环氧树脂混凝土现状与分析
                                  金玉杰1肖力光2
   (1：吉林建筑工程学院土木工程学院，长春130021；2：吉林建筑工程学院材料科学与工程学院，长春130021）
   摘要：环氧树脂混凝土是指以环氧树脂为主料，掺入适量的固化剂、增塑剂、稀释剂及填料作为胶粘剂；以砂、石作为骨料，经混合、成型、固化而成的一种复合材料，是聚合物混凝土的一种.环氧树脂混凝土具有强度高、韧性好、抗冲击强度大、良好的耐化学腐蚀、耐磨、耐水和抗冻性能.固化后的环氧树脂混凝土对大气、潮湿、化学介质、细菌等都有很强的抵抗力.因此，较多在较为恶劣的环境中应用，具有良好的应用价值.但由于技术、造价等诸多因素的限制，环氧树脂混凝土应用数量和范围相当有限，并且，目前环氧树脂混凝土的韧性问题仍有待解决，因此笔者在对其应用现状进行分析的同时，提出通过加入纤维、增韧剂等对其韧性等问题进行分析与探讨.
   关键词：环氧树脂混凝土；韧性；纤维；增韧剂
   中图分类号：TU 5文献标识码：A文章编号：1009-0185-(2009)04-0009-05
   众所周知，普通硅酸盐水泥混凝土在使用过程中存在一定的问题.比如，混凝土抗压强度很高，但抗拉强度却不高.而且普通硅酸盐水泥混凝土易开裂、耐化学腐蚀性差等缺点.为了克服上述缺点，国内外正在研究一种有机材料与无机材料的复合材料，即聚合物混凝土.树脂混凝土是聚合物混凝土的一种，树脂混凝土与普通混凝土相比，具有以下优点[1]：①具有极好的耐久性和良好的力学性能，其抗拉强度、抗压强度和抗弯强度均高于普通混凝土；抗冲耐磨性能、抗冻、抗渗性、耐水性、耐化学腐蚀性能良好；②由于树脂混凝土强度增长速度比普通水泥混凝土快得多，可以在常温和低温下固化，24 h的强度可以达到最终强度的80%；③由于树脂混凝土与大多数材料有很好的粘附性，是一种高效的快速修补材料.因此，这类材料得到广泛重视和实际应用.树脂混凝土是一种新型建筑材料，其研究历史只有50年，开展深入研究并逐步应用于工程中也不过20年，我国在该领域的研究处于起步阶段，理论尚不成熟，设计及施工经验有待积累.迄今为止[2-3]，常见的树脂混凝土为环氧树脂混凝土，环氧树脂具有强度高、粘结性能好、耐磨性好、价廉等优点，与水泥混凝土的粘结性很好，但其脆性仍较大，因此，应对环氧树脂混凝土进行改性处理，降低其脆性，增加其韧性.笔者将通过对在树脂混凝土中加入增韧剂、纤维等，对环氧树脂混凝土的改性进行探讨.
   1·国内外在该方向的研究现状
   1.1环氧树脂混凝土复合材料的研究现状
   环氧树脂是含有环氧基的高分子聚合物，由环氧氯丙烷及二酚基丙烷(双酚A)在碱的作用下缩聚而成的液体树脂.环氧树脂是线性结构的热塑性聚合物，加热呈塑性，本身不会硬化；当加入一定量硬化剂后，经室温放置或加热处理后，与固化剂发生交联固化反应，变成不溶于水的坚固体型网状结构巨大分子高聚物，其性能亦能由热塑性变为热固性.固化后显出强度高、粘结力大、收缩性小及化学稳定性好等特点[4].然而，环氧树脂混凝土是纯聚合物混凝土的一种.美国于20世纪50年代就开始了纯聚合物混凝土的商业应用.70年代中期，纯聚合物混凝土用于修复波特兰水泥混凝土构件，主要是公路和桥梁构件；七八十年代，美国政府部门资助聚合物混凝土的研究，至今市场上已有众多纯聚合物混凝土预制构件，包括管件、地面排水构件、各种大小的窨井及窨井盖、公路中央隔离栅及路缘石、电器构件、机床基础等.由于技术和造价等诸多因素的限制，相比之下，我国在这方面的研究较少，对环氧树脂混凝土的研究处于起步阶段.应该说，环氧树脂混凝土具有广阔的研究和应用前景.
   目前，环氧树脂混凝土复合材料的研究主要有以下几个方向：①环氧树脂混凝土性能的研究.即对在不同因素影响下的环氧树脂混凝土收缩性、耐火性、耐化学腐蚀性、抗冻性、阻尼性能等各项性能的研究；②环氧树脂混凝土的级配研究.如对不同设计强度要求下的基本组分级配研究，树脂混凝土中添加矿质集料的研究及骨料粒度分布研究等；③环氧树脂混凝土应用于结构加固的研究.环氧树脂混凝土应用于结构的改造、修复，因承载力不足或结构物破坏后的加固补强研究；④环氧树脂材料研究.另外，还有对环氧树脂混凝土经济性研究等.
   长沙理工大学公路工程学院的李宇峙等人[5]，研究了环氧树脂混凝土抗压强度和弹性模量，认为混凝土的抗压强度是其力学性能中最基本且重要的一项，常作为基本参量确定混凝土的质量等级，并决定其他力学性能，如抗拉强度、弹性模量和峰值应变等.弹性模量是混凝土重要的力学性能，它反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系；是混凝土路面设计中的一项重要设计参数，用以计算面层在载荷作用下产生的应力及温度变形受限制时产生的应力.混凝土弹性模量的大小，影响路面设计的结果及其合理性，这也是计算混凝土结构的变形、裂缝开展和大体积混凝土的温度应力所必须的参数之一.环氧树脂混凝土强度形成所需时间短，且早期强度很高，适用于水泥混凝土路面的修补、工程抢修等，有开放交通早、节约交通管制费用等优点.在环氧树脂混凝土抗压强度和水泥混凝土抗压强度相同的情况下，环氧树脂混凝土的弹性模量要小于水泥混凝土的弹性模量.由此可知，在相同荷载作用下，环氧树脂混凝土产生的变形要大于水泥混凝土产生的变形，即环氧树脂混凝土的韧性要优于水泥混凝土的韧性[6-8].辽宁工程技术大学土木系的周梅等人[9]研究了填料品种和用量对树脂混凝土强度的影响，通过试验研究了不同品种的填料，及其用量对树脂混凝土环氧胶粘剂剪切强度的影响.在此基础上，研究了不同填料对树脂混凝土抗压、抗折强度等性能的影响.
   1.2环氧树脂混凝土在土木工程中的应用现状
   近几年，随着新型环氧材料的出现，环氧树脂材料在水利水电、工民建等各领域的工程应用也越来越多[10].随着对树脂混凝土的深入研究，树脂混凝土正被广泛应用于土木工程的各行各业中，特别是环氧树脂混凝土加固技术在建筑结构加固补强中的应用.
   近年来，以环氧树脂制成的环氧胶性能优越、改性途径较多，在混凝土领域中得到应用，且发展较快[11-14].多用于混凝土构件的粘接和修补、桥梁工程、飞机跑道、公路修造、混凝土结构裂缝补强加固或防渗堵漏灌浆等.混凝土及钢筋混凝土结构虽以经久耐用而著称，但其在使用过程中引起钢筋混凝土结构损坏的原因多种，既有结构设计、施工方面的原因；又有原材料及结构使用环境方面的原因.如果按混凝土及钢筋混凝土结构损坏的特征加以归纳分类，可分为以下几种：①表面损坏.因环境作用、热化学作用及机械作用等引起的混凝土表层风化、剥落、起鼓及集料外露等缺陷[15]；②开裂.混凝土结构因收缩及温度应力、碱集料反应、火灾、地震、不均匀沉降等引起的各种裂缝.这种缺陷在混凝土结构中是比较普遍的；③断面损伤，因混凝土强度不足或因环境作用及疲劳应力等引起混凝土强度下降，导致结构断面受损；④挠度增大.因结构刚度不足或混凝土徐变变形，因此，结构挠度增大最终导致混凝土结构破坏.由此，众多专家认为，对于混凝土及钢筋混凝土结构的评价鉴定，以及维修改造问题方面应加以重视.环氧树脂混凝土就是在此背景下的新兴建筑材料之一.
   环氧树脂混凝土应用最多的是混凝土构件的粘接和修补[16-17].首先，是新旧混凝土的粘接.传统的新旧混凝土接槎方法是先在清洗好的槎口上浇一层稀砂浆，然后浇灌新混凝土.该方法粘接度低、防水性差，为了获得高强度的粘接而在混凝土槎口上涂敷环氧胶粘剂，是目前较为流行的方法.新旧混凝土的粘结难点是胶粘剂必须同含水率较高的新混凝土接触，通过选用不溶于水的聚酰胺、多元芳香胺及潜性脂肪胺固化的环氧胶粘剂，来粘接潮湿混凝土可获得满意效果.此外，环氧胶粘剂如用煤焦沥青改性，并掺入适量吸水材料如石棉纤维和氧化钙等，则在潮湿介质中也有很好的效果.
   环氧树脂在混凝土材料中另一个重要应用是在桥梁工程中的应用[18].桥梁是承受应力较大的土木工程，大量的预应力钢筋混凝土用于桥梁的制造，为了防止桥基下相邻的预应力钢筋混凝土将由于长期的振动而产生间隙，往往采用压缩强度较高的胶粘剂进行粘接使其成为整体.在桥面与桥墩的混凝土连接处产生裂缝时，一般都是用较高初期胶粘强度的环氧树脂胶施工；也可以用低黏度的环氧树脂胶进行注入式修补，同时，可用于大桥伸缩缝施工中.过去在公路桥梁伸缩缝施工中，大多采用高标号混凝土填充梁体与橡胶伸缩体之间的空隙.但此施工方法缺点[19-21]是车辆在行驶过程中通过伸缩缝时，从刚性的混凝土直接到柔性的橡胶伸缩体，易产生“跳车”现象.当在梁体与橡胶伸缩体之间采用环氧树脂混凝土填充，由于环氧树脂混凝土具有强度高、抗冲击强度大的特点，较好地解决了车辆在通过桥梁伸缩缝时的“跳车”现象.应用于建筑物的加固补强.如环氧树脂混凝土用于修补建筑物梁板的裂缝，或以树脂混凝土代替普通混凝土对构件进行扩大截面的加固补强等.
   环氧树脂作为混凝土结构的补强正越来越发挥其重要作用.环氧树脂因高强、耐磨，抗渗、抗冻和抗冲击性能好等特点而愈来愈受人们重视，已成为现今研究和应用发展最快的建筑材料之一.虽然近年来其应用效果显著，但其自身的一些性能仍有待改善.因此，笔者将通过加入纤维等对其一系列性能进行探讨.
   2·改善措施
   2.1加入有机纤维
   纤维在普通混凝土中应用已为人们所知.纤维混凝土中的纤维在混凝土中呈现三维乱向分布，并有不同程度、不同类型的定向性.又由于纤维混凝土是一种多相、多组分、非均质且不连续的材料，加之纤维形状和表面性能及不同施工方式，造成纤维不同形式的分布，导致纤维增强机理十分复杂.虽然自纤维混凝土问世后有诸多研究者对其理论进行了研究，但迄今为止，尚无一个无争议的理论来反映纤维增强本质.比较一致的观点认为：由于纤维的掺入[22-24]，对混凝土基体产生了增强、增韧和阻裂等效应，从而增加了混凝土的强度、韧性、耐腐蚀性等性能，改变了混凝土的脆性、易开裂性及其破坏形态，延长了混凝土的使用寿命.在纤维混凝土中纤维的主要作用，在于吸收水泥基材开裂时释放的能量，并因此阻止基材中裂缝的扩展.其阻裂机制和阻裂效果主要取决于纤维的种类与性能、纤维的体积率、纤维的长度与分布情况、纤维的取向、纤维与水泥基材的粘结强度等.
   目前对此争议较少、又能比较准确反映纤维增强的理论有两种：一种是基于复合材料力学的混合定律；另一种是建立在弹性断裂力学基础上的纤维间距理论.混合定律是研究复合材料性能与复合材料各组分性能之间关系的理论.复合材料理论把纤维混凝土看成多相体系，纤维为一相，混凝土为一相.复合材料的性能把各相性叠加，用混合定律研究纤维混凝土时，其基于以下假设：①纤维混凝土在宏观上是均质的；②纤维与混凝土基体本身是各向同性(或正交各向异性)的线弹性材料；③纤维与基体之间无任何相对滑动(即完全粘着状态).在上述条件下，可有两种纤维状态下的混合定律，即：①单向连续长纤维混凝土混合定律；②不连续短纤维混凝土混合定律.
   纤维间距理论是Romualdi在Griffith理论的基础上提出来的.GrilWth理论认为，一些脆性材料(如混凝土)之所以为低应变脆断，原因在于材料结构的微不均匀性和存在一定量的缺陷.如微裂缝或亚微裂缝及各种尺寸的孔.当受到应力作用时，裂纹尖端产生应力集中，裂纹迅速扩展，裂纹的数量、长度、开度不断增加，最终导致裂纹贯通形成大的裂缝，致使材料结构发生崩溃破坏.当在脆性材料基体中掺入纤维且材料受到应力时，纤维的存在将会约束裂纹的引发和裂纹长度及开度的扩展，从而起到增强、增韧的作用.因此，在环氧树脂混凝土中加入有机纤维，能够很好的增强韧性. 
   2.2加入橡胶弹性体
   橡胶改性环氧树脂用于增韧的橡胶，必须具备两个基本条件[25]：一是分子量适合.所用的橡胶应能与环氧树脂在固化前相容，且分散良好，这就要求橡胶分子量不能太大；而当环氧树脂固化时，橡胶能顺利析出，呈两相结构，因此，橡胶两交联点之间的分子量又不能太小；二是橡胶应能与树脂的环氧基相互作用.这就要求橡胶至少要有两个端基官能团，这样才能产生牢固的化学交联点.因此，橡胶类弹性体增韧环氧树脂体系中[26-27]，橡胶作为第二相的作用在于诱发基体的耗能过程；而基体本身在断裂过程被拉伸撕裂所耗的能量一般占次要地位.作为分散相的橡胶，通常呈球形颗粒分散于环氧树脂基体中，当受到外力作用时，材料撕裂过程发生在基体树脂中.这些橡胶颗粒脱胶或断裂后所形成的孔洞塑性体膨胀和颗粒或孔洞诱发的剪切屈服形变，使环氧树脂的韧性大大提高，因此，增韧最根本的潜力在于提高基体的屈服变形能力.所以，在环氧树脂混凝土中加入橡胶弹性体增韧，能使环氧树脂混凝土的脆性得到很大的改观.
   3·结语
   在环氧树脂混凝土中，纤维贯穿孔隙在环氧树脂凝土内部形成三维钢筋网络结构.同时，材料撕裂过程发生在基体树脂中，这些橡胶颗粒脱胶或断裂后所形成的孔洞塑性体膨胀和颗粒或孔洞所诱发的剪切屈服形变使环氧树脂的韧性大大提高.纤维与橡胶弹性体在环氧树脂混凝土中共同作用，能充分发挥其各自的优点来改善环氧树脂混凝土的韧性.因此，探讨有机纤维与橡胶弹性体对环氧树脂混凝土韧性的改善是必要的.
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