水性环氧树脂改性水泥砂浆的制备与性能

沈志明，李娟，李安宁，朱殿奎，李晴，杨亚萍（1.江苏丰彩新型建材有限公司，江苏南京210000；2.江苏省既有建筑绿色化改造工程技术研究中心，江苏南京210000）



水性环氧树脂改性水泥砂浆的制备与性能

沈志明1，2，李娟1，2，李安宁1，2，朱殿奎1，2，李晴1，2，杨亚萍1，2
（1.江苏丰彩新型建材有限公司，江苏南京210000；2.江苏省既有建筑绿色化改造工程技术研究中心，江苏南京210000）

摘要：采用自制水性环氧树脂掺入水泥砂浆中，制备了水性环氧树脂改性水泥砂浆，并对砂浆的力学性能进行了测试。探讨了环氧树脂乳液种类、添加量和养护方式对砂浆力学性能的影响，并对砂浆的抗冻性能进行了测试。实验结果表明：最佳环氧树脂乳液种类为EA体系；环氧树脂乳液的最佳添加量为10%；最佳养护方式为先标准养护7d，后自然养护至28d；环氧树脂乳液的添加有效地提高了砂浆的抗冻耐久性。

关键词：水性环氧树脂；水泥砂浆；力学性能；抗冻性

近年来，土木、电力、水利、交通等领域的结构加固修补工程得到了快速发展，环氧树脂砂浆因其优异的粘接性能、突出的力学性能、较小的固化收缩率、良好的工艺性能和储存稳定性，在结构修补加固工程中获得了广泛的应用，成为加固修补工程中最重要的材料之一。传统的环氧树脂多为溶剂型树脂，具有黏性高、怕水等特性，施工难度较大，容易粘结，工具不宜清洗，施工时要求填料完全干燥，不能掺水，需全部使用环氧树脂作为主剂，成本较高，大大限制了环氧砂浆的应用［1-3］，因此，水性环氧砂浆得到了越来越多的关注。

水性环氧树脂是把环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配成的稳定树脂材料。水性环氧树脂与一般环氧树脂相比，其最大的优点就是可在低温和潮湿的环境中固化，能与水泥砂浆、混凝土等常用的水泥基材料混合使用，并能提高水泥砂浆和混凝土的强度、韧性及抗冲击性能，增强防水性能；且施工性好，可在潮湿环境施工，设备易于清洗、储运及使用安全［4-6］，因此，在水泥基材料中得到了较广泛的应用。

本文采用自制水性环氧树脂掺入水泥砂浆中，制备了水性环氧树脂改性水泥砂浆，并对砂浆的力学性能进行了测试，探讨了环氧树脂乳液种类、添加量和养护方式对砂浆力学性能的影响，并对砂浆的抗冻性能进行了测试。

1　实验部分

1.1原材料

水泥：南京金江水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥；砂：河砂，细度模数2.6；水性环氧树脂体系：水性环氧树脂，固含量50%；自制水性改性胺类固化剂，固含量50%，与水性环氧树脂配套使用。

1.2实验方法

先将环氧树脂与自制水性改性胺类固化剂混合搅拌，配制成均匀的水性环氧乳液；然后将一定配比的水泥、砂等砂浆原材料混合搅拌，搅拌过程中缓慢加入上述水性环氧乳液，按DL/T5126- 2001方法制作砂浆试块，试件规格为40mm×40mm×160mm。

1.3性能测试

参照DL/T5193- 2004《环氧树脂砂浆技术规程》测试试样的抗压强度，参照GB/T17671- 1999《水泥胶砂强度检验方法》测试试样的抗折强度。

2　结果与讨论

2.1环氧乳液种类对砂浆力学性能的影响

实验选用了两种环氧乳液改性的水泥砂浆与空白样进行性能的比较，两种环氧乳液分别是EW体系和EA体系，EW体系：采用乳化剂乳化环氧树脂的方式先将环氧树脂乳化成小液滴，再选用合适固化剂配套使用；EA体系：合成的水性改性胺类自乳化型固化剂与环氧树脂配套使用，自乳化型固化剂兼具乳化和固化功能。具体结果见表1。

表1　不同环氧乳液种类制备的砂浆性能比较

从表1可以看出，EA体系水性环氧改性砂浆的抗压、抗折强度最好，抗压强度7d达到57.2MPa，28d达到64.8MPa，抗折强度7d达到11.0MPa，28d达到13.5MPa，粘结强度7d达到2.5MPa，28d达到2.8MPa，其次是空白样，性能最差的是EW体系改性的砂浆。这是因为EW体系采用的是外加乳化剂的水性化方法，外加乳化剂法制备的水乳液并不稳定且容易破乳，而且该法在环氧树脂体系中添加了不含活性基团（环氧基）的物质，会对环氧树脂的固化过程和固化物的性质带来一定的影响；而EA体系中的改性胺类自乳化型固化剂兼具乳化和固化功能，使用这种固化剂不但不会破坏环氧树脂的分子结构，而且最后可参与反应，与水泥水化物形成互穿的三维网状结构，从而使力学性能有一定的提高，且操作步骤少，不必考虑环氧树脂乳液的稳定性（因为乳化后即使用）。综上所述，最佳环氧树脂乳液种类为EA体系。

2.2环氧树脂乳液添加量对砂浆力学性能的影响

考查了环氧树脂乳液的添加量分别为3%、5%、10%、15%、20%时，砂浆抗折强度和抗压强度随龄期发展变化的曲线见图1。

图1　环氧树脂乳液添加量对砂浆力学性能的影响

由图1可知，随着环氧树脂乳液添加量的增加，环氧砂浆3d抗压、抗折强度均增大，7、14、28d时，砂浆抗压、抗折强度随环氧树脂乳液添加量的增加呈现增大、先增大后减小的趋势，当添加量为10%时达到最大值，龄期28d时抗压、抗折强度分别为64.8MPa和13.5MPa。随着龄期的延长，环氧树脂乳液的添加量越大时，砂浆的抗压、抗折强度增加幅度越小。

环氧树脂乳液添加到水泥砂浆中，乳液中树脂颗粒在水泥中均匀分散，树脂颗粒随着水泥水化的过程，在固化剂的作用下，逐步固化成环氧树脂薄膜，与水泥的水化产物形成了互穿的网络结构。该网络结构填充了水泥砂浆内部的孔隙，并阻止了砂浆中水分的流失，所以水性环氧树脂改性砂浆的力学性能较普通砂浆会得到一定的提高［7］。但当环氧乳液的添加量过大时，环氧树脂自身的强度较低，改性砂浆的强度反而会降低。

2.3养护方式对砂浆力学性能的影响

聚合物乳液对水泥砂浆的改性都有一定的成效，但不同种类、厂家的乳液效果不同，所需的养护制度也不同。所以，必须考虑养护方式对改性砂浆性能的影响。养护方式的不同，直接影响水泥砂浆的性能优劣，合适的养护方式能使砂浆中的各组分相互补充，使其性能提高；不合适的养护方式反而会破坏砂浆各组分的平衡，导致砂浆性能下降［8］。因此，本实验研究了4种养护方式对砂浆力学性能的影响。养护方式A：脱模后空气中（相对湿度60%）自然养护28d；养护方式B：脱模后先在标准养护室（相对湿度90%以上）养护3d，后在空气中（相对湿度60%）自然养护至28d；养护方式C：脱模后先在标准养护室（相对湿度90%以上）养护7d，后在空气中（相对湿度60%）自然养护至28d；养护方式D：脱模后标准养护室（相对湿度90%以上）养护28d。不同养护方式下砂浆的力学性能见图2（养护龄期均为28d）。

图2　养护方式对砂浆力学性能的影响

图3　环氧树脂乳液改性水泥砂浆的抗冻性能

由图2可以看出，养护方式对砂浆性能的影响较为复杂。在不同养护方式下，砂浆的抗压、抗折强度都随着水性环氧树脂乳液添加量的变化而变化，且其变化并不是简单的递增或递减。

图2（a）中不同养护方式下砂浆的抗压强度随乳液添加量的增加基本呈现先减小后增大再减小的趋势，抗压强度因养护方式的不同而出现不同的峰值。养护方式A为全程干养护，其抗压强度较其它养护方式小，在乳液添加量为10%时达到最大值；养护方式D为全程湿养护，其抗压强度比养护方式A大，比B、C小，在乳液添加量为15%时达到最大值；养护方式B和C均为先湿养再干养，其抗压强度较其它养护方式大，分别在乳液添加量为15%和10%时达到最大值。

图2（b）中不同养护方式下砂浆的抗折强度均在乳液添加量为10%达到最大值，且不同养护方式下的抗折强度基本是C养护＞B养护＞A养护＞D养护。可见，干、湿交替的养护方式更有利于环氧树脂改性水泥砂浆的性能提高，这是因为湿养护有利于水泥的水化作用，促进水泥水化；干养护则有利于聚合物乳液成膜，促进环氧树脂乳液固化成膜。所以最终选取养护方式C，脱模后先在标准养护室（相对湿度90%以上）养护7d，后在空气中（相对湿度60%）自然养护至28d的方式对水性环氧树脂改性水泥砂浆进行养护。

2.4环氧树脂乳液改性水泥砂浆的抗冻性能

本实验以水泥砂浆在经过20、40、60、80、100次冻融交替循环后的抗压、抗折强度损失来测试环氧树脂乳液砂浆的抗冻性能，结果如图3所示。图3（a）和（b）反映的是环氧树脂乳液添加量为10%的改性砂浆与未添加环氧树脂乳液的对比砂浆冻融循环后抗压和抗折强度的变化。经过100次冻融循环后，未添加环氧树脂乳液的对比砂浆的抗压强度下降了19.4%，添加了10%环氧乳液的砂浆只下降了9.2%；对比砂浆试样的抗折强度下降25.5%，而添加了10%环氧乳液的砂浆只下降了10%。冻融次数越多，未添加环氧树脂乳液的对比砂浆的抗压、抗折强度损失与添加了环氧乳液的砂浆的差距越大。说明水性环氧树脂改性水泥砂浆的抗冻融能力明显强于未改性砂浆，环氧树脂乳液的添加有效地提高了砂浆的抗冻耐久性。

3　结论

（1）本研究对比了EA体系、EW体系与空白试样的力学性能，最终确定最佳环氧树脂乳液种类为EA体系。EA体系水性环氧改性砂浆抗压强度7d达到57.2MPa，28d达到74.8MPa；抗折强度7d达到11.0MPa，28d达到13.5MPa；粘结强度7d达到2.5MPa，28d达到2.8MPa。

（2）砂浆抗压、抗折强度随着环氧树脂乳液添加量的增加呈现增大、先增大后减小的趋势，当添加量为10%时达到最大值，龄期28d时抗压、抗折强度分别为64.8MPa和13.5MPa。

（3）水性环氧树脂改性水泥砂浆的最佳养护方式为脱模后先在标准养护室（相对湿度90%以上）养护7d，后在空气中（相对湿度60%）自然养护至28d。

（4）水性环氧树脂改性水泥砂浆的抗冻融能力明显强于未改性砂浆，环氧树脂乳液的添加有效地提高了砂浆的抗冻耐久性。

参考文献

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［8］夏振军，罗立峰.养护条件对改性砂浆力学性能的影响［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2001（6）：83- 86.□

Preparation and Properties of Waterborne Epoxy Modified Cement Mortar

SHEN Zhi-ming1，2，LI Juan1，2，LI An-ning1，2，ZHU Dian-kui1，2，LI Qing1，2，YANG Ya-ping1，2
（1. Jiangsu Colourful NewBuilding Material Industry，Nanjing210000，China；2. Jiangsu Existing Building Green Reconstruction Engineering Technology Research Center，Nanjing210000，China）

Abstract：In this paper，a waterborne epoxy resin mixed with cement mortar to prepare a water- based epoxy resin modified cement mortar，and the mechanical properties of mortar were tested. We discussed the types of epoxy resin emulsion，the amount of epoxy resin emulsion and conservation methods on the mechanical properties of mortar. The frost resistance were tested too. Results showed that: the best kind ofepoxyresin emulsion EA system. The optimumdosage ofepoxyresin emulsion is 10%. The best way to conserve is standard curing 7d，then the nature conservancy to 28d. Epoxy resin emulsion effectively improve the durabilityofmortar antifreeze.

Key words：waterborne epoxyresin；cement mortar；mechanical properties；freeze- thawresistance

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.011

中图分类号：TQ177.6+2

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2016）03- 0031- 04

收稿日期：2015- 12- 04

作者简介：沈志明（1975-），男，硕士，高级工程师，主要从事水性涂料、新型建筑节能材料方面的研究工作；通讯联系人：李娟，13951664436，552355639@qq.com。