楊宇軒 馮玲 羅琦曦

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410004）

普通硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度很高，但是抗拉強(qiáng)度不高；普通硅酸鹽混凝土的抗沖擊性能不高導(dǎo)致普通硅酸鹽混凝土容易開裂等問題都是普通硅酸鹽水泥混凝土在工程實(shí)際中隨著使用年限增長而出現(xiàn)的工程實(shí)際問題。另外耐化學(xué)腐蝕性能差不宜用于經(jīng)常與海水等腐蝕介質(zhì)相接觸的工程。特別是在橋頭與路面相接處（橋頭搭板處）往往發(fā)生橋頭“跳車”現(xiàn)象，這種巨大的沖擊力對普通硅酸鹽水泥混凝土造成的損傷很大，往往導(dǎo)致橋頭出現(xiàn)凹槽，坑洞。此外作為橋頭凹槽，坑洞的修補(bǔ)材料，普通硅酸鹽水凝混凝土的使用壽命不長，往往需要長期的，定期的維修。為了克服以上問題，近年內(nèi)研究出的一種聚合物混凝土，即環(huán)氧樹脂基混凝土能夠很好地解決以上問題。這種新型混凝土與普通硅酸鹽水泥混凝土對比優(yōu)點(diǎn)突出[1]，具體體現(xiàn)在：①抗壓強(qiáng)度較高，抗沖擊和抗老化性能較強(qiáng)，韌性好且養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短；具有良好的物理性能（如耐水、耐摩擦和抗凍性能等）和化學(xué)性能（如耐化學(xué)腐蝕性能等）；②環(huán)氧樹脂基混凝土的固化條件較普通硅酸鹽混凝土簡單；只需在常溫下進(jìn)行24h的養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度就可以達(dá)到最終強(qiáng)度的80%，構(gòu)件強(qiáng)度的增長速度明顯比普通硅酸鹽水泥混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的增長速度快；③環(huán)氧樹脂基混凝土強(qiáng)度的增長速度快，并且與大多數(shù)混凝土構(gòu)件能夠很好的粘接；所以，環(huán)氧樹脂基混凝土還可以作為一種高效、快速的路面鋪裝修補(bǔ)材料。因此，聚合物混凝土應(yīng)在工程實(shí)際中具有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)得到廣大學(xué)者的高度重視。

環(huán)氧樹脂基混凝土做為一種新型土木工程材料，只有短短60余年的研究歷史，對此材料進(jìn)行深層次的研究并且將材料逐步應(yīng)用于工程實(shí)際中也不超過30余年。由于鋪裝工程大多是在主體結(jié)構(gòu)完成之后才開始進(jìn)行的相對較小的附屬工程，通常不會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，所以橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)很少有針對性的研究，以至于在設(shè)計(jì)和施工中橋面鋪裝層沒有像主體結(jié)構(gòu)一樣得到應(yīng)有的重視，往往也是按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致關(guān)于鋪裝層的各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較為緩慢。環(huán)氧樹脂基混凝土的研究在我國還停留在基礎(chǔ)階段，沒有形成強(qiáng)有力的理論知識體系，設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)較少。到目前為止，應(yīng)用于道路工程的環(huán)氧樹脂基混凝土[2-3]的抗壓強(qiáng)度較高，抗沖擊和抗老化性能較強(qiáng)，韌性好且養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短；具有良好的化學(xué)性能（如耐化學(xué)腐蝕性能等）和物理性能（如耐水、耐摩擦和抗凍性能等）。通過將高分子彈性體、木纖維加入環(huán)氧樹脂基混凝土中可達(dá)到改善環(huán)氧樹脂基混凝土性能的結(jié)果，筆者將對其進(jìn)行探討。

1 國內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 環(huán)氧樹脂

從化學(xué)角度講是分子中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類聚合物的總稱，是一種常見的固熱基體復(fù)合材料，。環(huán)氧樹脂是自身不能夠硬化的線性結(jié)構(gòu)熱塑性聚合物；當(dāng)向環(huán)氧樹脂中加入硬化劑并經(jīng)過加熱處理后，環(huán)氧樹脂會(huì)因?yàn)楣袒磻?yīng)而形成一種不溶于水的巨大高分子聚合物，同時(shí)環(huán)氧樹脂能夠由熱塑性變成熱固性。將環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料的基體材料，向其中添加各種改善材料性能的添加劑可以改變其脆性大、耐熱性差、抗沖擊性能不強(qiáng)的問題[4]。雙酚A型環(huán)氧樹脂是目前為止廣為人知的一種環(huán)氧樹脂，我國對于雙酚A型環(huán)氧樹脂的研究還在不斷增加。

1.2 環(huán)氧樹脂基混凝土

將適量的增韌劑、改性芳香胺類固化劑、鄰苯二甲酸酯增塑劑和稀釋劑摻入環(huán)氧樹脂中可形成環(huán)氧樹脂膠粘劑；再與確定好配合比的混凝土基料經(jīng)過充分?jǐn)嚢?、充分養(yǎng)護(hù)、最后固化而成的一種聚合物水泥混凝土材料。對環(huán)氧樹脂基混凝土的應(yīng)用要確保以下條件：①環(huán)氧樹脂基混凝土的級配。將合理的環(huán)氧樹脂基混凝土配合比設(shè)計(jì)方案運(yùn)用到工程實(shí)際中，以滿足不同的工程實(shí)際情況。②環(huán)氧樹脂基混凝土的各項(xiàng)性能。即保證在不同因素影響下的環(huán)氧樹脂混凝土物理性能（收縮性、耐火性、抗凍性、阻尼性能）和化學(xué)性能（耐化學(xué)腐蝕性）；③保證環(huán)氧樹脂基混凝土經(jīng)濟(jì)性問題等。

1.3 研究現(xiàn)狀

由于我國早期在高分子技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)不足和科研經(jīng)費(fèi)短缺等眾多因素的限制下，我國在聚合物混凝土方面的研究困難重重。但在近幾年國家對科研事業(yè)的大力支持下，我國應(yīng)該加大對環(huán)氧樹脂基混凝土這種新型建筑材料的研究。

近年來我國對環(huán)氧樹脂基混凝土的研究主要體現(xiàn)在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中。在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中的混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量是混凝土的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。李宇峙，李家慶等人通過實(shí)驗(yàn)，對環(huán)氧樹脂基混凝土的兩大準(zhǔn)靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了研究[5]：①環(huán)氧樹脂基混凝土的抗壓強(qiáng)度將作為基本參量確定此類混凝土的質(zhì)量等級。環(huán)氧樹脂基混凝土材料抵抗外力的能力較強(qiáng)；環(huán)氧樹脂基混凝土的抗壓強(qiáng)度還對抗拉強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變等其他力學(xué)性能有影響；②環(huán)氧樹脂混凝土的彈性模量要小于普通商品混凝土的彈性模量。環(huán)氧樹脂基混凝土和普通商品混凝土在相同的抗壓強(qiáng)度的情況下，環(huán)氧樹脂混凝土所產(chǎn)生的變形較大，韌性較好。楊禮明等人通過實(shí)驗(yàn)，分別從抗壓、抗折強(qiáng)度和粘結(jié)性能對環(huán)氧樹脂基混凝土應(yīng)用于橋梁的維修加固進(jìn)行了可行性分析[6]：環(huán)氧樹脂基混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能較好，能滿足水泥路面維修的要求；在常溫下固化成型快且強(qiáng)度高，應(yīng)用于道路修補(bǔ)加固時(shí)可有效解決交通管制等問題。

在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中主要以混凝土抗沖擊性能研究為主。混凝土的抗沖擊性能是混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要體現(xiàn)，在應(yīng)對路面出現(xiàn)“跳車”現(xiàn)象時(shí)，巨大的沖擊荷載一般會(huì)導(dǎo)致橋頭跟路面搭接處的錨固區(qū)混凝土破損，嚴(yán)重的話還會(huì)導(dǎo)致路面鋪裝層破損，這樣會(huì)嚴(yán)重影響通車情況。張楠麗等人通過實(shí)驗(yàn)，對環(huán)氧樹脂基混凝土的抗沖擊性能做出了討論[7]：通過研究特定的環(huán)氧樹脂基混凝土的骨料級配和制作工藝，再模擬“跳車”現(xiàn)象，對環(huán)氧樹脂基混凝土進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了環(huán)氧樹脂基混凝土的沖擊疲勞特性，并對其進(jìn)行了研究和探索。

1.4 應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年，隨著我國對環(huán)氧樹脂基混凝土（ERC）這種聚合物混凝土的深入研究，新型樹脂材料出現(xiàn)在土木工程等各領(lǐng)城的工程應(yīng)用也越來越多。主要體現(xiàn)在新型樹脂材料應(yīng)用于環(huán)氧樹脂的制備，環(huán)氧樹脂基混凝土應(yīng)對混凝土道路的修補(bǔ)和橋梁構(gòu)件的加固等。

在聚合物混凝土領(lǐng)域中，將環(huán)氧樹脂制成的環(huán)氧膠可用于橋梁和公路工程中混凝土構(gòu)件的粘接和修補(bǔ)、加固或防滲堵漏灌漿等。眾所周知，混凝土和鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)具有很高的耐久性，但是鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)在使用過程中產(chǎn)生的損傷大多數(shù)是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，施工不規(guī)范，外部環(huán)境惡劣等問題。構(gòu)造物在使用過程中的損傷特征有以下幾類：①表面損壞?；炷两ㄖ锘驑?gòu)筑物由于設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)行等方面的原因，如受空蝕、磨蝕、沖刷、凍融、水化學(xué)侵蝕或機(jī)械撞擊等因素作用而導(dǎo)致表層破壞[8]；②開裂。這種缺陷在混凝土結(jié)構(gòu)中是比較普遍的，混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外因素（不均勻沉降，地震，收縮及溫度應(yīng)力等）的作用而產(chǎn)生的物理結(jié)構(gòu)變化，而裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因；③撓度增大，因混凝土的徐變變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不足而出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)撓度增大，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞；④斷面損傷，因混凝土強(qiáng)度不足及疲勞應(yīng)力等引起的混凝土強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷面受損。為了減少混凝土構(gòu)件的損傷，新型建筑材料的開發(fā)就顯得尤為重要[9]。

新舊混凝土的粘接和建筑物的加固工程都會(huì)用到環(huán)氧樹脂膠粘劑和環(huán)氧樹脂基混凝土。傳統(tǒng)的新舊混凝土的接槎方法是先把稀釋的砂漿涂在干凈的邊緣，然后再澆筑新的混凝土，該方法粘接度低、防水性差。目前最常見的方法是在混凝土槎口上使用環(huán)氧膠粘劑來產(chǎn)生高強(qiáng)度化合物。新混凝土和舊混凝土的粘合度的復(fù)雜性在于，膠水必須與含水量更高的新混凝土接觸，這可以通過使用不溶解在水、聚酰胺、聚酰胺和水頭孢胺中的環(huán)氧粘合劑來滿足。此外，環(huán)氧粘合劑在潮濕環(huán)境中有很好的效果，如果它被煤焦瀝青改性，并添加到相應(yīng)的吸收水材料中，如石棉纖維和氧化鈣。

環(huán)氧樹脂在土木工程實(shí)際中另一個(gè)重要的應(yīng)用體現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)加固中。由于橋梁長時(shí)間的振動(dòng)而在橋下的預(yù)應(yīng)力混凝土之間產(chǎn)生的間隙，一般采用壓縮強(qiáng)度較高的膠粘劑進(jìn)行粘接，使橋基下相鄰的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土成為整體。在過去的公路、橋梁的伸縮縫施工中，大多是采用高標(biāo)號混凝土填充梁體與橡膠伸縮體之間的空隙，但此缺點(diǎn)是車輛在行駛過程中經(jīng)過伸縮縫時(shí)，從剛性的混凝土直接到柔性的橡膠伸縮體，易產(chǎn)生“跳車”現(xiàn)象[10-11]。當(dāng)環(huán)氧樹脂混凝土在橫梁和橡膠伸縮式伸縮式之間填充時(shí)，由于環(huán)氧樹脂混凝土具有高強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度大的特性，較好的解決車輛在通過橋梁伸縮縫時(shí)的“跳車”現(xiàn)象。

因其強(qiáng)度高，耐摩擦，抗?jié)B透性能好，抗凍和抗沖擊性能好等特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂基混凝土現(xiàn)已成為科學(xué)研究和工程實(shí)際應(yīng)用中發(fā)展最快的建筑村料之一。學(xué)者們越來越重視環(huán)氧樹脂基混凝土對于混凝土結(jié)構(gòu)加固、補(bǔ)強(qiáng)工程的作用，近年來環(huán)氧樹脂基混凝土的應(yīng)用效果顯著，但其自身的一些性能仍有待改善。

2 改性環(huán)氧樹脂

2.1 木纖維環(huán)氧樹脂

在混凝土中加入適量的木纖維是目前較常見的改性辦法。纖維的長度、體積率、種類、性能、分布情況、纖維的取向、纖維與水泥基材的粘結(jié)強(qiáng)度等決定了纖維混凝土的阻裂機(jī)制和阻裂效果。環(huán)氧樹脂基混凝土中加入木纖維是筆者對此種混凝土性能改進(jìn)的方法之一，原因在于木纖維能夠在混凝土中呈現(xiàn)三維亂向分布且有不同程度的定向性。另外，復(fù)雜的環(huán)氧樹脂混凝土增強(qiáng)機(jī)理也是通過加入木纖維來實(shí)現(xiàn)的。由于不同的施工方式會(huì)造成木纖維擁有不同的分布形式，另外木纖維的形狀不一、表面粗糙程度難以統(tǒng)一化。所以向環(huán)氧樹脂基混凝土中加入木纖維能夠使原混凝土擁有多相，多組分，非均勻，不連續(xù)等特性。雖然有諸多研究者對纖維混凝土的增強(qiáng)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究，但沒有一個(gè)統(tǒng)一化的理論來證實(shí)木纖維增強(qiáng)的機(jī)制。普遍認(rèn)為：可以通過向混凝土中加入纖維來增加混凝土的抗壓強(qiáng)度、耐腐蝕耐磨擦性質(zhì)、韌性等性能。使混凝土的基體產(chǎn)生很多有益的效應(yīng)，如使混凝土的強(qiáng)度，韌性和阻裂效果提高；改變混凝土的脆性；混凝土的破壞形態(tài)和易開裂性質(zhì)都會(huì)得到改變，延長了混凝土的使用壽命[12-15]。在纖維混凝土中，由于混凝土在開裂時(shí)候會(huì)釋放能量導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，若向混凝土中加入纖維可以通過纖維來吸收這種能量達(dá)到裂縫不擴(kuò)展的目的。

“混合定律”和“纖維間距理論”是當(dāng)前爭議較少又能準(zhǔn)確反映纖維增強(qiáng)的理論。

研究復(fù)合材料性能與復(fù)合材料各組分性能之間關(guān)系的混合定律應(yīng)基于以下三種假設(shè)：①纖維混凝土在宏觀上是均質(zhì)的；②纖維與混凝土基體本身是正交各向異性（或各向同性）的線彈性材料；③纖維與基體之間完全粘著狀態(tài)。滿足上述條件的兩種纖維狀態(tài)下的混合定律為：單向連續(xù)長纖維混凝土混合定律和不連續(xù)短纖維混凝土混合定律。

“纖維間距理論”是Romualdi在Griffith理論的基礎(chǔ)上提出來的。Griffith理論認(rèn)為，混凝土材料存在結(jié)構(gòu)缺陷（微裂縫或微尺寸孔洞）和不均勻性質(zhì)（骨料或集料分布不均勻）。當(dāng)混凝土構(gòu)件受到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生微裂縫，微裂縫的尖端會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中效應(yīng)使裂縫迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的裂縫數(shù)量、寬度、長度的增加形成大通縫使得混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞?；炷敛牧蠌?qiáng)度和韌性的改變都會(huì)因?yàn)橄蜻@種脆性材料基體中加入纖維而改變。特別是對于混凝土構(gòu)件由于應(yīng)力因素開裂時(shí)，摻入的纖維材料能夠吸收開裂所釋放的能量起到約束裂縫的發(fā)生和裂縫增長的作用。綜上所述，為了增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基混凝土的強(qiáng)度和韌性，可以通過在這種混凝土材料中加入木纖維。

2.2 橡膠彈性體環(huán)氧樹脂

通過在環(huán)氧樹脂中加入增韌的橡膠達(dá)到對環(huán)氧樹脂性能的改進(jìn)，也是改變環(huán)氧樹脂基混凝土性能的方法之一，但必須具備以下兩個(gè)基本條件[16]：第一個(gè)條件是分子量適合。適合的分子量是保證環(huán)氧樹脂與橡膠相容的關(guān)鍵。這要求橡膠的分子量不能太大，這樣才能保證所用的橡膠能與固化前的環(huán)氧樹脂較好的相容且橡膠在環(huán)氧樹脂中分散均勻；同樣也要求橡膠的分子量不能太小，是為了保證環(huán)氧樹脂固化時(shí)橡膠能順利析出且呈兩相結(jié)構(gòu)。第二個(gè)條件是橡膠應(yīng)能與樹脂的環(huán)氧基相互作用。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂有兩個(gè)以上的環(huán)氧基團(tuán)，為了與環(huán)氧樹脂完美的結(jié)合這就要求橡膠同樣也要有兩個(gè)以上的端基與其產(chǎn)生牢固的化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)。

為了提高基體的屈服變形能力可以借助橡膠類高分子彈性體來增韌。在用橡膠類高分子彈性體增韌環(huán)氧樹脂體系中，環(huán)氧樹脂基體在斷裂過程中因拉伸撕裂所消耗的能量不是主要地位，橡膠的主要作用體現(xiàn)在作為第一相去誘發(fā)基體的耗能過程。當(dāng)受到外部應(yīng)力的作用時(shí)，以球形顆粒狀分散在環(huán)氧樹脂中的分散相橡膠會(huì)使材料的撕裂過程發(fā)生在樹脂基體中。在橡膠顆粒斷裂脫膠后所形成的孔洞塑形體膨脹，再通過顆?；蚩锥凑T發(fā)的剪切屈服變形會(huì)環(huán)氧樹脂韌性得到提高。因此，環(huán)氧樹脂基混凝土的脆性得到改善的一個(gè)很重要的方法是可以通過在環(huán)氧樹脂基混凝土中加入橡膠彈性體來用于增韌。

結(jié)合上面兩種材料的分析，當(dāng)在混凝土這一類的脆性材料基體內(nèi)加入纖維后這種材料的強(qiáng)度和韌性都會(huì)引起改變。特別是對于混凝土構(gòu)件由于應(yīng)力因素開裂時(shí)，摻入的纖維材料能夠吸收開裂所釋放的能量起到約束裂縫的發(fā)生和裂縫增長的作用。當(dāng)在環(huán)氧樹脂基混凝土中加入橡膠類高分子來產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)后其韌性也得到了提高。為了改善環(huán)氧樹脂基混凝土的特性可以嘗試將木纖維和高分子橡膠彈性體共同作用在環(huán)氧樹脂基混凝土中。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，環(huán)氧樹脂基混凝土的研究歷史只有30余年。這種新型建筑材料的研究我國還是處于起步階段，再者短短的幾年內(nèi)很多學(xué)著發(fā)現(xiàn)了環(huán)氧樹脂基混凝土的諸多特點(diǎn)：①抗壓強(qiáng)度較高，抗沖擊和抗老化性能較強(qiáng)，韌性好且養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短；具有良好的物理性能（如耐水、耐摩擦和抗凍性能等）和化學(xué)性能（如耐化學(xué)腐蝕性能等）；②環(huán)氧樹脂基混凝土在常溫和低溫下進(jìn)行24h的養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度就可以達(dá)到最終強(qiáng)度的80%，構(gòu)件強(qiáng)度的增長速度明顯比普通硅酸鹽水泥混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的增長速度快；③環(huán)氧樹脂基混凝土強(qiáng)度的增長速度快，并且與大多數(shù)混凝土構(gòu)件能夠很好的粘接；所以，環(huán)氧樹脂基混凝土還可以作為一種高效、快速的路面鋪裝修補(bǔ)材料。