分类：建筑论文 时间：2022-01-07 热度：472
摘 要：基于混凝土等建筑材料裂缝的形成原因及研究现状，我们综合分析了几种常用于高弹性环氧基裂缝修补材料改性的材料，如：丁腈橡胶、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚醚胺等。并就其应用需求，对几种材料的结构改性方法进行具体研究。研究结果表明，未来研发的环氧基材料必须具有弹性高，耐老化、耐湿热等优良性能，才能更好地应用于混凝土建筑材料的裂缝修补中。
关键词：高弹性环氧基材料;裂缝修补材料;耐老化;改性
0 引言
早在一百多年前，混凝土就已经被当作工程结构材料被应用于工程建筑中，是一种必不可少的建筑材料。随着建筑工程的发展，社会对混凝土的性能要求越来越高，传统的低强度的混凝土已经无法满足需求，因此研究者们对混凝土结构进行改性，研发出了强度更高性能更好的混凝土材料，这使得混凝土的应用更加广泛。但是随之而来也产生了一些问题：在实际使用过程中，绝大部分的混凝土工程或多或少都会出现大大小小的裂缝。
由于裂缝产生的原因不同，裂缝的类型也不同。有的裂缝是只是在表面形成，工程结构的承载能力不受这种类型的裂缝的影响;而有些裂缝却从结构内部开始形成的，这些裂缝不仅会影响工程结构的承载力，甚至会影响建筑的使用功能;更加严重的裂缝还有可能引起工程结构渗水，使内部的钢精生锈，从而导致整个建筑工程的使用功能受损。近些年，居民区住宅楼出现裂缝的问题非常严重，已经对人们的日常生活造成了影响，引起了住户对住宅楼安全的质疑，因此社会各界特别是工程界都很重视这个问题。所以，对混凝土建筑材料中形成的裂缝及时进行修补非常重要。
常用的混凝土裂缝修补方法主要有4种：压力注浆法、填充密封法、注射法和表面涂层封闭法等[1]。 其中，压力注浆法是近年来使用最为广泛的修补方法。由于水泥的流动性和可灌性较差，因此传统的水泥注浆法逐渐被化学注浆法代替。高弹性的含有大量环氧基团的树脂材料具有化学性质稳定、强度高、韧性好、粘接能力强、收缩率小等优点，被广泛应用于混凝土裂缝修补的注浆法中。甚至可以根据实际需求，利用这类环氧树脂材料对工程建筑中产生的细微裂缝进行处理。然而，也正是由于含有大量环氧基团，导致环氧树脂材料固化后形成的结构交联密度大，抗应力冲击性较差，因此这种材料必须进行改性。本文基于混凝土等建筑材料裂缝的形成原因及研究现状，综合分析了几种常用的高弹性环氧基裂缝修补材料的改性方法以及这几种材料在裂缝修补技术中的应用进展，并为今后应用于混凝土材料裂缝修补材料的研发提供方向。
1 混凝土建筑材料中裂缝的形成原因及修补方法
1.1 混凝土建筑材料中裂缝形成的原因
混凝土建筑材料出现裂缝已经是普遍现象，形成这些裂缝的机理比较复杂，很多因素都会导致这些裂缝的形成。不仅需要考虑外部因素给材料带来的影响，还要从材料本身找原因。
一般情况下，混凝土材料形成裂缝的原因有两种：
1) 由于混凝土材料本身的结构强度过大、韧性不够，当温度、湿度发生改变时、材料就会产生膨胀或收缩而变形。工程建筑中混凝土的制作方法是将砂石骨料、水泥等材料加水混合搅拌均匀，再使其自然风干硬化。由于混凝土组成材料较多，各种材料的物理性质差异较大，水泥浆在发生硬化的过程中体积明显收缩，而砂石骨料的硬度大受温度、湿度影响较小，收缩程度很小。因此当不受外部作用力时，混凝土可能在形成的过程中就受自身材料的限制而发生变形而产生裂缝。当然，如果此时外力作用较小或变形不太严重，就不会表现为外部的裂缝。
2) 由于外部给材料施加的压力大于材料本身的承载能力而产生的裂缝。随着建筑物的使用，混凝土材料会受到外部作用力，这时混凝土在硬化过程中产生的变形就会进一步加剧，当外部施加的作用力超过形变的稳定范围时，就会在表面形成裂缝
1.2 混凝土建筑材料中裂缝修补的常用方法
混凝土建筑材料中的裂缝形成后如果得不到及时控制，裂缝内就可能会被杂质入侵，水分也会从裂缝进入材料内部使得材料内部结构发生改变，从而影响混凝土的各项性能，甚至使材料完全失去承载能力。尤其是在路面铺设过程中对混凝土养护不当形成裂缝，就会使路面的承载能力下降，大大路面使用寿命，而重建又需要大量的资金和材料。因此，为了节省资金与资源，就需要对产生的裂缝进行修补。裂缝修补的常用方法有
1) 表面涂层封闭法。这种方法的原理是将修补液涂在裂缝表面，利用混凝土裂缝的毛细作用，吸收黏度较低但是渗透性较好的修补液，对裂缝进行封闭。如果是对房屋的楼板或者是需要防止渗水的地方进行裂缝修补，除了涂修补液以外，还需要在表面再粘上一层复合纤维材料加强对涂层的保护作用。
2) 注射法。这种方法的原理是利用注射器或者压力枪把黏度较低、强度较高的用来修补裂缝的胶液注射到裂缝中。这种注射法对独立的裂缝或者呈现蜂窝状的裂缝的修补具有很好的效果。在使用注射法进行裂缝修补之前还需要根据说明书的描述对裂缝周围的混凝土材料进行封闭处理。
3) 压力注浆法。压力注浆法的原理是在修补液固化之前，利用高压将裂缝修补材料压入混凝土材料的裂缝中。这种方法对较大的贯穿性裂缝或者很严重的蜂窝状裂缝的修补很有效。通常这种方法修补裂缝时，需要注入的修补液比注射法修补时多很多。因此在选择修补方法时，应该视具体裂缝的情况而定。
4) 填充密封法。这种方法的原理是先将裂缝附近的混凝土材料沿着裂缝凿开形成u形槽，然后将裂缝修补材料填充到沟槽中，待修补液固化后在表面粘上一层复合纤维材料对填补的表面进行密封处理。这种方法对活动和静止裂缝的填充都有效。需要特别注意的是，在填充完修补液后记得在其表面粘上一层纤维材料以防止渗水。
近年来研究者们对混凝土建筑材料中裂缝修补方法做了大量研究，并根据裂缝的特点制备了多种可用于裂缝修补的新型有机高分子材料。研发出的新材料主要有环氧树脂类，丙烯酰胺类和聚氨酯类的高分子有机材料。其中环氧树脂类的材料对混凝土建筑中的裂缝修补有显著效果。
2 高弹性环氧树脂基裂缝修补材料的研究现状
在目前的建筑工程实际中，如何对混凝土材料中产生的裂缝进行及时快速地修补依然是一个很大的难题。市面上的混凝土裂缝修补材料有很多，其中高弹性环氧基树脂材料是目前使用最广泛的一种。高弹性环氧基有机高分子树脂材料具有粘结能力强，化学性质稳定不易被腐蚀，绝缘性强，强度大等优异的性能，能满足各种裂缝的修补条件。为了满足目前实际混凝土裂缝修补的新需求，可以将高弹性环氧树脂进行改性或者向材料中加入一定的固化剂使其性能更加优异。高弹性环氧基高分子树脂是裂缝修补液中的主要成分，它的性能好坏决定了裂缝修补液的性能好坏，因此研究者们致力于混凝土的修补技术，研发出了多种改性方法。目前用于改性的主要方法有：利用聚氨酯、聚醚胺、丙烯酸酯橡胶、丁腈橡胶和锁水甘油醚等对高弹性环氧基材料进行结构改性[2]。
2.1 利用聚氨酯对高弹性环氧基材料改性
聚氨酯是一类热塑性良好的橡胶。这类橡胶的弹性很高，低温就可以成型，超级耐磨，并且可以与环氧基树脂互溶，因此被用作高弹性环氧基树脂的增韧剂。其中聚碳酸酯是一种链长很长且排列规整的聚氨酯橡胶，这种橡胶中包含大量排列整齐的六亚甲基基团，因此能够大幅提高聚氨酯与高弹性环氧树脂之间的相容性以及环氧树脂的韧性和粘结强度，但是与聚醚类的高分子材料相比，聚氨酯类对环氧树脂胶的抗冲击性提高的作用较小。聚氨酯末端所带的端基不同，性质差异也很大，因此对环氧基裂缝修补材料的增韧效果也不同。例如：端基带有酚羟基和芳香胺等基团的聚氨酯粒径分布比较小，因此对环氧基材料的增韧效果更好。
研究表明，通过改变聚氨酯增韧剂和环氧基树脂的比例，可以使复合体系的压强达到67MPa，拉伸强度达到22.4MPa，抗折粘接强度高于砂浆本体的粘接强度，断裂伸长率达到23%，各项物理力学性能完全满足实际要求，可以用作温度裂缝的修复用材料[3]。在实践中采用聚氨酯增韧后的环氧基树脂材料对混凝土建筑的裂缝进行修补后，原本有裂缝的混凝土建筑不会出现渗漏现象，并且承载能力与产生裂缝前的承载能力相当，能够达到建筑设计的要求。
2.2 利用聚醚胺对高弹性环氧基材料改性
研究者们通过改变柔性聚醚胺的相对分子质量和官能团，制备得到了一系列固化剂，通过对双酚A型环氧树脂的固化研究，获得了一系列兼具强度和弹性的高弹性-高伸长的改性环氧树脂。通过研究还发现，分子量为 2000 的聚醚胺不仅能够大幅提升环氧基树脂的韧性，使可拉升长度增加，还可以使环氧基树脂的弹性大大增加。进一步调整聚醚胺的分子量大小比例发现，当我们将分子量为400和分子量为2000 的聚醚胺均匀混合使用对环氧基材料进行改性时，这样得到的环氧基树脂的弹性和伸长性都很高。当增韧剂中分子量为 2000 的聚醚胺含量过大时，得到的环氧基树脂的脆性较大、延展性差，因此不利于增加拉伸率。除此之外，聚醚胺还可以增强环氧基树脂在低温条件下的韧性，但是由于聚醚胺的结构中含有大量的醚键，因此该材料具有一定的亲水性，只能应用于干燥环境中的混凝土材料中裂缝的修补。
2.3 利用聚丙烯酸酯对高弹性环氧基材料改性
利用聚丙烯酸酯对高弹性环氧基裂缝修补材料进行改性的方法主要有：(1)首先将可以与环氧基团或者羟基发生反应的基团引入到丙烯酸酯聚合物中，然后将带有活性基团的丙烯酸酯聚合物通过接枝的方式与需要改性的环氧基树脂结合，这样可以增强二者之间的相容性;(2)选用具有核壳结构的丙烯酸酯聚合物对环氧树脂材料进行改性，这种结构可以降低环氧基树脂材料的内应力，从而使其弹性增加。
当利用第 (2) 种方法对环氧基裂缝修补材料进行改性时，选用的核壳结构聚丙烯酸酯单体的性质对最终得到的材料的外部性能表现有很大的影响。这是由于环氧基树脂与丙烯酸酯聚合物增韧剂之间是以物理吸附和化学键合的方式进行组装的，因此丙烯酸酯的壳层结构不同，会直接导致二者结合的作用力不同，这就会对最后形成的材料的性质产生巨大影响。
进一步研究发现，当我们将可以与环氧基团或者羟基发生反应的基团引入到丙烯酸酯聚合物单体结构中后，聚丙烯酸酯与环氧基裂缝修补材料之间的相容性明显提高。除此之外，引入活性基团还能提高环氧基树脂材料与混凝土中砂浆之间的的粘结强度，使修补液的韧性增加，可拉伸长度范围增加。
2.4 利用丁腈橡胶对高弹性环氧基材料改性
橡胶具有韧性强、可拉伸的特点，因此当我们利用橡胶对环氧基材料进行改性后，可以提高材料的弹性和韧性。液态的橡胶一般是通过化学键的作用与环氧基材料结合，从而提高环氧基材料的韧性，其中丁腈橡胶就是用来增韧环氧基材料时使用最为广泛的液态橡胶。
利用丁腈橡胶对高弹性环氧基材料进行改性首要考虑的问题是二者的溶度是否匹配。只有当溶度匹配时，液态丁腈橡胶才能与环氧基材料互溶，并且在混合液体固化过程中可以将加入的丁腈橡胶微粒部分析出，达到相分离的效果，从而使环氧基材料的韧性和弹性都变大。若溶度不能匹配，增韧效果就会大打折扣。
叶姣凤等[5]利用丁腈橡胶改性环氧树脂制备了一系列混凝土裂缝修补剂，研究表明，通过改变丁腈橡胶的含量，可以得到综合性能优良的修补材料，使得这类裂缝修补材料兼具良好的拉伸剪切强度、弯曲强度和断裂伸长率，同时其与混凝土的粘接性优异，修补前后混凝土试块的压缩强度损失率较小。
2.5 利用缩水甘油醚对高弹性环氧基材料改性
利用缩水甘油醚对高弹性环氧基材料改性得到的环氧基树脂，其弹性大小取决于缩水甘油醚中柔性和刚性片段的聚合比例，因此我们可以按照实际需求调整材料的弹性大小。此外，我们通过向酚类刚性结构中引入柔性脂肪醇链来制备缩水甘油醚改性的高弹性环氧基材料时，还需要考虑反应过程中的温度影响，催化剂用量多少以及反应时间长短等，这些也是会对最终材料的弹性造成影响的重要因素。
陈晓龙等[6]利用缩水甘油醚与环氧树脂进行复配制备了新型低黏度裂缝修补材料，试验结果表明，其压缩强度、拉伸剪切强度都能满足动荷载混凝土细微裂缝的修补要求，具有较好的应用前景。
通过上述对5种高弹性环氧基材料的改性方法的综合分析，我们发现，通过改变聚氨酯增韧剂和环氧基树脂的比例，可以对环氧基裂缝修补材料起到不同程度的增韧效果;聚醚胺的结构中含有大量的醚键，具有一定的亲水性，只能应用于干燥环境中的混凝土材料中裂缝的修补;聚丙烯酸酯中引入活性基团能提高环氧基树脂材料与混凝土中砂浆之间的的粘结强度，对修补液的增韧效果较好;当溶度匹配时，液态丁腈橡胶对环氧基材料的改性效果最佳;而缩水甘油醚对高弹性环氧基材料改性后的修补液更适宜于对动荷载混凝土细微裂缝进行修补。
3 结语
文章基于混凝土等建筑材料裂缝的形成原因及研究现状，综合分析了几种常用的高弹性环氧基裂缝修补材料的改性方法，以及这几种材料在裂缝修补技术中的应用进展。综合分析可知对环氧基裂缝修补材料的改性过程本质上是提高材料弹性和韧性的过程。希望通过我们的研究为今后应用于混凝土材料裂缝修补材料的研发提供方向。研究结果表明，未来研发的环氧基材料必须具有弹性高，耐老化、耐湿热等优良性能，才能更好地应用于混凝土建筑材料的裂缝修补中。——论文作者：李 瑞
参考文献
[1] 马瑞杰，山颖获，李春轩，等.混凝土建筑材料用高弹性环氧基裂缝修补材料的研究进展[J].粘接，2017(3)： 58-61.
[2] 刘佳，程显明，王艳，等.高弹性环氧树脂的合成[J]. 云南化工，2015，42(2)：41-43.
[3] 钟健生.高韧性环氧树脂灌浆修复混凝土楼板温度收缩裂缝的研究[D].赣州：江西理工大学，2009，56-58.
[4] 张军营，傅婧，张孝阿，等.聚醚胺对高弹性-高伸长率环氧树脂胶粘剂力学性能影响的研究[J].精细化工， 2009，26(7)：192-196.
[5] 叶姣凤.混凝土裂缝修补用长效抗冻融环氧树脂开发研究[D].兰州：兰州交通大学，2013，32-44.
[6] 陈晓龙，朱华，张晓华，等.低黏度裂缝修复用压注胶的制备与性能研究[J].新型建筑材料，2014，41(7)：58-60.
