程德金¹，汪洁¹，李禅禅²，宋家乐¹，李炜光²

(1长安大学材料科学与工程学院，2长安大学公路学院，西安 710064）

摘  要：基于环氧树脂材料延伸率低、脆性大，本文通过分子结构设计，在通用环氧树脂E-51中引入端基为高活性异氰酸酯基团的聚醚柔性链段，制备了改性环氧树脂MEP-15，研究了改性环氧砂浆的力学性能和路用性能。结果表明：固化温度为 30~35℃ 时， 660稀释剂：MEP-15环氧树脂=0.3:1，可使混合物达到最佳拌和粘度170mPa·s；水泥掺量为环氧树脂掺量的100%~120%，该改性环氧砂浆7d 的固化度达到 90%，抗压强度为 30~45MPa，抗折强度大于 11.7MPa，，弹性模量为 4000~6000MPa；抗压强度比通用环氧砂浆稍低，但是抗折性与韧性突出，有效改善了环氧砂浆的脆性。

关键字：环氧树脂；改性环氧砂浆；粘度；抗折强度；弹性模量

0 引言

近年来，随着交通运输行业的发展，水泥混凝土路面承载的交通量逐年增加，早期破坏现象越来越多，修补加固工作也日趋繁重，水泥混凝土路面早期修补己成为公路养护管理部门一项紧迫任务。在进行水泥混凝土路面修补时，选择恰当的修补材料，是保证水泥混凝土路面修补质量的关键技术之一^[1-2]；用于水泥混凝土路面修补的材料很多，按材料性能分为无机类修补材料、有机类修补材料及无机材料和有机材料的复合物。环氧砂浆是研究人员普遍认同的一种有机材料与无机材料的复合材料^[3-4]。

环氧砂浆是由有机和无机材料组成的多相复合材料，其中有机材料为环氧树脂，在砂浆中起到胶结作用^[5]；无机材料一般为惰性填料，如中砂、水泥等硅质材料是环氧砂浆比较优良的无机材料选择；为了优化其性能或是达到某种特定性能指标，一般还要加入各种外加剂，如增韧剂、稀释剂等^[6]。

中国水利水电科学研究院的买淑芳^[7]，通过分析增韧剂对环氧树脂断裂韧性的影响，研究了环氧砂浆的增韧特性；然后通过正交试验研究了流速、增韧剂掺量、填料比例、含沙量四个因素对环氧砂浆磨蚀性能的影响；进而提出了一种高抗冲磨环氧砂浆—HD-EP。长沙理工大学的李宇峙^[8]等人研究了针对钢桥面铺装出现的大量早期损坏的问题，对环氧树脂结合料配方和环氧树脂混凝土级配研究。

由于环氧树脂固化物延伸特性差，脆性大，当与旧水泥混凝土路面材料胶结时，胶结处承受外应力过大，很快会造成缺陷区扩展，裂缝蔓延，从而导致胶层开裂，使胶接处耐疲劳和冲击性能差。因此，必须对环氧树脂进行改性，本文通过分子结构设计，在通用型双酚 A 环氧树脂分子中引入柔性链段，制备了改性环氧树脂MEP-15，以改性环氧砂浆的力学性能、施工和易性、产物固化程度等为考察指标，研究了环氧砂浆的路用性能。

1试验原材料与方法

1.1试验原材料

双酚A型环氧树脂，工业品，无锡树脂厂；低粘型593 固化剂，工业品，岳阳石油化工总厂；活性稀释剂 660（环氧丙烷丁基醚）和活性稀释剂XY207（聚丙二醇二缩水甘油醚），指标参数见表1；促进剂，某叔胺化合物；水泥，P·O 42.5，秦岭水泥厂；普通中砂。

1.2试验方法

本文选择引入柔性链段的化学改性方法增韧双酚 A 型环氧树脂，即通过甲苯二异氰酸酯（TDI）与柔性链段聚醚二元醇反应制备端基为高活性异氰酸酯基团的柔性链段，并将此链段通过异氰酸酯基团与环氧树脂中仲羟基反应引入分子链中。制备了改性环氧树脂 MEP-15，其性能指标见表1。 

表1   环氧树脂性能指标

环氧砂浆基材配合比是环氧树脂:水泥:中砂=1:1.8:3，其中稀释剂根据拌和物的和易性可适当变动。以普通水泥砂浆的制作和检测方法来指导环氧砂浆的力学性能试验，将拌和均匀的环氧砂浆浇注到标准试模( 40mm×40mm×160mm)中成型，放到室内自然养护。环氧砂浆的配制过程如图1所示。

           图1  环氧砂浆配置流程图 

2试验结果与讨论

2.1环氧砂浆施工粘度与拌和温度的关系

环氧砂浆的强度形成与环氧稀释液的粘度有很大的关系。环氧稀释液粘度很低时，集料很容易沉降到底部，造成砂浆离析，使环氧砂浆结构层材料分布不均匀，使用性能不能得到保证；反之，环氧砂浆中液体不足以裹附集料表面，造成砂浆工作性能下降，强度降低，耐化学腐蚀性能下降。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的规定，对于普通沥青以及改性沥青混合料，其最佳的拌和温度为结合料的粘度为 170mPa•s 时的温度。

MEP-15 环氧树脂是课题组自主开发的弹性环氧树脂材料，具有是环氧值低、固化物强度高、弹性模量较低、不易破碎、粘接能力强、防水性能好等特点。研究针对 MEP-15改性环氧树脂的粘度大的特点，

采用两种不同的稀释剂对改性环氧树脂稀释处理。

图2  稀释效果图

根据图2中粘温曲线，综合考虑弹性环氧砂浆对拌和粘度的要求，可以根据户外温度，选择合适的环氧稀释液配比。在使用 XY207 作为稀释剂，当户外温度为 25~30℃时，取稀释剂：树脂=1.5:1；户外温度为 30~35℃，取稀释剂：树脂=1~1.5:1；户外温度在 35℃ 以上，取稀释剂：树脂=1:1。使用 660作为稀释剂时，户外温度为 25~30℃，取稀释剂：树脂=0.3~0.4:1；户外温度为 30~35℃，取稀释剂：树脂=0.3:1。当户外温度为35℃以上时，适当降低稀释剂的用量，以满足弹性环氧砂浆的拌和粘度要求。

2.2固化剂和促进剂对环氧砂浆固化性能的影响

环氧树脂在固化过程中物理性能发生了变化，而这些变化实质上是化学结构变化的表象，也就是说微观的化学变化通过宏观的物理性能变化表现出来。由此可以通过环氧树脂在固化过程中物理性能和化学性能的变化来推断固化度。

本试验采取丙酮萃取法对环氧固化体系的固化度进行测试，结果如表2所示，即环氧树脂未固化时易溶于有机溶剂丙酮，而固化后变成网状结构，分子量增大，难溶于丙酮。采用丙酮萃取出环氧树脂固化物中的可溶成份，即未固化的环氧树脂。对萃取前后的质量差进行计算，求出固化度。

 

表2  环氧固化体系固化度测试结果

四种环氧固化体系在相同龄期的固化度差别很小，说明两种树脂的化学性质相似，固化反应的速率相当。养护温度对龄期为 1d 的固化度的影响很大，E-51 环氧树脂在 30℃和 40℃两种温度下养护，其固化度分别为 26.84%和 35.59%。环氧砂浆的主要强度来源于环氧稀释液的固化物和各种混合材料的胶结物；环氧砂浆在 7d 时，固化程度已达到将近 90%。这对于现代化交通条件下的快速修补材料的配制提供了研究基础。

2.3水泥掺量对弹性环氧砂浆力学性能的影响

取环氧树脂：660 稀释剂：593固化剂：叔胺促进剂：中砂=1:0.4:0.4:0.03:3，水泥掺量以环氧树脂质量百分比计算，分别为 60%、100%、120%、150%、200%，考察水泥掺量对弹性环氧砂浆性能的影响。由于环氧树脂混凝土硬化及强度发展快，实验以 7d 室内自然养护后，各组试件的抗压强度、弹性模量见下表3和图3。

 

表3  水泥掺量对环氧砂浆力学性能的影响

图3  水泥掺量对环氧砂浆力学性能的影响 

从表3和图3中可以看出，抗压强度在一定范围内随着水泥掺量的提高而增加，是由于水泥的掺入使弹性环氧砂浆的密实度有所提升，水泥在其中起到填充作用。但是当水泥掺量超过某一范围后，由于水泥的表面积很大，环氧树脂胶液不足以附着其表面，虽然稀释剂的增加会有改善，但是环氧树脂的相对含量降低，引起水泥颗粒间的粘接能力下降，弹性环氧砂浆固化物的强度反而有所下降。而水泥掺量增加时，弹性模量持续上升。这是由于水泥含量较少时，弹性环氧砂浆呈现 MEP-15 环氧树脂本身的特性，即与通用环氧树脂相比，呈现强度低，弹性模量低的特点。随着水泥含量增加，水泥颗粒对外界施加的荷载的卸荷能力增强，故弹性模量会提高。

2.4环氧砂浆施工和易性和容留时间研究

从试件成型过程知，MEP-15 弹性环氧砂浆的施工性受水泥与树脂稀释液掺量比例影响较大，其比例较小时弹性环氧砂浆粘度较小，施工比较容易，砂浆表面易抹平，但是胶结料容易渗出，容易发生分层离析现象，而且弹性环氧砂浆固化后的强度较低；随着比例的增大，插捣成型性好，弹性环氧砂浆固化物的强度增加，但当比例太大时因为砂浆太干，不易振捣，成型困难。当水泥与树脂稀释液掺量比例采用为 1:1.5~2 时，弹性环氧砂浆试件成型性好，容易振捣密实、抹平，能满足修补现场施工要求。

表4  环氧稀释液的容留时间与凝胶时间试验结果

修补用环氧砂浆对容留时间的要求较高，要有较长的适用期，以满足现场施工操作的要求。从表4可知：以 660 为稀释剂的环氧砂浆配方 MEP-660-5 和 MEP-660-8 在温度为 25℃条件下容留时间适中，比较适宜于路面修补施工。在温度为 35℃温度条件下，适用于现场拌合情况下的，路面快速修补施工。

3结语

（1）对于 MEP-15 环氧树脂，户外温度为 30~35℃时，取660稀释剂：树脂=0.3:1，可以使树脂的粘度达到最佳施工粘度170 mPa·s。

（2）MEP-15 弹性环氧砂浆在室温条件下养护 7d 时，固化程度已达到将近 90%。这给路面修补后快速开放交通提供了有利条件。

（3）从抗压强度和弹性模量角度考虑，水泥掺量为环氧树脂掺量的100%~120%，改性环氧砂浆7d的抗折强度大于 11.7MPa，比通用环氧砂浆高；弹性模量为 4000~6000MPa，其韧性突出；其7d抗压强度为 30~45MPa，比通用环氧砂浆稍有下降。