新型環(huán)氧注漿材料的制備與性能研究

李　娜　高小紅　劉　茜　姬喬娜　曾　潔

(武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院化學(xué)與制藥工程系，武漢 430223)

新型環(huán)氧注漿材料的制備與性能研究

李娜高小紅劉茜姬喬娜曾潔

(武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院化學(xué)與制藥工程系，武漢 430223)

摘要:考察了固化劑、稀釋劑、固化促進(jìn)劑等對環(huán)氧樹脂體系注漿材料的固化特性和力學(xué)性能的影響，確定了新型注漿材料最佳的組成體系與配比。結(jié)果表明：固化劑T-31體系比固化劑593具有更好的綜合性能，固化劑T-31、稀釋劑AGE和固化促進(jìn)劑DMP-30的最佳用量分別為70pHr，20pHr和3pHr。經(jīng)注漿模擬實驗證實，該注漿材料可明顯改善其力學(xué)性能，抗彎拉強(qiáng)度可達(dá)4.51MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)14.7kN。

關(guān)鍵詞:注漿；環(huán)氧樹脂；固化；力學(xué)性能

隨著高速公路交通流量的迅速增加、汽車荷重的增大以及公路使用年限的增加，路面病害日益顯現(xiàn)，尤其是路面唧漿病害尤為嚴(yán)重[1]。然而，僅僅修復(fù)破損的路面并不能使病害得到根治，修復(fù)后的路面使用一段時間后，唧漿等病害會再次出現(xiàn)，因此必須對軟弱的地基進(jìn)行加固。注漿法(或稱灌漿法)是常用的地基處理方法。選用合適的注漿材料對地基進(jìn)行注漿加固，可大大提高地基的承載能力和使用耐久性，有望解決高速公路路面唧漿等病害。

目前用于地基加固的注漿材料主要是水泥類無機(jī)材料、水泥-水玻璃等有機(jī)-無機(jī)復(fù)合注漿材料、聚氨酯以及脲醛樹脂類有機(jī)材料，但這些注漿材料均存在明顯的不足[1]。然而，水性環(huán)氧樹脂高聚物材料可起到充填和在潮濕表面粘接的作用，能將潮濕松散的泥沙、碎石等粘接成牢固的整體，有望提高道路的使用耐久性。因此，相比傳統(tǒng)的地基加固材料，水性環(huán)氧樹脂高聚物材料具有明顯的優(yōu)勢與良好的應(yīng)用前景。

本文以環(huán)氧樹指CYD-128為主要樹脂，討論了固化劑、稀釋劑、固化促進(jìn)劑的種類和用量對注漿材料固化時間和力學(xué)性能影響，探討了該環(huán)氧注漿材料在道路維修養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用。

1實驗

1.1　實驗藥品和儀器

實驗藥品：環(huán)氧樹脂CYD-128(巴陵石化)，環(huán)氧固化劑T-31(武漢漢海合成樹脂有限公司)，環(huán)氧固化劑593(武漢漢海合成樹脂有限公司)，活性稀釋劑AGE-748(安徽新遠(yuǎn)化工有限公司)，固化促進(jìn)劑DMP-30(武漢宏大化學(xué)試劑廠)。

實驗儀器：電子精密天平(MP2002型，上海聯(lián)華儀器廠)，電子能試驗機(jī)(CMT6104型，深圳市新三思材料檢測有限公司)，路面材料強(qiáng)度試驗儀(MQS-2型，南京寧曦土壤儀器有限公司)，水泥抗折強(qiáng)度儀(KZ-5000型，無錫建筑材料儀器機(jī)械廠)。

1.2　實驗方法

(1)環(huán)氧組分A的制備：將雙酚A型環(huán)氧樹脂和活性稀釋劑按一定比例混合，在常溫下攪拌3~10min，拌勻即得環(huán)氧組分A；

(2)固化劑組分B的制備：將改性脂肪族多元胺和固化促進(jìn)劑DMP-30按一定比例混合，在常溫下攪拌3~10min，拌勻即得固化劑組分B；

(3)混合配制：使用時，將步驟(1)制得的環(huán)氧組分A與步驟(2)制得的固化劑組分B在常溫下混合，攪拌3~10min，即得環(huán)氧樹脂注漿材料。

1.3　材料的測試

將CYD-128,T-31,AGE,DMP-30用分析天平準(zhǔn)確稱量后依次加入一次性塑料杯中，攪拌混合均勻后，分別測試漿液的凝膠時間和固化時間。按照GB/T 7124-86膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定方法(金屬對金屬)測試材料的拉伸剪切強(qiáng)度。參照DL/T 5150-2001水工混凝土試驗規(guī)程中4.5所述的方法測試材料的抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2結(jié)果與討論

2.1　固化劑種類的影響

選用不同類型的固化劑與環(huán)氧樹脂配合，對比CYD-128/T-31和CYD-128/593 兩種固化體系在不同溫度下注漿材料的固化速度，其實驗結(jié)果見圖1?？梢姡袒磻?yīng)溫度越高，凝膠時間和固化時間越短，反應(yīng)速度越快。CYD-128/T-31和CYD-128/593兩體系在常溫條件下固化速度差別不大，但在10℃以下的低溫條件下固化速度差別明顯增大。CYD-128/593固化體系的固化時間-溫度曲線較為陡峭，固化速度隨溫度變化幅度較大；CYD-128/T-31固化體系固化時間-溫度曲線較為平坦，固化速度隨溫度變化幅度不大，并且在5~25℃的溫度范圍內(nèi)固化速度比CYD-128/593體系快?？梢姡袒瘎㏕-31反應(yīng)活性較固化劑593大，并且在低溫條件下更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。這是因為593是改性脂肪胺類固化劑，而T-31是酚醛改性胺類固化劑，分子結(jié)構(gòu)中含有羥基和羥甲基，對環(huán)氧樹脂的固化有促進(jìn)作用[2]。

圖1　不同固化劑在不同溫度下對固化時間的影響

2.2　環(huán)氧樹脂和固化劑T-31配比的影響

以環(huán)氧樹脂CYD-128作為主體樹脂，固化促進(jìn)劑DMP-30的用量為3pHr，活性稀釋劑AGE的用量為20pHr，研究25℃下環(huán)氧樹脂與T-31配比對注漿材料的固化速度和拉伸剪切強(qiáng)度的影響，實驗結(jié)果見圖2和圖3?？梢钥闯觯袒瘎┯昧吭酱?，凝膠時間和固化時間越短，拉伸剪切強(qiáng)度先上升后下降。這是因為固化反應(yīng)主要是固化劑中的氨基與環(huán)氧基反應(yīng)，氨基含量的高低決定固化速度和固化物的交聯(lián)密度。固化劑用量越大，氨基含量越高，固化速度越快，形成的固化物交聯(lián)密度越高，因此拉伸剪切強(qiáng)度就越大。當(dāng)固化劑用量超過60pHr時，拉伸剪切強(qiáng)度變化不大甚至有所下降，原因可能是此時交聯(lián)密度過大，脆性較大，導(dǎo)致固化試樣在受到拉力作用時容易斷裂。當(dāng)固化劑用量超過70pHr時，固化劑用量增加固化速度加快不明顯，原因可能是此時T-31相對于環(huán)氧樹脂過量，多余的T-31不參加固化反應(yīng)。綜合考慮固化速度和力學(xué)性能，T-31固化劑的最佳用量為70pHr。

圖2　T-31用量對凝膠時間和固化時間的影響

圖3　T-31用量對拉伸剪切強(qiáng)度的影響

2.3　稀釋劑的影響

以環(huán)氧樹脂CYD-128作為主體樹脂，固化劑T-31用量為70pHr，固化促進(jìn)劑DMP-30用量為3pHr，研究25℃下活性稀釋劑用量對注漿材料的凝膠時間、固化時間和拉伸剪切強(qiáng)度的影響，其實驗結(jié)果見圖4和圖5。

圖4　AGE用量對凝膠時間和固化時間的影響

圖5　AGE用量對拉伸剪切強(qiáng)度的影響

由圖可見，加入活性稀釋劑稀釋后，凝膠時間和固化時間均延長，固化速度變慢，拉伸剪切強(qiáng)度開始上升然后下降。可能的原因是：AGE是一種單環(huán)氧化合物，會與環(huán)氧固化劑反應(yīng)，消耗部分固化劑，使得體系固化劑用量相對不足，從而導(dǎo)致固化體系最終固化不完全。未經(jīng)稀釋的環(huán)氧固化體系粘度較大，流動性差，兩組份難于混合均勻，形成的固化物均質(zhì)性差，在受拉伸剪切力作用是時容易應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。加入適量的AGE(20pHr時)可以降低體系粘度，兩組份容易混合均勻，固化后形成均質(zhì)的固化物，有利于消除應(yīng)力集中，從而使固化物拉伸剪切強(qiáng)度提高。但隨著AGE用量的增加(大于20pHr時)，AGE消耗了部分固化劑，使得體系固化劑用量相對不足，導(dǎo)致固化體系最終固化不完全，交聯(lián)密度較低，因此固化物拉伸剪切強(qiáng)度下降。上述結(jié)果表明，稀釋劑用量不宜過大，其中CYD-128∶AGE=100∶20時達(dá)到漿液可灌性和固化性能的要求。

2.4　固化促進(jìn)劑的影響

以環(huán)氧樹脂CYD-128作為主體樹脂，固化劑T-31用量為70pHr，活性稀釋劑用量為20pHr，研究不同實驗溫度下DMP-30對注漿材料固化時間和拉伸剪切強(qiáng)度的影響，其結(jié)果見圖6?？梢钥闯觯S著促進(jìn)劑DMP-30用量增加，體系固化時間均縮短，但當(dāng)促進(jìn)劑用量大于3pHr時，曲線趨于平緩，其固化時間影響不大。原因是用量為3pHr時所有的環(huán)氧基幾乎全部開環(huán)，此時固化反應(yīng)速度很快，繼續(xù)增加DMP-30用量不能明顯增加環(huán)氧基開環(huán)的數(shù)量，從而對固化速度沒有顯著影響。從圖中還可以看出，隨著促進(jìn)劑DMP-30用量增加，拉伸強(qiáng)度先增大后減小，在用量為3pHr時，拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是因為注漿材料的交聯(lián)密度隨DMP-30用量的增加而增大，使固化物的拉伸剪切強(qiáng)度上升；繼續(xù)增加DMP-30用量，交聯(lián)密度過大，固化物脆性增加，在受到拉伸力作用時容易斷裂，從而導(dǎo)致拉伸剪切強(qiáng)度下降。因此，DMP-30的合適用量為3pHr。

圖6　DMP-30用量對固化時間和拉伸剪切強(qiáng)度的影響

2.5　注漿模擬實驗

根據(jù)高速公路路面受力的特點，主要通過抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度評價材料性能。分別測試水泥穩(wěn)定碎石試樣和用環(huán)氧樹脂澆注水泥穩(wěn)定碎石試樣后得到的環(huán)氧樹脂-碎石固結(jié)物的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，通過對比驗證經(jīng)環(huán)氧樹脂注漿材料修補(bǔ)后的路基對路面載荷的承載能力是否有明顯改善。實驗用注漿材料以環(huán)氧樹脂CYD-128作為主體樹脂，固化劑T-31用量為70pHr，稀釋劑AGE用量為20pHr，固化促進(jìn)劑DMP-30用量為3pHr。

表1　水泥穩(wěn)定碎石試樣及環(huán)氧樹脂-碎石固結(jié)物抗彎拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度

由表1可見，環(huán)氧樹脂澆注碎石后固化的固結(jié)物抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用水泥固化的碎石，分別由0.46MPa和2.1kN提高到4.51MPa和14.7kN，可見該環(huán)氧樹脂注漿材料能起到明顯的加固作用，并且固化時間可調(diào)節(jié)為兩個小時以內(nèi)，而水泥澆注碎石試樣須固化養(yǎng)護(hù)28天。

3結(jié)論

研究了固化劑、稀釋劑、固化促進(jìn)劑等對環(huán)氧樹脂體系注漿材料的固化作用和力學(xué)性能的影響，確定了新型注漿材料最佳的組成體系與配比。結(jié)果表明：與固化劑593相比，固化劑T-31的反應(yīng)活性大，其粘度和固化時間均滿足使用要求。當(dāng)固化劑T-31、稀釋劑AGE和固化促進(jìn)劑DMP-30的用量分別為70pHr,20pHr和3pHr時，注漿材料具有最佳的固化性能和力學(xué)性能。經(jīng)注漿材料澆注的碎石固結(jié)物較水泥穩(wěn)定碎石實驗證實，該注漿材料可明顯改善其力學(xué)性能，環(huán)氧樹脂澆注碎石后固化的固結(jié)物抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由0.46MPa和2.1kN提高到4.51MPa和14.7kN，可滿足道路維修養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]魏新江. 地基處理. 浙江大學(xué)出版社，2007.

[2]劉登良. 涂料工藝(第四版). 化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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[4]王正烈，周亞平，李松林，等. 物理化學(xué)(下冊). 高等教育出版社，2003.

Study on Preparation and Performance of Epoxy Resin Grouting Materials

Li NaGao XiaohongLiu QianJi QiaonaZeng Jie

(Department of chemical and pHarmaceutical engineering,Wuhan University of Technology Huaxia College,Wuhan 430223)

Abstract：The influences of curing agent, diluent and curing agent on curing characteristics and mechanical properties of epoxy resin grouting materials were investigated, the new grouting material system with the optimal ratio was determined. The results showed that the performance of curing agent T-31 is better than curing agent 593, and the optimum contents of curing agent T-31, diluent AGE and accelerator DMP-30 are 70pHr, 20pHr and 3pHr respectively. The results indicated that this grouting materials can significantly improve the mechanical properties with flexural strength of 4.51MPa and compressive strength of 14.7kN.

Keywords:grouting; epoxy resin; curing;, mechanical property

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.002

作者簡介：李娜(1984~)，女，碩士.從事化學(xué)合成與功能材料的研究.