第40卷第4期2021年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.4April,2021活性掺合料对环氧树脂修补砂浆综合性能的影响
龚建清1,2，李发磊1,2，李㊀柯1,2，屈志刚1,2
(1.湖南大学土木工程学院，长沙㊀410082;2.湖南大学，绿先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，长沙㊀410082)摘要：为了探究活性掺合料对环氧树脂修补砂浆的改性效果，为修补工程应用提供依据㊂研究硅灰和粉煤灰对环氧树脂修补砂浆力学性能㊁粘结强度㊁尺寸稳定性和抗冻性的影响，并采用扫描电子显微镜(SEM)和压汞法探究和分析影响机理㊂结果表明：环氧树脂使砂浆抗压强度降低，掺入硅灰可补偿强度损失，掺粉煤灰砂浆的强度随龄期增加而增加，但其中28d 和56d 强度低于对照组；硅灰和低掺量(ɤ10%，质量分数)粉煤灰可以提高修补砂浆粘结强度；硅灰对修补砂浆尺寸稳定性有不利影响，粉煤灰则相反；砂浆的抗冻性随着硅灰掺量增加先增加后降低，随着粉煤灰掺量增加而降低㊂
关键词：环氧树脂修补砂浆；活性掺合料；抗压强度；粘结强度；尺寸稳定性；抗冻性
中图分类号:TU528.41㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)04-1137-10
Effects of Active Admixtures on Comprehensive Properties of Epoxy Resin Repair Mortar
GONG Jianqing 1,2,LI Falei 1,2,LI Ke 1,2,QU Zhigang 1,2
(1.College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2.Key Laboratory for Green and Advanced Civil Engineering Materials and Application Technology of Hunan Province,Hunan University,Changsha 410082,China)
Abstract :In order to explore the modification effect of active admixtures on epoxy resin repair mortar and provide basis for repair engineering application,the effects of silica fume and fly ash on the mechanical properties,bonding strength,dimensional stability and frost resistance of epoxy resin repair mortar were studied.The influence mechanism was explored and analyzed by the scanning electron microscope (SEM)and mercury intrusion method.The results indicate that epoxy resin reduces the compressive strength of mortar.Adding silica fume can make up for strength loss.The strength of mortar mixed with fly ash increases with the increase of age,but the strength of mortar at 28d and 56d is lower than that of the control group.Silica fume and low-content fly ash (ɤ10%,mass fraction)improve the bonding strength of repair mortar.However,silica fume has a negative effect on the dimensional stability of repair mortar,while fly ash has the opposite effect.The frost resistance of mortar increases first and then decreases along with the increase of silica fume content.And the frost resistance decreases with the increase of fly ash content.When epoxy resin emulsion and active ad
mixture are mixed into mortar,the hydration products and the cured epoxy resin film form an interwoven spatial network structure to
improve the compactness.And silica fume and fly ash can refine the pore size of slurry.So the improvement effect of silica fume powder is better.Key words :epoxy resin repair mortar;active admixture;compressive strength;bonding strength;dimensional stability;frost resistance 收稿日期:2021-01-12；修订日期:2021-02-26
作者简介：龚建清(1963 )，男，博士，副教授㊂主要从事建筑材料的研究和开发，超高性能混凝土和泡沫混凝土性能研究㊂E-mail:
gongjianqing@hnu.edu
0㊀引㊀言环氧树脂改性砂浆是在水泥砂浆拌合物中加入环氧树脂乳液制备的复合材料㊂砂浆中掺入环氧树脂乳液，可改善砂浆的离析和泌水，提高砂浆的耐碱性和耐酸性㊂环氧树脂可以在潮湿环境和常温中固化，能增
1138㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷强砂浆的防水性能[1-2]，因此环氧树脂改性砂浆通常被用作修补材料，特别是用于水工结构的修补[3]㊂
有研究表明环氧树脂会降低砂浆的强度[4]㊂在没有增韧的情况下，固化后的环氧树脂偏脆，不利于提高修补砂浆的抗开裂能力和变形能力，还会使修补材料耐老化性变差，降低使用寿命㊂为了保证修补效果以及修补材料和基材共同工作，不仅要提高粘结强度[5-6]，还要降低体积收缩[7-8]㊂目前相关学者对此展开了一系列改性研究㊂魏涛等[9]研究了聚氨酯对环氧树脂砂浆性能的影响，发现砂浆28d抗压强度和粘结强度分别达到了40.5MPa和1.12MPa㊂王益国等[10]用改性胺类材料改性环氧树脂复合材料，使其粘结强度达到3.1MPa㊂雷卧龙等[11]发现橡胶颗粒可以改善环氧树脂混凝土弯曲韧性和变形能力㊂另外，在季节变化及昼夜温差大的地区，修补砂浆易受冻融破坏，国内外有关环氧树脂修补水泥基材料抗冻性的研究较少，直接影响修补砂浆在实际工程中的应用㊂
作为最常见的活性掺合料，硅灰和粉煤灰能有效提高混凝土的性能，但是其在环氧树脂修补砂浆的改性应用尚不多见㊂针对上述问题，本文主要研究硅灰和粉煤灰对环氧树脂修补砂浆硬化后力学性能㊁粘结强度㊁尺寸稳定性和抗冻性的影响，结合扫描电子显微镜(SEM)照片观察微观形貌和压汞法分析孔结构，探究和分析硅灰㊁粉煤灰及环氧树脂对砂浆的影响机理，为环氧树脂修补砂浆的工程应用提供理论依据㊂
1㊀实㊀验
1.1㊀原材料
水泥：湖南南方水泥厂生产的P㊃O42.5普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1㊂
砂：厦门艾斯欧标准砂，级配有三级，分别是粗砂1.0~2.0mm㊁中砂0.50~1.0mm㊁细砂0.08~ 0.50mm㊂㊀
粉煤灰(FA)：侯钢热电厂Ⅰ级粉煤灰，密度为2.6g/cm3，其化学成分见表2㊂
硅灰(SF):SiO2质量分数大于95%，灰白颗粒，烧失量1.6%(质量分数)，比表面积为20.1m2/g，其化学成分见表3㊂
环氧树脂及固化剂：深圳吉田化工生产的水性环氧树脂F0704和固化剂F0705，具体物理性能指标分别见表4㊁表5㊂
消泡剂：常温通用型有机硅消泡剂，乳白状液体，活性物质含量15%(质量分数)㊂
表1㊀普通硅酸盐水泥化学成分
Table1㊀Chemical composition of P·O42.5cement
Chemical composition Fe2O3Al2O3SO3CaO SiO2MgO
Mass fraction/%  2.70  5.50  1.9065.4021.10  3.40
表2㊀粉煤灰化学成分
Table2㊀Chemical composition of fly ash
Chemical composition SiO2Al2O3Fe2O3CaO SO3MgO Loss Mass fraction/%53.6430.549.32  4.56  1.220.72  3.86
表3㊀硅灰化学成分
Table3㊀Chemical composition of silica fume
Chemical composition SiO2Na2O Fe2O3CaO Carbon K2O MgO Loss Mass fraction/%95.800.150.57  1.47  1.040.740.23  1.60
表4㊀环氧树脂物理性能指标
Table4㊀Physical properties of epoxy resin
Type Appearance Solid content/%Viscosity/(mPa㊃s)Specific gravity pH Epoxy equivalent F0704Milk
y-white35<1000  1.01~1082~7400~800
㊀第4期龚建清等：活性掺合料对环氧树脂修补砂浆综合性能的影响1139
表5㊀环氧树脂固化剂物理性能指标
Table5㊀Physical properties of epoxy resin curing agent
Type Appearance Solid content/%Viscosity/(mPa㊃s)Specific gravity pH Active hydrogen equivalent F0705Pale yellow fluid44>2000  1.0~1088~11200~320
1.2㊀配合比
本试验采用的水胶比(W/B)为0.4，砂胶比(S/B)为1.5，环氧树脂修补砂浆具体物料比例见表6㊂硅灰掺量为8%~16%(质量分数，下同)，粉煤灰掺量为10%~30%(质量分数，下同)㊂龚建
表6㊀修补砂浆物料配比
Table6㊀Mix proportions of repair mortar
Sample Mix proportion/(kg㊃m-3)
Water Cement Sand Epoxy resin emulsion Curing agent Deformer agent SF FA C0351.5878.91318.343.9521.90.2600
S1351.5808.61318.343.9521.90.2670.30
S2351.5791.01318.343.9521.90.2687.90
S3351.5773.41318.343.9521.90.26105.50
S4351.5755.91318.343.9521.90.26123.00
S5351.5738.31318.343.9521.90.26140.60
F1351.5791.01318.343.9521.90.26087.9 F2351.5747.11318.343.9521.90.260131.8 F3351.5703.11318.343.9521.90.260175.8 F4351.5659.21318.343.9521.90.260219.7 F5351.5615.21318.343.9521.90.260363.7
1.3㊀试验方法
抗压强度和抗折强度依据‘水泥胶砂强度检验方法“GB/T17671 1999进行测试㊂粘结强度根据日本规范J
ISA6024进行测试，预制尺寸为40mmˑ40mmˑ160mm㊁水灰比为0.5㊁砂胶比为3.0的普通砂浆试样，将砂浆试样切成两半，一半放入模中，并用环氧树脂修补砂浆浇筑成型，养护28d和56d后测试粘结强度㊂抗冻性按照‘水工混凝土试验规程“SL352 2006进行测试㊂尺寸稳定性(干缩试验)按照‘聚合物改性水泥砂浆试验规程“DLT5126 2001进行测试㊂用Sigma300型扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构，用AutoPore Iv9510压汞仪测试孔结构参数㊂
2㊀结果与讨论
2.1㊀力学性能
2.1.1㊀抗压强度
图1表示环氧树脂修补砂浆抗压强度随硅灰掺量的变化㊂当硅灰掺量为8%时，砂浆28d和56d的抗压强度较对照组(C0)分别增加了14.9%和16.6%；当硅灰掺量为12%时，砂浆28d抗压强度增加了28.3%；当硅灰掺量为16%时，砂浆56d抗压强度增加了28.36%㊂从折线图变化趋势可以看出，砂浆强度的增长率在150d后逐渐变缓，增加了12%~20%㊂硅灰掺量一定时，砂浆抗压强度随龄期增加明显，硅灰掺量为8%时，砂浆56d和210d的强度分别为51.8MPa和76.8MPa，增幅达48.3%㊂图2表示环氧树脂修补砂浆抗压强度随粉煤灰掺量的变化㊂当龄期为28d和56d时，砂浆抗压强度随粉煤灰掺量的增加而降低㊂当粉煤灰掺量为10%时，砂浆28d抗压强度为39.7MPa，比对照组的45.1MPa降低了约12%；
当粉煤灰掺量为30%时，砂浆28d抗压强度为30.1MPa，下降了33.1%,56d抗压强度仍低于对照组；当粉煤灰掺量为25%时，砂浆56d抗压强度降低了25.2%，小于28d强度的降幅㊂当养护龄期大于56d后，砂浆强度随着龄期增加而增加，粉煤灰掺量为20%和25%时，砂浆150d强度分别增加了10.8%和16.2%，分别达到了61.92MPa㊁64.98MPa，砂浆210d的强度分别增加了16.7%和12.1%㊂从56d到210d，含有20%粉煤灰试样的抗压强度从33.7MPa增加到75.4MPa㊂
1140㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40
卷
图1㊀硅灰掺量对砂浆抗压强度的影响Fig.1㊀Effect of silica fume content on compressive strength of
mortar 图2㊀粉煤灰掺量对砂浆抗压强度的影响
Fig.2㊀Effect of fly ash content on compressive strength of mortar ㊀㊀文献[4]研究发现环氧树脂砂浆的抗压强度比未掺环氧树脂的空白砂浆低，随着环氧树脂掺量的增加，抗压强度增长缓慢，始终低于相应空白砂浆的强度㊂由于在水化过程中，环氧树脂中的亲水基，在固体和液体交界面吸附，部分水泥水化产物被包裹，阻碍水化反应进程，对强度不利㊂掺入硅灰后，修补砂浆的强度提高明显：一方
面硅灰的细度高和无定形二氧化硅含量高，可以填充孔隙和促进水化反应，提高砂浆基体的密实度；另一方面环氧树脂限制了水化产物中大晶体的生长[12]，细化微观结构，使基体更加密实，环氧树脂和硅灰相互作用，降低了孔隙率㊂掺入粉煤灰后，导致水泥的含量减少，在早期只有部分粉煤灰参与水化，使砂浆28d 和56d 的抗压强度降低，当龄期超过100d 后，强度才得到改善，主要是因为水化反应进行到一定程度后,Ca(OH)2积累，粉煤灰中活性SiO 2和Al 2O 3与其反应，补偿因水泥含量减少和掺环氧树脂带来的强度损失㊂2.1.2㊀折压比抗折强度和抗压强度的比值称为折压比㊂环氧树脂修补砂浆折压比随硅灰掺量的变化如图3所示㊂图3中龄期为150d 的砂浆折压比低于龄期为56d 的折压比㊂抗压强度随龄期的变化大于抗折强度的变化，硅灰掺量为0%㊁14%和16%时，砂浆的56d 抗折强度分别为10.5MPa㊁7.5MPa㊁8.15MPa,150d 抗折强度分别为10.8MPa㊁9.5MPa㊁9.6MPa，对应的变化幅度分别为2.9%㊁26.7%㊁17.8%㊂如图3所示，掺入硅灰后砂浆的折压比低于对照组，当硅灰掺量从8%增加到16%时，砂浆56d 的抗压强度增加了16.6%~28.36%
㊂图3㊀硅灰掺量对砂浆折压比的影响Fig.3㊀Effect of silica fume content on flexural-compressive strength ratio of
mortar 图4㊀粉煤灰掺量对砂浆折压比的影响
Fig.4㊀Effect of fly ash content on flexural-compressive strength ratio of mortar ㊀㊀环氧树脂修补砂浆折压比随粉煤灰掺量的变化如图4所示㊂龄期为56d 时，砂浆的折压比随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小㊂结合图2可以发现：砂浆56d 的抗压强度均小于对照组，且小于同龄期硅灰组
㊀第4期龚建清等：活性掺合料对环氧树脂修补砂浆综合性能的影响1141的抗压强度；而56d粉煤灰试验组抗折强度最小值和最大值分别为8.3MPa和9.8MPa，与掺硅灰试样的抗折强度接近㊂当龄期达到150d时，粉煤灰组的抗压强度和抗折强度均有所提高，其中抗折强度的增幅在1.7%~10.6%㊂对比图3和图4，从56d到150d，硅灰组折压比的变化小于粉煤灰组，主要是因为硅灰在固化的早期参与水泥水化反应，并有效提高了砂浆的抗压强度㊂
2.2㊀粘结强度
图5表示修补砂浆与老砂浆试块粘结强度随硅灰掺量的变化㊂从图5可以看出，硅灰使砂浆56d粘结强度显著提高，但掺量为16%时28d的粘结强度降低，可能是因为环氧树脂未充分固化，在界面区抵抗开裂的强度有限㊂养护龄期28d时，硅灰掺量在8%~10%的砂浆粘结强度有所提高，掺量为10%时粘结强度增加幅度最大，为15.7%，掺量为14%时的强度仅提高了2.6%；养护龄期56d时，砂浆粘结强度较对照组提高明显，掺量为8%时砂浆强度提高幅度最大，达到了31.9%；比较28d与56d的粘结强度，对照组提高了19.7%，硅灰组最小增幅为29.9%，高于对照组㊂结果表明，硅灰可以提高环氧树脂修补砂浆的粘结强度，且随龄期增加，改善效果提高明显㊂
图6表示修补砂浆与老砂浆试块粘结强度随粉煤灰掺量的变化，粉煤灰对砂浆粘结强度的影响不同于硅灰㊂低掺量粉煤灰(即掺量ɤ10%)时，环氧树脂修补砂浆粘结强度增强效果明显㊂但粉煤灰掺量大于10
%时，粘结强度低于对照组，随着养护龄期增加，粘结强度提高不明显㊂粉煤灰掺量为10%时，与对照组相比，在28d和56d时的粘结强度分别增加了15.8%和6.6%,56d粘结强度比28d高10.2%㊂与图5对比，观察到粉煤灰对砂浆粘结强度的改善效果不及硅灰㊂在15%~30%粉煤灰掺量下，粘结强度低于对照组，掺量为15%的砂浆28d粘结强度下降高达23.6%㊂结果表明，粉煤灰掺量超过10%对环氧树脂修补砂浆的粘结性能有不利影响，因此工程应用中应控制粉煤灰掺量不超过10%㊂
图5㊀硅灰掺量对砂浆粘结强度的影响
Fig.6㊀Effect of fly ash content on bonding strength of mortar Fig.5㊀Effect of silica fume content on bonding strength of mortar图6㊀粉煤灰掺量对砂浆粘结强度的影响
㊀㊀老砂浆的水泥水化已基本完成，修补砂浆和旧砂浆试件粘结强度主要来自物理作用机械咬合力㊂文献[4]研究发现，普通水泥砂浆在老砂浆粘结表面修补时出现泌水和气泡积聚，产生大量气孔和微裂缝；并且粘结界面Ca(OH)2晶体尺寸较大且数量多，导致界面强度显著降低㊂环氧树脂有一定的保水作用，可降低修补表面砂浆泌水；环氧树脂可限制界面大晶体的生长，减少粘结界面的缺陷，通过与
硅灰的相互填充作用，提高粘结强度㊂另外修补砂浆中的环氧树脂乳液和水泥浆会渗透老砂浆的孔和毛细管㊂环氧树脂在基体空隙中形成薄膜，并且牢固吸附在基质砂浆的表面上，有效改善了粘结效果㊂硅灰粒径小，比水泥颗粒和粉煤灰粒径小两个数量级，可以有效填充水泥颗粒及骨料之间的空隙，并且硅灰具有火山灰活性，反应形成C-S-H凝胶填充在老砂浆的孔中，不仅提供机械咬合力，而且细化了孔径㊂因此掺入硅灰后粘结强度得到改善，而粉煤灰仅在低掺量(ɤ10%)时对粘结强度有利㊂
2.3㊀尺寸稳定性
图7表示环氧树脂修补砂浆干燥收缩随硅灰掺量的变化㊂当硅灰掺量为8%㊁10%和12%时，砂浆干燥收缩低于对照组，并且随着硅灰掺量的增加，干燥收缩的降低程度越来越小；掺量为8%时，砂浆45d的收缩为对照组的41.9%；掺量为12%时，与对照组相比，砂浆45d的收缩降低约6%㊂当硅灰掺量超过12%时,