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环氧灌浆料的抗冻融循环性能研究

广州洁派化工科技有限公司2026年08月27日人气：265

环氧灌浆料作为一种高性能修补与锚固材料，在桥梁、隧道、风电基础及港口结构中应用广泛。其核心优势在于高粘结强度、低收缩率与优异的耐化学腐蚀性。然而，在寒区或季节性冻土环境中，材料长期承受冻融循环作用，水分反复结冰-融化产生的体积膨胀应力与渗透压，会显著引发内部微裂纹扩展、粘结界面退化及力学性能衰减。因此，系统研究其抗冻融循环性能，对保障结构安全与延长服役寿命具有重要的工程价值。本文基于国内外最新试验数据与规范，从机理、试验方法、性能演化规律及改性措施四个维度展开分析。

环氧灌浆料的抗冻融循环性能研究

一、冻融循环损伤机理与关键控制因素

冻融损伤的本质是材料孔隙中水的相变行为。当温度降至冰点以下，孔隙内水分体积膨胀约9%，产生静水压；同时，未冻水向冻结区迁移形成渗透压。对于环氧灌浆料，其基体为聚合物网络，与水泥基材料不同，其孔隙率较低（通常< 3%），但固化过程中溶剂挥发或反应副产物可能形成微孔（直径0.1~10 μm）。研究表明，当孔隙饱水度超过91%时，冻融破坏风险急剧上升。此外，环氧树脂的玻璃化转变温度（Tg）直接影响低温脆性。若Tg高于最低服役温度，材料在低温下从粘弹态转为玻璃态，变形能力下降，内部应力集中加剧。其他关键因素包括：水灰比（影响孔隙连通性）、固化剂类型（影响交联密度）、以及界面过渡区的粘结质量。

表1 冻融循环作用下的主要损伤机制与影响参数
损伤机制	应力来源	关键影响参数	典型破坏特征
静水压破坏	冰晶体积膨胀	孔隙率、饱水度、降温速率	表面剥落、微裂纹网格
渗透压破坏	盐浓度梯度（如除冰盐）	盐离子浓度、孔径分布	内部层状裂纹、脱层
热-力耦合疲劳	环氧基体低温脆化	Tg、交联密度、分子链柔性	脆性断裂、界面脱粘
界面冻胀剥离	基材与灌浆料热膨胀系数差	粘结强度、粗糙度、含水率	沿界面剥离、空鼓

二、试验方法与评价标准

目前国内外主要依据GB/T 50082-2009（普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准）中的快冻法，以及ASTM C666 / C672对环氧灌浆料进行适应性测试。由于环氧材料弹性模量低，标准中规定的“相对动弹性模量”评价指标需调整。常用试验程序为：试件尺寸40mm×40mm×160mm，标准养护28d后，在20±2℃水中浸泡48h至饱水，随后置于自动冻融试验箱中，循环温度范围-18℃~+5℃，每个循环周期3~4小时（其中冻结时间≥1.5h）。每25次循环测定一次质量损失率、抗压强度保留率、粘结强度保留率以及超声波波速。评价标准建议：质量损失率≤5%，抗压强度保留率≥85%，粘结强度保留率≥80%，且试件表面无明显剥落。

三、冻融循环下性能演化规律（结构化数据）

根据近年发表的试验研究（如《Construction and Building Materials》2022年文献，以及国内《建筑材料学报》2023年论文），选取典型双酚A型环氧灌浆料（固化剂为改性脂肪胺，Tg=55℃）在300次冻融循环下的数据汇总如下。表中可见，抗压强度在前50次循环内略有上升（后固化效应），随后持续下降；粘结强度对冻融更敏感，200次后下降超过30%；质量损失呈非线性加速增长，尤其在200次后。

表2 环氧灌浆料在冻融循环下的性能数据（均值±标准差）
循环次数（次）	质量损失率（%）	抗压强度（MPa）	抗压强度保留率（%）	粘结强度（MPa，与混凝土基材）	粘结强度保留率（%）
0	0	72.5±2.1	100	3.8±0.3	100
50	0.3±0.1	73.8±1.8	101.8	3.6±0.2	94.7
100	0.9±0.2	68.9±2.5	95.0	3.2±0.4	84.2
150	1.8±0.4	63.2±3.0	87.2	2.7±0.3	71.1
200	3.1±0.5	56.7±2.8	78.2	2.1±0.4	55.3
250	4.6±0.7	50.1±3.2	69.1	1.5±0.2	39.5
300	6.8±0.9	43.5±2.6	60.0	0.9±0.3	23.7

从微观结构分析，扫描电镜（SEM）图像显示：未冻融试件表面致密，树脂基体连续；100次循环后，表面出现少量微裂纹（宽度< 5μm）；200次后，裂纹连通形成网状，并可见孔隙中冰晶挤压痕迹；300次后，出现片状剥落，环氧-混凝土界面处生成明显层状裂隙，这与表2中粘结强度骤降高度吻合。同时，压汞法（MIP）测试表明，冻融后总孔隙率从初始的1.8%升至4.6%，且孔径分布向大孔方向迁移（>1μm孔隙占比从12%增至38%），说明微裂纹扩展是孔隙率增大的主因。

四、改性措施与抗冻融性能提升策略

针对上述性能退化规律，工程界已提出多种改性方案。一是降低Tg：采用柔性链段固化剂（如聚醚胺）或添加增韧剂（如液体橡胶），将Tg降至-10℃以下，确保低温下材料保持橡胶态，吸收冻胀应力。试验数据表明，改性后环氧灌浆料在300次冻融循环后，抗压强度保留率可提高至85%，粘结强度保留率提高至70%。二是引入疏水基团：通过添加有机硅烷偶联剂或纳米SiO₂，降低材料表面能，减少水分渗透，使饱水度下降至75%以下。三是优化孔隙结构：加入微米级空心玻璃微珠，引入封闭气孔，缓冲冰晶膨胀压力。下表对比了未改性与三种改性体系的抗冻融性能（300次循环后数据）。

表3 不同改性体系的抗冻融性能对比（300次循环）
体系类型	Tg（℃）	孔隙率（%）	质量损失率（%）	抗压强度保留率（%）	粘结强度保留率（%）
未改性（基准）	55	4.6	6.8	60.0	23.7
柔性固化剂改性	-15	3.9	2.5	88.2	72.4
纳米SiO₂疏水改性	48	2.8	1.7	90.5	78.9
玻璃微珠复合改性	52	5.2（封闭孔）	2.1	85.6	69.3

五、工程应用与长期耐久性评估建议

在实际工程中，环氧灌浆料常被用于伸缩缝修补、设备基础二次灌浆及桥梁支座锚固。寒区应用中，除材料本身性能外，还需考虑施工条件：环境温度低于5℃时，应选用低温固化型环氧，并保证养护期间温度波动不超过±5℃。建议在冻融敏感区域，采取表面防水涂层或憎水剂浸渍等附加防护，降低水分侵入。此外，现行规范对环氧灌浆料的冻融试验周期多沿用水泥基材料标准，未考虑其粘弹性特性，建议制定专用标准，如增加动态力学分析（DMA）测试低温模量变化，并以临界饱水度作为预评估指标。未来研究可结合数字图像相关（DIC）技术实时监测冻融过程中的全场应变，建立更准确的寿命预测模型。

六、结论

综上，环氧灌浆料在冻融循环作用下的性能退化主要表现为抗压与粘结强度持续下降，其中粘结强度衰减更为剧烈，300次循环后保留率不足25%。其损伤机制受静水压、渗透压、低温脆化及界面热失配共同控制。通过降低玻璃化转变温度、疏水改性及引入封闭气孔，可显著提升抗冻融性能至工程可接受水平。建议在实际应用中结合环境湿度与温度条件，选择匹配的改性体系，并采用多指标（质量、强度、微观孔隙）综合评价，以确保结构在寒区长期服役的可靠性。