
(1) 水泥：廣州石井牌PO42.5普通硅酸鹽水泥；(2) 細骨料：河砂，最大粒徑5mm，細度模數2.5，表觀密度2.58g·cm-3，堆積密度1.48×103 kg·m-3；(3) 粗骨料：石灰巖碎石，表觀密度2.98 g·cm-3，堆積密度1.54×103 kg·m-3，顆粒級配為5～20mm，連續級配；(4) 鋼纖維：武漢東州鋼纖維公司生產的冷拉切削異性鋼纖維，規格為0.5mm×0.7 mm×30 mm；(5) 水性環氧樹脂：廣州東風化工廠生產；(6) 固化劑：DFG-88芳香族胺。
2.2 實驗內容與設備
按照《鋼纖維混凝土試驗方法 CECS 13：89》進行立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度、抗折強度的測試。立方體抗壓和劈裂抗拉強度試件尺寸為150mm×150mm×150mm；軸心抗壓強度試件尺寸為100mm×100mm×400mm；抗折強度試件尺寸為150mm×150mm×550mm。每種性能的測試所用試件均為3個。
立方體抗壓強度和軸心抗壓強度的測試采用NYL-200D壓力試驗機，最大噸位為2000KN，無錫建筑材料儀器廠生產；劈裂抗拉強度的測試采用UH-250型材料試驗機，最大量程為250KN，濟南試驗機廠生產；抗折強度的測試采用VFB型3000KN壓力機，上海試驗機械制造廠生產。
2.3 配合比
選取一個SFRC配合比作為基準配合比，改變水性環氧樹脂在SFRC中的摻入量進行對比分析。由于水性環氧樹脂乳液與DFG-88芳香族胺固化劑發生化學反應后，水性環氧樹脂乳液中的環氧樹脂被還原出來，其中的水也被離析出來，因此改性后的SFRC的水灰比應嚴格控制，保持與原SFRC相同。根據含水量測定，水性環氧樹脂乳液中含水量為40％?；鶞逝浜媳葹椋核啵荷埃菏核轰摾w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氧樹脂用量的25％。
3．實驗結果及分析
3.1 水性環氧樹脂增強鋼纖維混凝土力學特性
對不同摻量的水性環氧樹脂鋼纖維混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度進行了測試，并與普通的鋼纖維混凝土進行了比較，實驗結果見下表：
從上述實驗結果可以看出：
(1) 不同摻量水性環氧樹脂下的SFRC立方體抗壓和軸心抗壓28d齡期強度提高不大，提高幅度為20%～30%左右，但對早期強度有一定的提高，7d齡期強度可達到28d齡期強度75%左右。
(2) 加入水性環氧樹脂后的SFRC劈裂抗拉和抗折強度有較大的提高，提高幅度為50%以上。
(3) 水性環氧樹脂的摻入量存在一個最佳摻入量的問題，10%～15%的水性環氧樹脂摻入量對SFRC各項力學性能影響不大，這是因為還原出來的環氧樹脂量不足以形成“結構膠”的薄膜來粘結混凝土和鋼纖維的接觸面，二者之間的粘結力不夠，不能使二者很好地粘結在一起發揮出二者的強度；而水性環氧樹脂摻量過多即40%的摻入量時，混凝土粘性過大，和易性較差，同時鋼纖維之間易粘結成團。
4．水性環氧樹脂增強鋼纖維混凝土力學性能機理分析
(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，在其強度發展過程中，會發生并遺留下許多微裂縫，這些微裂縫就成了SFRC破壞的根源。水性環氧樹脂的加入，將能有效地彌補這一缺陷，因為加入的水性環氧樹脂膠液填充在混凝土內部的微裂縫之中，形成了網狀的結構從而避免了應力集中現象的出現，增加了SFRC的抗滲性能。
(2) 由于混凝土的抗拉性能較差，當混凝土出現裂紋時，鋼纖維才參與受力，但是因為混凝土對鋼纖維的握裹力不夠，導致SFRC受到拉伸破壞時鋼纖維并未達到其極限拉伸強度，而被整根拔出，而加入的水性環氧樹脂乳液中環氧樹脂被還原出來后，環氧樹脂在鋼纖維表面形成環氧樹脂膠膜，環氧樹脂中的環狀樹脂基中有電負性極強的氧原子能與鋼纖維中的外層自由電子形成次價鍵；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，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生物理化學吸附，且吸附能力隨著水泥水化時產生的熱量導致混凝土內部溫度的升高而增大。因此水性環氧樹脂的加入大大加強了混凝土與鋼纖維之間的粘結力，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，這些孔徑結構、孔分布對混凝土的性質有較大的影響。水性環氧樹脂加入SFRC后，混凝土中的孔徑分布變化較為明顯，大孔徑的數量減小了，而小孔徑數量有所增加，簡而言之就是混凝土中的孔徑級配發生了變化。一般認為，混凝土的力學性能不僅受孔隙率的影響，而且還受孔級配的影響?；炷林锌讖皆叫。炷猎矫軐?，其表現出來的各種力學性能也越好。水性環氧樹脂摻入SFRC中發生孔結構變化的原因是還原出來的環氧樹脂顆粒填充了水泥漿體的毛細孔和大孔，因為SFRC在集料與水泥基體之間存在著過渡區，但過渡區結構松散，與集料的粘結能力較弱，加入水性環氧樹脂后，不僅使得過渡區結構密實，而且使得水泥漿體與骨料之間的聯接大大加強了，從而使得混凝土中的孔徑向著微孔(<10µm)方向移動，因此加入水性環氧樹脂后的SFRC各項力學性能得到較大的提高。
5．工程實例
5.1 加固橋梁概述
番禺大石大橋位于番禺區大石鎮內，橋全長455.50m，主跨為2×38.2m預應力鋼筋混凝土T型剛構＋24.3m預應力鋼筋混凝土簡支掛梁，引橋為12跨25.0m預應力鋼筋混凝土簡支T梁。
橋面寬度：凈－9.0＋2×1.5m，設計荷載為汽－20、掛－100。該橋原采用普通混凝土鋪裝，設計厚度為6－10cm，實際平均厚度為5—7cm。整個橋面鋪裝采用連續鋪裝結構，每80m為一組，全橋設六道伸縮縫，為了消除溫縮應力，在橋面鋪裝層的表面進行了切縫，縫間距為5m。由于超重載車頻繁在該橋通過，使得該橋處于超負荷工作狀態，橋面鋪裝層出現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，裂縫寬度最大達到2cm。
5.2 破壞原因分析
分析局部破損和兩種裂縫出現的位置，發現破壞部位均出現在負彎矩區，這實際上是橋面剛性結構連接部位在荷載作用下，產生較大負彎矩的作用，由此產生的拉應力超過混凝土抗拉強度的結果。從結構上分析，在縱向翼板之間及附近，大多數橫隔板在超載荷載的作用下，在翼板交界處出現過大的豎向變形，導致橋面鋪裝層受拉而拉裂；或者由于翼板之間出現相對豎向位移而被剪裂。出現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，梁端出現轉動，引起鋪裝層受拉而被拉裂。同時發現，在橋面鋪裝前，對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，從而導致鋪裝層與橋面板的粘結力不足而脫離，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力超過材料的抗拉強度所致。因此，為了改善橋面的使用功能，延長橋面鋪裝層的使用壽命，同時根據室內試驗結果（水性環氧樹脂摻入SFRC后，混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度有較大的提高），番禺大石大橋橋面鋪裝層破損部位擬采用水性環氧樹脂增強鋼纖維混凝土。所用加鋪材料配合比為：
水性環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，主要是指鑿除橋面上松散的混凝土塊及膨脹物，還包括對橋面現澆層的一些表面微裂縫進行處理，采用灌漿料對橋面現澆層的微裂縫進行封填。
（2）鑿除伸縮縫處的鋪裝層（具體尺寸見下圖）
?。?）鑿除需處理的鋪裝層處的橋面混凝土現澆層2cm，露出新鮮的混凝土，在混凝土表面涂刷粘結膠1～2道。
?。?）澆注水性環氧樹脂改性鋼纖維混凝土鋪裝層，采用震搗板進行震搗密實。
5．5 試驗使用情況
番禺大石大橋橋面鋪裝層維修試驗于2004年10月底完成，至今已經超過1年半的時間。從目前的使用效果來看，修補后的鋪裝層完好無損，新舊鋪裝層之間未出現明顯裂縫，所出現的微裂縫均為初期養護及行車振動而引起的。從跟蹤的觀測結果來看，這些微裂縫均保持穩定，沒有發展的趨勢。
6．結論
本文研究了在鋼纖維混凝土中加入不同摻量的水性環氧樹脂后的各種力學性能，并對水性環氧樹脂增強SFRC力學性能機理進行了分析。通過實驗和理論分析，并經過橋梁加鋪層修補的實際使用，作者認為水性環氧樹脂增強SFRC各項力學性能有以下幾個結論：
(1) 水性環氧樹脂摻入SFRC后，混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度有較大的提高，但是立方體抗壓和軸心抗壓強度增加不是很大。
(2) 水性環氧樹脂對SFRC改性，存在一個水性環氧樹脂最佳摻量的問題，并不是摻量越多越好，因為從經濟上來說，水性環氧樹脂摻量越多，成本越高，這在工程上的廣泛應用是不可取的；從施工角度上說，水性環氧樹脂摻量越多，還原出來的環氧樹脂量也越多，整個混凝土的粘性也越大，施工操作也越困難。
(3) 水性環氧樹脂對SFRC各種力學性能的早期強度有較大的提高，一般7d齡期強度可達到28d齡期強度的75%左右。
(4) 水性環氧樹脂的粘結能力強，能使鋼纖維和混凝土之間更好的粘結在一起，充分發揮二者的極限強度。
(5) 由于水性環氧樹脂是一種親水性的聚合物，其滲透能力強，能盡可能減少混凝土中的水泥基在水化過程中出現的裂縫等孔隙，增加了混凝土的密實性。
參考文獻：
[1] 高堅新，陸大坪，張洪良.聚合物鋼纖維混凝土研究 [A].見：李士恩，楊朝禮，主編. 全國第五界纖維水泥與纖維混凝土學術會議論文集 [C].廣州：廣東科技出版社，1994.194—197.
[2] 趙國藩，彭少民，黃承逵.鋼纖維混凝土結構[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.67—77
[3] 嚴家及.道路建筑材料（第三版）[M].北京：人民交通出版社，1996.186—189.
[4] 羅立峰，周建春，黃培彥.聚合物鋼纖維混凝土的增強機理分析.復合材料學報，2002-6
[5] 焦楚杰，孫偉，高培正，周云.鋼纖維混凝土力學性能試驗研究.廣州大學學報，2005-8
[6] 程世琪.聚合物鋼纖維混凝土的研究.安徽建筑.2002-3
