环氧树脂/聚丙烯纤维协同改性水泥基注浆材料修复盾构隧道管片裂缝的性能与微观机制

《Materials Today Communications》：Study on the Repair Performance of Epoxy Resin/Polypropylene Fiber Composite Grouting Material for Tunnel Segment Cracks

　　

研究人员开发了一种环氧树脂（EP，Epoxy Resin）/聚丙烯纤维（PF，Polypropylene Fiber）共改性水泥基注浆材料，用于盾构隧道衬砌管片的快速裂缝修复。识别出EP与PF对工作性、抗折强度、抗压强度和动态冲击性能具有显著的掺量依赖效应。观察到明显的掺量窗口效应，不同EP–PF组合分别主导抗折与抗压性能。扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscopy）揭示其协同增强机制：EP增强界面荷载传递，PF诱导裂缝桥接与拔出耗能。

研究背景：随着城市轨道交通系统扩展，盾构隧道衬砌管片长期承受运营荷载、地层扰动、地下水侵蚀和邻近施工影响，易出现裂缝、渗漏和局部损伤。管片裂缝降低结构整体刚度和耐久性，并为地下水入渗提供通道，可能加剧渗漏、钢筋腐蚀和承载能力劣化。注浆修复材料需兼具良好流动性、合适凝结时间、稳定体积特征和高力学性能。现有水泥基浆液成本低、与混凝土基体相容性好，但早期强度、界面粘结和抗裂性有限；聚氨酯基、丙烯酰胺基等化学浆液各有适用性，单材料体系难以同时满足可注性、粘结、强度发展和裂缝增韧。环氧树脂（EP，Epoxy Resin）固化后粘结强度高、力学性能和界面粘附好，但掺量、分散状态和相容性影响显著，过量可能损害工作性和强度发展；聚丙烯纤维（PF，Polypropylene Fiber）密度低、耐酸碱、拉伸性能稳定且增韧明显，但过量易团聚和形成孔缺陷。已有研究多集中于单一聚合物改性或单一纤维增强，EP–PF复合改性水泥基注浆修复材料的性能调控和微观机制尚不清楚。针对该问题，研究人员开发了EP–PF共改性水泥基注浆修复材料，研究水灰比（w/c，water-to-cement ratio）、EP掺量和PF掺量对工作性、泌水稳定性、静态力学性能和动态冲击性能的影响，并用SEM（扫描电子显微镜，Scanning Electron Microscopy）观察破坏后微观形貌，从孔结构、聚合物相分布、界面粘结和纤维分布解释宏观性能变化。研究结果可为地铁盾构隧道管片裂缝注浆修复材料配合比优化和工程应用提供参考。

关键技术方法：以w/c（0.65、0.70、0.75）、EP掺量（1%、3%、5%）和PF掺量（0.5%、1.0%）为控制因素设计A、B、C组及A0、B0、C0对照组；测定砂颗粒级配及新拌浆液泌水率、流动扩展度和稠度；按GB/T 17671-2021成型40 mm×40 mm×160 mm棱柱试件，测3、7、28 d抗折与抗压强度；选取综合性能较优的B2及同w/c对照B0，采用直径100 mm、厚50 mm预裂混凝土圆柱试件注浆并再养护28 d后进行动态冲击试验；用Hitachi SU1510 SEM观察破坏断面。PF由泰安松泽复合材料有限公司（山东，中国）提供。

研究结果：
3.1 泌水率（Bleeding rate）：通过泌水率试验发现，w/c由0.65增至0.75时对照组A0、B0、C0泌水率为3.79%、6.34%、7.03%；EP–PF改性组均低于同w/c对照组，第1组（Group 1）最低，A、B、C为1.96%、2.37%、2.48%，表明EP提高浆体黏聚和颗粒桥接、PF物理交织限制固体沉降和自由水上移。
3.2 流动性（Fluidity）：通过流动扩展度试验发现，对照组随w/c增加由97%升至126%和140%，改性组普遍降低；第1组A、B、C降至11%、23%、33%，较对照低88.7%、81.7%、76.4%，且EP是流动性主控因素、PF影响较弱。
3.3 稠度（Consistency）：通过稠度试验发现，对照组随w/c增加由80 mm升至113 mm和115 mm，第1组降至31、34、41 mm，较对照低61.3%、69.9%、64.3%；第6组回升至55、66、76 mm但仍低于对照，表明PF是稠度主控因素，过量PF可能降低变形能力并增加窄裂缝通过风险。
3.4 抗折强度（Flexural strength）：通过3、7、28 d抗折试验发现，未改性组28 d为6.63、5.64、5.40 MPa；5% EP+1.0% PF在3 d达6.06、5.84、5.33 MPa，较对照增100.7%、107.1%、101.9%，3 d强度已达28 d的74.6%、80.8%、78.2%（对照45.6%、50.0%、48.9%）；EP早期影响强，PF增加早期强度，方差分析（ANOVA，Analysis of Variance）显示多数早期0.5%与1.0% PF差异显著（p < 0.05），28 d仍保持正改善。
3.5 抗压强度（Compressive strength）：通过3、7、28 d抗压试验发现，未改性组28 d为29.57、26.36、23.56 MPa；5% EP+0.5% PF最佳，3 d为20.10、16.63、14.75 MPa，较对照增61.1%、39.2%、50.2%，7 d增27.2%、17.1%、14.0%，28 d增11.8%、4.2%、6.8%；1% EP多低于对照，3%恢复，5%更好；0.5% PF优于1.0% PF，ANOVA显示多数差异显著（p < 0.05）。
3.6 动态冲击试验（Dynamic impact test）：基于工作性和静态力学选取B2与B0进行动态冲击，B2峰值动态应力54.56 MPa，较B0的42.65 MPa高27.9%；冲击气压0.36–0.44 MPa下B2比能量吸收为3.31、5.06、5.35×10⁶ J/m³，高于B0的2.96、3.76、4.10×10⁶ J/m³；峰后下降趋势相近，韧性改善有限。
4 微观形貌特征（Microscopic morphological features）：通过Hitachi SU1510 SEM观察破坏断面发现，水化硅酸钙（C–S–H，Calcium Silicate Hydrate）凝胶、钙矾石和致密块状水化产物充填孔隙形成连续结构；PF与基体紧密粘结并形成桥接锚固；EP网络分布于水化产物和颗粒间，改善内部连通性和应力传递；局部EP分布不均和结构不连续仍存在。

讨论部分总结：EP通过孔填充、聚合物膜形成和界面粘附提高基体密实度和界面粘结；PF通过分散桥接网络、界面粘结和拉伸变形分担局部拉应力，降低裂缝尖端应力集中并改善耗能；二者协同提高密实度、抗压荷载传递、抗裂和耗能。EP和PF掺量效应与孔结构、界面粘结、纤维分布和裂纹扩展路径相关；过量EP不利于形成连续稳定承载骨架，过量PF易团聚和形成孔缺陷。SEM结果支持EP界面连接与PF桥接锚固的协同机制，B2在工作和力学性能间综合平衡。

研究结论部分翻译：（1）注浆材料工作性受w/c、EP掺量和PF掺量共同影响；w/c增大时泌水率、流动扩展度和稠度总体增大；掺入EP和PF降低泌水率和流动性，但改善浆体稳定性。（2）抗折收益集中于早期；3 d时5% EP与1.0% PF组合在w/c为0.65、0.70、0.75时使抗折强度分别提高100.7%、107.1%、101.9%，该优势随养护龄期降低但28 d仍明显。（3）抗压强度强烈依赖改性剂掺量而非随EP和PF含量单调增加；在所测范围内，5% EP和0.5% PF综合响应最佳，3 d抗压强度在w/c为0.65、0.70、0.75时分别提高61.1%、39.2%、50.2%。（4）在w/c=0.70时，含5% EP和0.5% PF的混合物使峰值动态应力提高27.9%并改善能量吸收；SEM观察提示EP促进界面连续性和应力传递，PF通过桥接、锚固和拔出限制裂缝扩展。