水性环氧树脂改性水泥砂浆的制备及抗裂性能

尹浩，周进俊，孙德文，李波，冉千平

(1.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京211103）

0 引言

随着混凝土建筑物服役年限的增加， 目前许多工业和民用建筑已经或多或少地出现了一些问题。 裂缝和表面破坏是建筑物服役过程中最常见的病害之一。 对于已经存在病害的混凝土建筑物，工程上很早就开始采用相对经济可行的修补和翻新技术。 环氧树脂材料因其强度高、粘结性好、耐化学品和耐碱腐蚀等优越的性能， 作为建筑物修补和翻新材料， 在国内外许多建筑工程上已应用多年[1-4]。 普遍应用的环氧树脂是一种高黏度、不溶于水的油溶性聚合物， 开发水性环氧树脂逐渐成为行业热点之一。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

环氧树脂E51，环氧当量190 g/mol，工业级，南亚昆山树脂厂；聚乙二醇单甲醚MPEG-1000，羟值51 mgKOH/g，工业级，南京博特新材料有限公司；三苯基膦，工业级，安徽金善化工科技有限公司；固化剂型号Anquamine 287，工业级，赢创化学公司；水泥，P·I 52.5，小野田水泥有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乳液的物理性能

乳液的平均粒径是通过HELOS / SUCELL 湿式激光粒径分析仪在25 ℃下测量的。 乳液的粘度是通过布氏粘度计在25 ℃下测量的。

1.2.2 乳液稳定性

取20 ml 乳液，分别在转速1 000 rpm、2 000 rpm、3 000 rpm、4 000 rpm 和5 000 rpm 下离心30 min。没有出现分水现象， 说明该转速下的乳液稳定性好。不分水情况下的转速越大，说明乳液越稳定，保存时间越长。

1.2.3 乳液改性水泥砂浆的力学强度

抗压强度和抗折强度采用GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》(ISO 法)进行检测。

1.2.4 乳液改性水泥砂浆的抗裂性能

在0.5 水灰比的水泥净浆中加入一定掺量的水性环氧树脂，拌和均匀后摊铺于钢板上，厚度为5 mm。待其硬化后观察表面裂纹情况，结合水性环氧树脂的掺量，定性判断抗裂性能。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂的原位制备

将计量的聚乙二醇单甲醚MPEG-1000 和环氧树脂E51 加入带有搅拌装置、 温度计的三口烧瓶中，搅拌并加热至120 ℃。 然后一次性加入占环氧树脂质量1%的三苯基膦作为催化剂， 继续在120 ℃下搅拌12 h，最后冷却至室温即得乳化剂和环氧树脂的混合物，无需分离，直接加水高速分散乳化，分散速度1 000 rpm，分散盘直径8 cm。 乳化剂分子结构如图1 所示。

图1 乳化剂分子结构

2.2 乳液的粒径

由图1 可知， 在合成的乳化剂分子结构中，将聚乙二醇单甲醚MPEG-1000 作为亲水性链段，将环氧树脂E51 作为亲油性链段， 计算出理论亲水亲油平衡值（HLB）为14.49。 这与文献报告的环氧树脂乳化剂的HLB 值非常吻合。 聚乙二醇单甲醚MPEG-1000 的用量与乳液的平均粒径的关系如图2 所示。 在5%～20%范围内，MPEG-1000 的用量与粒径没有显著的关联性，都能制备得到粒径较小的乳液，说明原位制备的乳化剂的乳化能力较强。

2.3 乳液的粘度

当乳液的固含量为50%时， 聚乙二醇单甲醚MPEG-1000 的用量与乳液的粘度的关系如图3 所示。 由图3 可知，随着MPEG-1000 用量的增加，乳液粘度越来越大。 一方面，提高MPEG-1000 的用量会生成更多的MPEG-1000 和环氧树脂反应而成的乳化剂，从而增加体系的粘度；另一方面，胶束粒子表面的聚乙二醇链段的含量相对增加，可能会增加胶束粒子之间的分子作用力，也导致了最终乳液粘度的增加。

图2 MPEG-1000 的用量对水性环氧树脂粒径的影响

图3 MPEG-1000 的用量对水性环氧树脂粘度的影响

2.4 乳液的稳定性

利用不同用量的聚乙二醇单甲醚MPEG-1000制备水性环氧树脂乳液，在不同转速下的离心稳定性如表1 所示。 由表1 可知，当MPEG-1000 用量是环氧树脂质量的5%时，制备的乳液仅在离心转速1 000 rpm 时不分水， 说明稳定性很差；当MPEG-1000 用量是环氧树脂的质量10%和15%时，离心转速在3 000 rpm 时不分水，说明稳定性良好；如果想要得到优异的稳定性，也就是在转速5 000 rpm 时不分水， 需要将MPEG-1000 用量提高至占环氧树脂质量的20%。 MPEG-1000 用量的增加，实际上提高了乳液粒子的亲水性能，改善了与分散相水的相容性，导致稳定性的大幅提升。 另外，粘度的增加也有助于提高乳液的稳定性。

2.5 改性水泥砂浆的力学强度

用MPEG-1000 占环氧树脂质量的20%的比例制备水性环氧树脂乳液，并与固化剂Anquamine 287按照环氧基和胺基等当量的比例进行混合搅拌，然后按照不同的聚灰比（P/C）设计拌和水泥砂浆，分别测试砂浆28 d 龄期的抗压强度和抗折强度，结果如图4 所示。 由图4 可知，随着聚灰比的增加，抗压强度先小幅下降，随后增加，最后又下降。 当聚灰比为15%时，抗压强度最大。另外，抗折强度的发展趋势不同于抗压强度，它随着聚灰比的增加而增加。 因此综合考虑，可以选择聚灰比15%作为最优掺量，此时抗压强度为62 MPa，抗折强度为14 MPa。

表1 MPEG-1000 用量对乳液稳定性的影响

图4 聚灰比对改性水泥砂浆抗压强度（左）和抗折强度（右）的影响

2.6 改性水泥砂浆的抗裂性能

水泥砂浆的抗裂问题一直是建筑材料领域十分关注的热点课题。添加聚合物是增加水泥砂浆抗裂性的方法之一。试验研究了水性环氧树脂的掺量对抗裂性能的影响。 聚灰比（P/C）与抗裂性的关系照片如图5 所示。 由图5 可知，不掺水性环氧树脂的水泥砂浆因为早期的塑性收缩出现了多道细小裂缝。当聚灰比为2.5%和5%时水泥砂浆同样出现了裂纹， 而且裂缝比不掺水性环氧树脂的砂浆更宽。 这是因为水性环氧树脂的掺入，与水泥发生吸附，导致自由水的增加，即水性环氧树脂具有减水作用，自由水的挥发导致了更宽的裂缝。 当聚灰比达到10%以上时，裂纹消失了，这是因为只有水性环氧树脂占有足够的体积时，其较强的内聚力才能克服水泥砂浆因塑性收缩导致的收缩应力。 因此，聚灰比为10%作为优选的水性环氧树脂掺量，能够达到很好的抗开裂性能。

图5 聚灰比对改性水泥砂浆抗裂性的影响

3 结论

（1）利用聚乙二醇单甲醚MPEG-1000 与环氧树脂E51 原位反应制备出了稳定性优异的水性环氧树脂。 通过对自制水性环氧树脂的粒径、粘度和离心稳定性的分析，确定了MPEG-1000 占E51 质量的20%为最优选的条件。 最终制得粒径为0.7 μm、 粘度为420 mpa·s、 在5 000 rpm 转速下离心稳定的水性环氧树脂。

（2）将上述优选的水性环氧树脂制备改性水泥砂浆，测定其抗压强度和抗折强度。结果表明，水性环氧树脂改性水泥砂浆的抗压强度显示了随着聚灰比的增加先减少后增大，最后又减少的趋势；抗折强度则是随着聚灰比的增加而增加。聚灰比为15%时抗压强度达到最大值62 MPa，抗折强度14 MPa，能够满足大多数工程的应用要求。

（3）通过将水性环氧树脂掺入0.5 水灰比的水泥净浆中考察抗裂性能。 结果表明，随着聚灰比的增加， 水泥砂浆的抗裂性能显示先增大后减缓，最后不开裂的规律。 聚灰比至少在10%以上时，才能够实现水泥砂浆不开裂。