我国经过40年的改革开放，基础建设得到了快速的发展，2016年的公路总里程达到469.04万公里，铁路总里程124万公里，城镇化率达到57.4[1][2]。一些基础设施及建筑物在长时间的使用后，出现老化、破损等，亟需修补，以保证安全。快速修补混凝土能够缩短施工时间，降低基础设施的维修时间，具有重要意义。随着预制混凝土构件的发展，城市楼房建筑制造技术逐渐采用效率更高、成本更低、质量更好、安全系数更高的预制混凝土结构件装配法，科研人员对预制混凝土构件装配过程中铰接结构的抗震做了大量的研究，但是对混凝土结构件缝隙的快速灌浆研究尚少。快速修补混凝土对基础设施的维修及新型建筑物的建造都有重要意义。 关于快速固化混凝土，科研人员做了很多工作，针对普通的混凝土砂浆，国内外先后开发出多种早强型外加剂，包括：氯盐、硫酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐等无机盐类早强剂；三乙醇胺、甲酸钙和尿素等有机物类早强剂。混凝土在施工过程中，从水化引起的凝结硬化到预期的强度需要一段较长的时间，掺加早强剂可以显著提高混凝土早期强度，从而缩短养护时间。 为了进一步提高修补速度，发展出了一种新型的混凝土——树脂基混凝土。在树脂基混凝土的基础，通过微波固化，可以进一步提高凝固速度。微波是指频率为0.3~300GHz的电磁波。微波辐射可以使材料温度升高，因此，直观来看，微波辐射固化的原理就是利用微波辐射产生热量，使温度升高而发生固化 反应。这就是所谓的微波"致热效应"。相对于常规的加热方式，微波是一种内加热，具有加热速度快、温度均匀、无滞后效应等特点，因此能加快固化速度。
微波固化在环氧树脂基复合材料加工方面具有诱人的前景，近年来国内外众多学者对其做了大量的理论和试验研究工作。研究表明，微波处理聚合物及复合材料能够提高聚合速率，缩短固化时间，提高环氧树脂的玻璃化转变温度，增强纤维/基体间黏结性能并且能增加石墨/环氧复合材料的机械强度等。Williams 首次尝试用微波固化玻璃纤维/环氧树脂，成功合成了壁厚为0.95cm，外径为12.7cm，长为45.72cm的玻璃纤维管[3]。Martin Hawley C等采用变频装置固化粘接双酚A环氧树脂（DGE-BA）/二氨基二苯酚（DDS），并与传统热固化方法进行比较，实验结果表明，微波能显著减少固化时间，作用机理是由于分子中极性官能团的局部过热导致，即“非致热效应”[4]。微波固化环氧树脂的研究结果表明，该技术有希望应用于树脂基混凝土。当前，国内外已经有研究人员尝试将微波固化应用在环氧树脂混凝土的快速固化，树脂基混凝土的固化速率不仅远高于传统的热固化，而且所得到的材料的力学性能和粘接性能优异。 环氧树脂混凝土作为一种修补材料，新旧混凝土良好的界面结合性能往往能够决定材料的整体性能。当前，对新旧混凝土的界面失效机理和失效模式进行了深入的研究，也提出了多种提高界面结合性能的方法，如提高界面粗糙度、使用粘结剂等。研究发现，复合型的高分子外添加剂不仅可以提高混凝土的界面结合性能，而且可以提高混凝土的防水性能，这对建筑物缝隙灌浆至关重要。
1 树脂基混凝土的发展历程
1923年，Cressons尝试将天然橡胶和水泥作为原材料制备混凝土作为道路材料；1924年，Lefebure获得历史上首个聚合物改性的混凝土专利；1930年，人类首次将塑料应用到水泥混凝土中，人类开始将水泥混凝土中使用的聚合物由天然来源转移到人工合成。从文献可查信息，我国从1962年开始研究树脂基混凝土，1962年，焦杨声[5]发表了关于糠酮树脂为成胶结剂的塑料混凝土，焦杨声以糠醛和丙酮为原料，按一定的比例制备糠酮单体作为初聚物制备塑料混凝土，所制备的材料抗压性能达到700~800kg/cm2，抗弯强度达到160~200kg/cm2，耐水度1.0~0.98，在常压和13~20大气压静水下，无透水现象，该产品综合性能优异，但是最高可达25%的聚合物使用量使其成本高昂。为进一步发展树脂基混凝土，我国科研人员做了大量工作。焦杨声的研究也为后续科研的发展指明了方向，此外，焦杨声提出用玻璃丝、玻璃布、木材、芦苇、金属等材料对塑料混凝土进行增强，也奠定了我国改型混凝土发展的理论基础。1975年，广东省交通局科学研究所桥梁组[6]在总结国内外研究成果基础上，在我国提出环氧砂浆修补建筑的方案，该研究组使用6101环氧树脂为主剂、邻苯二甲酸二丁酯为增塑剂、丙酮为溶剂以及乙二胺为固化剂，采用环氧砂浆粘贴小钢筋的方法修补拱桥，得到很好的效果，但是该方法环氧树脂用量依然高达21%，固化时间高达8h，不能满足
竹节三七微波固化环氧树脂基快速修补混凝土研究进展
朱首宇
山东省实验中学 山东 济南 250000
摘要：环氧树脂基混凝土具有高强度、高耐腐蚀性、高耐久性、高抗渗性、养护周期短等优点，在工程上有越来越多的应用。微波固化是加速环氧树脂基混凝土固化的有效途径，本文介绍了树脂基混凝土的发展历程，微波固化环氧树脂的原理、方法以及改善措施。在快速固化的基础上提出了提高环氧树脂混凝土与待修补混凝土界面结合性以及防水性能的方法，可为获得综合性能优异、适用范围广泛的新型环氧树脂混凝土的开发提供一定的参考。
关键词：微波固化 环氧树脂基混凝土 快速修补
快速硬化需求。此外，丙酮具有易挥发且有毒，对施工人员的身体存在威胁。为进一步开发环境友好型的树脂基混凝土，并仅进一步提高混凝土的性能，黄小苓[7]提出将水溶性树脂作为混凝土的附加剂。黄小苓对比了脂肪族环氧树脂、碳酰胺树脂、89号聚酰胺树脂与水泥及其水化物的相互化学作用，研究发现，碳酰胺树脂与水泥及其水化物之间不发生化学反应，而脂肪族环氧树脂以及89号树脂，由于含有极性基团OH-，NH+，等，与水泥之间发生很好的化学反应。
在前人研究的基础上，改革开放以后，随着国家基础建设需求的逐渐增加，对于树脂基混凝土需求呈
现出多样化、规模化的特点，如环氧树脂在隧道防水[8]、受动力载荷接缝[9]、高阻尼系数的机床基座[10]、抗腐蚀和磨损的电镀槽[11]、纤维增强混凝土[12]、补强[13]等应用。
当前，我国正在经历高速城镇化进程，城市的发展带来巨大的建筑需求，预制混凝土结构件装配建筑物，可以实现建筑主体在工厂中机械化高效生产，能够有效降低成本，提高生产效率[14]。结构件的装配不同于传统的整体灌浇方式，具有存在受力薄弱点、存在联结缝等特点。当前，对预制混凝土结构件装配建筑物的研究，主要集中在联结处抗震研究，对于联结缝处的材料还是以传统混凝土材料为主。联结缝用混凝土与常见的修补混凝土异曲同工，需具备快速固化、良好的界面结合性、以及一定的防渗水性能，当前，国内外对以上一种或2种性能进行了充分的研究，但对综合性能研究较少。
2 微波固化环氧树脂基混凝土
介质材料是由非极性分子和极性分子构成，当把介质材料置于微波场中时，在电磁场的作用下，介质材料中的极性分子会形成偶极子，已有的偶极子会重新排列。当电磁场以每秒数亿次的频率交变时，偶极子随着电磁场的交变而摆动，极性分子随着高频交变电磁场的方向不断重新排列，重新排列过程必须克服分子原有的热运动和分子之间的相互阻碍，产生激烈摩擦，这样就将微波能量转化为介质材料的热量，宏观表现就是介质材料温度的上升。不同于传统的热传导加热方法，在交变电磁场下，介质内每一个极性分子都是热源，不存在热从表面向内部传递的过程，因此加热速度更快，加热更均匀。
混凝土的快速固化对于工程抢修和快速修补有重要的意义，一直是科研人员的研究热点，如磷酸盐凝胶材料（磷酸铵镁、磷酸镁）、磷硅酸盐、硬铝酸盐等，但这些材料存在反应时间可调而不可控，施工不能中断，操作时间短等缺点。而微波固化环氧树脂基混凝土具有反应时间易于控制，可进行选择性加热等优点。微波固化环氧树脂基混凝土是一个新型的方向。雷运波课题组[15]以双酚A型E51环氧树脂为粘结剂、聚酰胺V125为固化剂并自制微波辐射装置，研究了微波固化环氧树脂基混凝土的力学性能，通过对比研究发现，室温下，环氧树脂基混凝土的抗压强度需要经过6天的自然固化时间可达到43.2MPa，采用100℃热固化的方法2h可达到45.4MPa，而采用微波固化方式仅需10min。由此可见，微波固化方式可以极大提高环氧树脂混凝土的固化速率。值得注意的是，雷运波课题组4个喇叭辐射口的微波固化机为固化设备（如图1-a所示），并未对辐射口的分布及原因做进一步的说明，这就意味着电磁波能量密度对环氧树脂混凝土固化的影响是未知的。王小课题组[16]对单喇叭辐射口（如图1-b）的微波固化机辐射的电磁波能量密度分析进行有限元模拟和并通过硅溶胶指示剂验证（如图1-c 和图1-d）。王等人将多空二氧化硅颗粒浸泡在CoCl2溶液中制备得到硅溶胶指示剂，在微波加热的过程中，指示剂由于失水，由红变为粉红最终变为蓝
，变化机理如式（1）、（2）所示：
长江口货船失火（1）
（2）
结果表明，虽然微波发生设备产生的电磁场强度总体来讲不够均匀，但是局部来看，电磁场强度分布接近均匀。在以双酚A型环氧树脂E51型为粘结剂，聚酰胺为固化剂，环氧树脂、河沙、粉煤灰之比为1∶8∶1时，环氧树脂混凝土仅需20分钟便可固化，抗压强度达到54.50MPa，表现出优异的力学性能。将微波辐射区域进行分割，发现在均匀且高强度电磁场区（AG区），固化后的环氧树脂混凝土抗压强度较高，其余区域抗压强度较低，抗压强度分布不均匀，最大值35.37MPa，最小值24.89MPa，结果如图2所示。由此可见，微波腔体发生的电磁场强度分布对微波固化后
的混凝土抗压强度有重要的影响。
a b
图1 微波固化设备及电磁能量分布
（a）四腔微波固化装置[11]；（b）单腔体微波固化装置；（c）有限元拟合单腔体微波固化设备辐射电磁能量密度分布；（d）硅溶胶指示剂指示单腔体微波固化设备辐射电磁能量密度分布；
根据微波加热理论，在相同的工作微波频率下，高介质损耗角的物质有利于微波的吸收。碳纳米管具有独特的微结构和几何构形，由于小尺寸效应和高比表面积效应，具有较高的介电损耗角正切。碳纳米管就是依靠电损耗实现对电磁波的吸收。Amanda L. Higginbotham等人[17]分别以多壁碳纳米管（MWNTs）、功能化的多壁碳纳米管（f-MWNTs）、未加工的单壁碳纳米管（r-SWNTs）以及精制单壁碳纳米管（p-SWNTs）为增强剂，在陶瓷基复合材料中加入不
超过1%的碳纳米管，研究发现，在30~40W、2.45GHz 的微波辐射下，加入0.75% MWNTs的陶瓷复合材料可在10s材料内部温度超过500℃，在7min材料内部温度超过1150℃。由于碳纳米管存在渗流阈值，过高的碳纳米管含量反而不利于微波吸热，因此，在使用碳纳米管作为吸波材料时，要严格控制碳纳米管的含量
[18]
。
图2[16] 微波腔分解图（a），环氧树脂混凝土不同区域的抗压强
度（b）、（c）
3 微波固化新旧混凝土的界面结合性
对新旧混凝土的界面结合性能的研究由来已久，科研人员的关注点主要是集中在新旧混凝土界面粘接模型、破坏模式以及抗剪原理，对于新旧混凝土界面粘接的影响因素也有充分的研究，总体来说，主要包括以下5个方面：
1）界面粗糙度；2）界面粘结剂；
3）新、旧混凝土的强度等级；4）新、旧混凝土的技术性能与龄期；5）界面钢筋。
目前常用的界面剂包括水泥浆界面剂、环氧类界面剂、聚合物类界面剂，水泥浆界面剂在多个对比研究中表现出优异的性能。也有研究学者对水泥净浆、水泥砂浆、掺杂石英的环氧乳液、硅灰/膨胀剂、丁苯改性界面剂做对比研究，通过钻芯拉拔强度试验，改性丁苯水泥砂浆性能最好[19]。王毅等通过可分散乳胶粉、硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素醚按一定比例制备出外添加剂用于普通砂浆。结果表明，
该界面剂有良好的力学性能和防水性能[20]。树脂基混凝土的界面结合性能当前研究的比较少，在国内的研究报道中未见专题报告，树脂基混凝土作为一种修补材料，与传统混凝土之间的界面结合性能对整体混凝土的性能至关重要。从以上结果分析，可以发现，选择合适的树脂以及水泥配比，可获得较好的界面结合性能。
4 结束语
快速修补型混凝土对建筑、基建等行业至关重要。在进行微波固化时，微波发生设备的电磁场强度分布总体不均匀，但是局部均匀，这种电磁场强度的差异，也使混凝土的强度分布产生差异，在AG区，混凝土的强度较高；在混凝土中加入高介电损耗材料有助于提高混凝土的微波利用能力。研究表明，碳纳米管可以实现混凝土的快速加热及固化，当然，碳纳米管成本高昂，也决定该方法无法大规模商业应用，因此，在未来的研究中，开发高介电损耗骨料是微波固化型混凝土的发展方向。
复杂的应用场景也对快速修补型混凝土提出更高的要求，如高界面结合能力，一定的防水性能，研究发现，可分散乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚与硬脂酸钙混合而成的外添加剂有助于提高界面结合能力，这也为该领域的进一步研究指明了方向，在界面结合领域，加入纤维等添加剂有助于提高材料本身的结合性能，而骨料级配的优化、三乙醇胺的添加等有助于提高材料的防水性能，根据具体的应用需求，可开发出综合性能良好的快速修补型环氧树脂基混凝土。
参考文献
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（下转第95页）
素，主要成分即类黄酮。其中，脂溶性素具有DNA 修复的作用，进而能够大大提高机体免疫力，在心脑血管疾病预防和中有重要作用。分析脂溶性素的过程中，应改变固有思维，在食品制作中适量添加能够补充营养成分。
桔皮渣的应用：饲料制作过程中，加入发酵后的桔皮渣，能够提高饲料蛋白质含量。平菇栽培过程中，适量添加桔皮渣，合理控制发菌速度，记录平菇每天增长速度，最终成功栽培食用菌。 橙皮苷的应用：橙皮苷在整个柑桔中的含量大约3.2%，它作为糖苷的一种，多为白或者淡黄，橙皮苷不溶于水，味微苦；橙皮苷是组成微生素P的重要成分，在止血、促进血压常规渗透等方面发挥重要作用，能够有效预防血管疾病。外国将其加工制作成血管疾病预防类药物、亮度明显的口红，以及化妆品，以此提亮皮肤、淡化细斑、褐斑。
桔皮粉的应用：桔皮粉有增量填料的作用，将其用于酸奶、果酱等食品中，能够调整食品结构组织，变换食品口味。桔皮粉用于冷冻类食品，能够提高食品胶凝效果，具有塑型、保鲜的作用。
3.3 其他应用
桔皮除了以上述几种形态综合利用外，桔皮自身用途广泛。应用桔皮提取、制作饮料浑浊剂，饮料产品对存储时间以及外观效果有较高要求，适量添加浑浊剂能够满足这一需要，通过研制天然浑浊剂来提高果汁稳定性是极为必要的。浑浊剂研制的过程中，添加柑桔皮，这能大大提高柑桔皮经济效益。在这一过程中，应按照工艺流程严格执行，并合理控制温度以及时间。应用桔皮提取天然防霉剂，因为桔皮具有杀菌、清除疥螨的作用，外国研究学者将其添加于饲料，不仅能够延长饲料使用时间，而且还能提高饲料质量。在防霉剂的作用下，饲料霉变几率大大降低。应用桔皮制作柠檬酸，柠檬酸作为食品添加剂的一种，具有防腐、抗氧化、软化等作用，在油脂行业、食品行业广泛应用。应用桔皮提取活性炭，桔皮果胶提取后，利用桔皮残渣来提取活性炭，活性炭在冶金行业、食品工业、环保产业有重要作用[3]。
3.4 注意事项
在课堂中准备桔皮精油提取实验，应做好工具、设备、材料的准备工作，掌握桔皮精油提取原理以及实验目的，按照教材中的实验流程有步骤操作，并掌握操作要点，以此加深实验印象。这一过程即理论知识与实践结合的过程。实验结束后，准确计算、验算桔皮出油率，并总结实验成功以及失败的原因。以便为下次桔皮精油提取实验活动开展奠定良好基础[4]。
兰州石化研究院柑桔食用价值以及经济价值较高，作为知识传播者，应掌握桔皮利用技巧，并以板报制作的形式扩大宣传。日常生活中，从自我做起，提高桔皮资源利用率，避免桔皮资源浪费，换言之，这也是检验理论知识的有效途径[5]。
4 结束语
综上所述，我国作为柑桔生产大国，应在柑桔精油提取、柑桔综合利用方面起到表率作用，作为高中生，更应学习相关理论知识，不断提高柑桔精油提取水平，探索柑桔桔皮高效利用的途径。这不仅能够丰富我们的知识储备，而且还能真正实现学以致用，最终能够调动我们对理论知识的学习热情。此外，柑桔农业生产规模也会逐渐扩大。
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