發(fā)布時間：2022-01-07所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：從分析混凝土建筑材料裂縫的成因出發(fā)，以丁腈橡膠改性、丙烯酸酯橡膠改性、聚氨酯改性、聚醚胺改性和結(jié)構(gòu)改性等幾個方面綜述了高彈性環(huán)氧樹脂基裂縫修補(bǔ)材料及其相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展。研究表明，高彈性、耐老化和耐濕熱是未來環(huán)氧基裂縫修補(bǔ)材料的主要發(fā)展方向。
摘要：從分析混凝土建筑材料裂縫的成因出發(fā)，以丁腈橡膠改性、丙烯酸酯橡膠改性、聚氨酯改性、聚醚胺改性和結(jié)構(gòu)改性等幾個方面綜述了高彈性環(huán)氧樹脂基裂縫修補(bǔ)材料及其相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展。研究表明，高彈性、耐老化和耐濕熱是未來環(huán)氧基裂縫修補(bǔ)材料的主要發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂;裂縫修補(bǔ)材料;高彈性;耐濕熱
混凝土作為重要的建筑材料已經(jīng)發(fā)展和使用了一百多年，是使用相對最為廣泛的工程結(jié)構(gòu)材料之一。由于社會需求的提高，混凝土經(jīng)歷了從低強(qiáng)度，中強(qiáng)度，高強(qiáng)度乃至超高強(qiáng)度的發(fā)展歷程[ 1～3 ]。
傳統(tǒng)混凝土材料由于自身性能的局限已無法滿足建筑材料最新發(fā)展的需要，所以高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土等新型混凝土材料應(yīng)運(yùn)而生。隨著現(xiàn)代建筑工藝的進(jìn)步和設(shè)計理念的發(fā)展，超高層及大跨度、功能性等已經(jīng)成為工業(yè)和民用建筑物的主要發(fā)展方向。行業(yè)內(nèi)將強(qiáng)度等級在C60及以上的混凝土統(tǒng)稱為高強(qiáng)混凝土，其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高、密度較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)、孔隙率較低以及抗變形能力較強(qiáng)，故高性能混凝土等在工程建設(shè)上的應(yīng)用將逐漸擴(kuò)大。
然而，在實(shí)際操作中多種因素導(dǎo)致了混凝土產(chǎn)生裂縫，這里主要指宏觀裂縫，寬度在0.05 mm以上。一方面裂縫會降低強(qiáng)度，另一 方 面 空 氣 中 的 腐 蝕 性 氣 體 (CO2、SO2和NO2 等)會透過裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，腐蝕內(nèi)部鋼筋，極大降低高性能混凝土的自身優(yōu)勢。所以必須對混凝土建筑材料中的裂縫及時修補(bǔ)處理。
常用的混凝土裂縫修補(bǔ)方法主要有4種：壓力注漿法、填充密封法、注射法和表面涂層封閉法等。其中化學(xué)灌漿材料由于可灌性優(yōu)于水泥，且樹脂凝膠時間可按實(shí)際工程需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，對于細(xì)微型裂縫或孔隙的修補(bǔ)和流動部位的防滲比較適合。環(huán)氧樹脂具有固化后樹脂強(qiáng)度較高、對多種材料的粘接性能較強(qiáng)、固化過程中體系收縮率較低以及可低溫固化等多種優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛適用于混凝土裂縫化學(xué)灌漿修補(bǔ)。但是環(huán)氧樹脂分子中含有大量的環(huán)氧基團(tuán)，在固化過程時形成的空間網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度較大，導(dǎo)致純環(huán)氧樹脂性脆，沖擊性較差。因此，必須對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性。本研究從分析混凝土建筑材料裂縫的成因出發(fā)，總結(jié)了丁腈橡膠改性、丙烯酸酯橡膠改性、聚氨酯改性、聚醚胺改性和結(jié)構(gòu)改性等多種高彈性環(huán)氧樹脂基裂縫修補(bǔ)材料及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上展望了用于混凝土建筑材料裂縫修補(bǔ)材料的發(fā)展方向。
1 混凝土建筑材料裂縫的成因及修補(bǔ)方法
1.1 裂縫成因分析
混凝土產(chǎn)生宏觀裂縫的原因較多，一般情況下是由于混凝土內(nèi)部體積變化時受到自身 結(jié) 構(gòu) 的 約 束 ， 或 者 是 由 于 其 在 承 載 載 荷時，內(nèi)部拉應(yīng)力(或拉應(yīng)變)過大所導(dǎo)致。因?yàn)榛炷林饕怯墒橇稀⒓?xì)砂及水泥石經(jīng)過水泥漿體水化硬化以后形成，所以混凝土組成元素的物理力學(xué)性質(zhì)存在差異，使得水泥漿體在硬化過程中體積收縮比較明顯，而在混凝土體積發(fā)生收縮時受到了骨料的限制，這種限制作用伴隨著混凝土內(nèi)部硬化開始 ， 主 要 出 現(xiàn) 在 骨 料 與 水 泥 漿 體 的 粘 接 面上。因此即使沒有外部荷載作用，混凝土內(nèi)部在形成初期已經(jīng)有了微裂縫。只不過在外力或變形作用較小的范圍內(nèi)，這些裂縫是穩(wěn)定的;隨著外界作用力或變形作用逐漸增加時，骨料與水泥漿體界面處的微裂縫就會進(jìn)一步發(fā)展;如果外界作用力或形變趨勢超過一定范圍時，微裂縫就會發(fā)生擴(kuò)展，穿過硬化后的水泥石，形成肉眼可見的宏觀裂縫。除此以外，在實(shí)際施工過程中，混凝土內(nèi)部和外部由于熱傳導(dǎo)性不同，存在著溫度梯度差異，從而使裂縫進(jìn)一步加劇。
1.2 裂縫修補(bǔ)方法
裂縫一旦出現(xiàn)，如不進(jìn)行及時有效的控制，則會大大加快水分和雜質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部，降低其各項力學(xué)性能，并最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損害，直至混凝土完全喪失了其作為承載的使用功能。特別是一些新建的混凝土道面工程，如果施工過程存在溫度應(yīng)力和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)時，在混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生細(xì)裂縫，如果重建，會造成極大的資源浪費(fèi)以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
近年來，國內(nèi)外科技工作者進(jìn)行了大量混凝土道面裂縫修補(bǔ)材料的研究工作，分別制備了有機(jī)高分子灌漿材料，主要有環(huán)氧樹脂材料、聚氨酯體系和丙烯酰胺體系等;無機(jī)裂縫修補(bǔ)材料，包括超細(xì)水泥灌漿修補(bǔ)材料和水泥基修補(bǔ)材料(硅灰、硫鋁酸鹽超早強(qiáng)水泥和快硬硅酸鹽等);以及聚合物復(fù)合裂縫修補(bǔ)材料等，例如環(huán)氧砂漿混凝土和聚醋酸乙烯乳液改性水泥砂漿等。實(shí)踐證明，通過這些修補(bǔ)材料對混凝土建筑體系進(jìn)行維護(hù)和修補(bǔ)，效果是顯著的。
2 環(huán)氧樹脂基修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀
目前，水泥混凝土微細(xì)裂縫的快速修補(bǔ)技術(shù)仍是工程實(shí)踐的難題之一[ 4～6 ]。在多種混凝土修補(bǔ)材料中，環(huán)氧樹脂基修補(bǔ)材料是應(yīng)用相對最為廣泛的一種修補(bǔ)材料，其具有優(yōu)異的粘接性能、耐腐蝕、絕緣和高強(qiáng)度等特性。此外，環(huán)氧樹脂改性體系及其固化劑的多選擇性使其完全可以滿足混凝土修補(bǔ)技術(shù)的新需求。由于無論是有機(jī)高分子灌漿材料還是聚合物復(fù)合裂縫修補(bǔ)材料，環(huán)氧樹脂作為其中灌漿材料相對最主要的組分，其性能影響了整體灌漿材料的裂縫修補(bǔ)性能，所以環(huán)氧樹脂的增韌改性研究一直是混凝土修補(bǔ)材料的熱點(diǎn)。目前主要的改性方法有：以丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯、聚醚胺和縮水甘油醚對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性[ 7，8 ]。
2.1 丁腈橡膠改性
橡膠改性后可提高環(huán)氧樹脂的韌性和高彈性，這主要是歸結(jié)于橡膠顆粒的拉伸、撕裂和橋聯(lián)作用。而液態(tài)橡膠對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增 韌 的 機(jī) 理 使 其 在 環(huán) 氧 固 化 過 程 中 逐 漸 析出，并與固化后的環(huán)氧形成“海島結(jié)構(gòu)”。同時，液態(tài)橡膠可以和環(huán)氧樹脂通過活性基團(tuán) 形 成 化 學(xué) 鍵 ， 起 到 對 環(huán) 氧 樹 脂 的 增 韌 作用。
液體丁腈橡膠改性環(huán)氧樹脂最主要的要素是溶度參數(shù)須匹配，這是因?yàn)椋环矫嬖谖垂袒瘯r，丁腈橡膠能和環(huán)氧樹脂混溶;另一方面在固化后，又可以析出橡膠微粒，從而 產(chǎn) 生 微 觀 相 分 離 ， 進(jìn) 一 步 形 成 “ 海 島 結(jié)構(gòu)”，增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的彈性。如果液體丁腈橡 膠 和 環(huán) 氧 樹 脂 的 溶 度 參 數(shù) 相 差 太 大 或 太小，則很難達(dá)到良好的增韌效果[ 9 ]。
葉姣鳳等[ 1 0 ]利用丁腈橡膠改性環(huán)氧樹脂制 備 了 一 系 列 混 凝 土 裂 縫 修 補(bǔ) 劑 ， 研 究 表明，通過改變丁腈橡膠的含量，可以得到綜合性能優(yōu)良的修補(bǔ)材料，使得這類裂縫修補(bǔ)材料兼具良好的拉伸剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和斷 裂 伸 長 率 ， 同 時 其 與 混 凝 土 的 粘 接 性 優(yōu)異，修補(bǔ)前后混凝土試塊的壓縮強(qiáng)度損失率較小。
2.2 丙烯酸酯橡膠改性
利用丙烯酸酯橡膠對環(huán)氧樹脂改性的方式有2種：一種是在丙烯酸酯共聚物上引入可以與環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基或羥基反應(yīng)的活性基團(tuán)，通過接枝共聚物的形成, 增加了環(huán)氧基體和丙烯酸酯橡膠2相間的相容性;第2種方法是將核-殼結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸酯彈性粒子加入到環(huán)氧基體中進(jìn)行增韌，以降低基體的內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到提高彈性的效果。
在具有核-殼結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸酯彈性微粒對環(huán)氧樹脂增韌體系中，單體的結(jié)構(gòu)組成對最終改性體系結(jié)構(gòu)和性能有較大影響。不同結(jié) 構(gòu) 的 PBA/P( MMA-DVB) 、 PBA/P( MMAAN)和PBA/PMMA等核-殼微粒與環(huán)氧樹脂的改性研究表明，影響微粒與環(huán)氧基體之間的界面 作 用 主 要 是2者 的 物 理 作 用 和 化 學(xué) 鍵 合 狀態(tài)。由于聚甲基丙烯酸甲酯殼層中共聚單體結(jié)構(gòu)不同，可以使彈性粒子與環(huán)氧樹脂2相微觀界面處的結(jié)合力存在差異，進(jìn)而影響了彈性粒子在基體中的分散性，最終導(dǎo)致核-殼結(jié)構(gòu)的橡膠微粒改性作用不同[ 1 1 ]。
本研究通過前期的研究表明，在聚丙烯酸酯彈性微粒中引入可以與環(huán)氧樹脂進(jìn)行反應(yīng)的羥基基團(tuán)，既提高了與環(huán)氧樹脂的相容性，而且所制備的高韌性環(huán)氧樹脂在環(huán)氧灌漿裂縫修補(bǔ)試驗(yàn)中，表現(xiàn)出了與砂漿較高的粘接性、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，且修補(bǔ)前后材料壓縮強(qiáng)度和抗凍融性能較好。
2.3 熱塑性聚氨酯彈性體橡膠改性
熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)具有良好的耐磨性、低溫性和高彈性，同時TPU和環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，也可被用來增韌環(huán)氧樹脂。
聚碳酸酯型熱塑性聚氨酯彈性體橡膠由于鏈段極性較大且擁有高度規(guī)整的六亞甲基基團(tuán)，極大改善了與環(huán)氧樹脂的相容性，同時改性體系的拉伸強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度均有較大提高，唯一不足的是體系抗沖擊性能提升不大[ 1 2 ]。相比之下聚醚鏈段可使TPU大分子鏈更加 柔 順 ， 且 能 在 環(huán) 氧 樹 脂 中 形 成 橡 膠 分 散相 ， 所 以 極 大 地 提 高 了 整 體 的 沖 擊 強(qiáng) 度 。 TPU封端基團(tuán)不同，對環(huán)氧樹脂的增韌改性效果也有一定影響。當(dāng)采用酚羥基封端和芳香胺基封端的TPU增韌改性環(huán)氧樹脂時，體系中含有端羥基的TPU分散相微粒粒徑分布較窄，其增韌改性效果更顯著[ 1 3 ]。
鐘健生等[ 1 4 ]通過研究表明，聚氨酯增韌劑對環(huán)氧樹脂的增韌效果明顯，通過改變聚氨酯增韌劑與環(huán)氧樹脂的比例，可以使復(fù)合體系的壓縮強(qiáng)度達(dá)到67 MPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到 22.4 MPa，抗折粘接強(qiáng)度高于砂漿本體的粘接強(qiáng)度，斷裂伸長率達(dá)到23%，各項物理力學(xué)性能完全滿足實(shí)際要求，可以用作溫度裂縫的修復(fù)用材料。在采用自制的高韌性環(huán)氧樹 脂 對 建 筑 材 料 樓 板 的 裂 縫 進(jìn) 行 修 復(fù) 后 發(fā)現(xiàn)，樓板無滲漏發(fā)生，板的承載能力恢復(fù)到原來的設(shè)計要求，滿足了建筑物的結(jié)構(gòu)安全和耐久性要求。
2.4 聚醚胺改性
張軍營等[ 1 5 ]通過改變?nèi)嵝跃勖寻返南鄬Ψ肿淤|(zhì)量和官能度得到了一系列固化劑，通過對雙酚A型環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化研究，獲得了一系列兼具強(qiáng)度和彈性的高彈性-高伸長的改性環(huán)氧樹脂。研究發(fā)現(xiàn)，聚醚胺D2000可以有效提高環(huán)氧樹脂的斷裂伸長率，增加彈性與柔韌性。當(dāng)采用D400與D2000作為互配混合固化劑使用時，改性環(huán)氧體系會產(chǎn)生高彈-高伸長特性，既保持了較高的拉伸強(qiáng)度，又獲得了很高的斷裂伸長率。當(dāng)聚醚胺D2000用量增加時，環(huán)氧體系會依次發(fā)生脆性斷裂-韌性斷裂-延性斷裂。聚醚胺具有降低環(huán)氧樹脂Tg的作用，表明該改性體系在低溫下具有一定的柔韌性，拓展了環(huán)氧樹脂在低溫環(huán)境中的應(yīng)用空間。
馮李等[ 1 6 ]采用聚醚胺固化劑制備了彈性環(huán)氧膠粘劑復(fù)配體系，研究表明，含有聚醚胺 固 化 劑 的 環(huán) 氧 體 系 ， 拉 伸 強(qiáng) 度 高 12 MPa，斷裂伸長率也可以達(dá)到39%以上，其拉伸性能可以滿足橋面復(fù)層材料對環(huán)氧膠粘劑的拉伸性能要求，同時其與混凝土基材有較高的粘接性能。但不足的是聚醚胺固化劑分子結(jié)構(gòu)中的醚鍵具有親水性，導(dǎo)致其吸水性偏高，影響了其在潮濕環(huán)境下混凝土裂縫修補(bǔ)中的應(yīng)用。
2.5 縮水甘油醚對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)的改性
將柔性長鏈脂肪醇引入到剛性酚類結(jié)構(gòu)中，可制備得到不同彈性的縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂。這類樹脂體系顏色較淺、黏度比較低、韌性較好。試驗(yàn)證明，此類環(huán)氧樹脂的彈性可以通過縮水甘油醚中剛性與柔性鏈鏈段共聚比例的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。在制備過程中，環(huán)氧樹脂的產(chǎn)率主要受到反應(yīng)溫度、催化劑用量和反應(yīng)時間等因素的影響[ 1 7 ]。
陳曉龍等 [ 1 8 ]利用縮水甘油醚與環(huán)氧樹脂進(jìn)行復(fù)配制備了新型低黏度裂縫修補(bǔ)材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，其壓縮強(qiáng)度、拉伸剪切強(qiáng)度都 能 滿 足 動 荷 載 混 凝 土 細(xì) 微 裂 縫 的 修 補(bǔ) 要求，具有較好的應(yīng)用前景。
通過對以上5種環(huán)氧增韌改性方法的對比發(fā)現(xiàn)，聚醚胺改性環(huán)氧由于親水性醚鍵的存在 限 制 了 這 類 改 性 環(huán) 氧 在 潮 濕 環(huán) 境 中 的 使用;縮水甘油醚改性環(huán)氧可以較好地降低環(huán)氧樹脂黏度，但是復(fù)合體系的力學(xué)性能增長有限;熱塑性聚氨酯彈性體橡膠改性環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能優(yōu)異;丙烯酸酯橡膠改性環(huán)氧的主要特點(diǎn)是與砂漿粘接性較好，抗凍融性能較好;丁腈橡膠改性環(huán)氧樹脂與混凝土的粘接性優(yōu)于丙烯酸酯橡膠改性的環(huán)氧樹脂。因此為了更好的拓展高彈性環(huán)氧基修補(bǔ)材料的使用范圍，必須結(jié)合每一種改性方法的優(yōu)點(diǎn)，特別是后3種改性方法。
3 結(jié)束語
綜上所述，在傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂具有粘接強(qiáng)度較高、介電性能優(yōu)良以及固化體系變形收縮率較小等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，高彈性環(huán)氧樹脂的出現(xiàn)，又改善了環(huán)氧樹脂的脆性特性，因此極大地增加了環(huán)氧樹脂的用途。隨著我國高 速 公 路 、 隧 道 橋 梁 等 交 通 領(lǐng) 域 的 迅 猛 發(fā)展 ， 結(jié) 合 國 家 “ 一 帶 一 路 ” 的 重 大 政 策 引導(dǎo)，將為環(huán)氧樹脂基高彈性建筑修補(bǔ)材料的發(fā)展提供廣闊的應(yīng)用前景。在新型高彈性環(huán)氧基裂縫修補(bǔ)材料制備過程中，通過控制改性體系在環(huán)氧基體中的微觀相態(tài)分布，不斷研究更加有效的增韌機(jī)理，探索新型增韌改性方法，必將繼續(xù)成為混凝土裂縫修補(bǔ)材料領(lǐng)域今后的研究熱點(diǎn)。而既有的高彈性性能，又有耐老化和耐濕熱等綜合性能的新型環(huán)氧基修補(bǔ)材料將在今后的建筑材料中得到極大應(yīng)用。——論文作者：馬瑞杰1，山穎獲1，李春軒1，李存陽1，耿剛強(qiáng)2，顏錄科2
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