環(huán)氧砂漿強(qiáng)度主要影響因素的研究

李禪禪，程德金，連　城，宋家樂，李煒光（.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 70064；.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 70064）

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環(huán)氧砂漿強(qiáng)度主要影響因素的研究

李禪禪1，程德金2，連城2，宋家樂2，李煒光2
（1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘要：固定環(huán)氧樹脂用量，考查了稀釋劑、固化劑、聚灰比、聚砂比和細(xì)集料級配對環(huán)氧樹脂砂漿強(qiáng)度的影響，最終確定環(huán)氧樹脂：稀釋劑：固化劑質(zhì)量比10：4：3，聚灰比為1.5，聚砂比為1：6，級配砂為0.3的環(huán)氧砂漿材料彎曲和壓縮強(qiáng)度分別為16.1 MPa和47.5 MPa，既滿足路用力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，又經(jīng)濟(jì)合理。

關(guān)鍵字：環(huán)氧砂漿；固化劑；聚膠比；聚砂比；強(qiáng)度性能

近年來，隨著交通量的加重和重載、超載車輛的增加，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性病害日益加重［1］。由于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)特殊性，采用純水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，路面新舊混凝土膠結(jié)面粘接性差［2］，修補(bǔ)處很快出現(xiàn)裂縫和破損。環(huán)氧砂漿以其強(qiáng)度高、固化快、粘接性好等優(yōu)點［3］在水泥混凝土路面修補(bǔ)中得到廣泛應(yīng)用。本文以通用的雙酚 A縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂 E-51為主體，選擇腰果酚內(nèi)增韌型 TF-30胺 類固化劑、TJ-500L型固化劑和官能柔性聚丙二醇二縮水甘油醚 XY207活性稀釋劑組成研究體系，對固化劑、聚灰比和聚砂比不同的環(huán)氧砂漿試塊進(jìn)行了對比研究，探討了環(huán)氧樹脂砂漿強(qiáng)度性能的影響因素。

1 實驗部分

1.1原材料及儀器設(shè)備

E- 51 環(huán)氧樹脂，環(huán)氧值 0.51mol/ 100 g，南 通星辰合成材料有限公司； TF-30固化劑 ， 胺 值 （300±30）KOHmg/ g，1 500 mPa· s（25 ℃），河南天澤實業(yè)有限公司；TJ-500L型 固化劑，胺值（500±30）KOH mg/g，1500mPa · s（25 ℃），河南天澤實業(yè)有限公司；活性稀釋劑聚丙二醇二縮水甘油醚 XY207，環(huán) 氧 值0.28mol/ 100 g，40 mPa· s（25 ℃），中國石化岳陽巴陵石化分公司；選取秦嶺 PO42.5水泥作為微集料；細(xì)集料：級配0.3 、0.65 潔凈河沙2種。

SNB-AI智 能布氏黏度儀，中黏度 50～1000萬 mPa· s，杭 州大成光電科技； SNCD-70水泥稠度及凝結(jié)時間測定儀，大連北港石油儀器； HD-606- S 萬能試驗儀，轉(zhuǎn)速0.1～ 300 mm/min，溫州恒潤檢測儀器有限公司；DKZ-5000型電動抗折實驗機(jī)，武漢時代金豐儀器有限公司。

1.2試樣制備

將環(huán)氧樹脂、稀釋劑、固化劑按照理論配比混合均勻，再與水泥和不同級配河沙按配比拌和均勻，根據(jù) DL/ T5126—2001《聚合物改性水泥砂漿實驗規(guī)程》成型40 mm×40 mm×160 mm環(huán)氧砂漿棱柱形試塊。靜置待其完全固化、養(yǎng)護(hù) 7d。

1.3性能測試

參照 GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》測定環(huán)氧砂漿試件壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1固化劑對砂漿強(qiáng)度的影響

環(huán)氧樹脂通常屬熱固性高分子材料，在使用過程中必須加入固化劑使環(huán)氧樹脂交聯(lián)形成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，固化劑的種類、用量、固化機(jī)理不同對環(huán)氧樹脂固化后的性能影響很大［5］，因此，固化劑的種類和用量都應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制。不同固化劑對環(huán)氧砂漿力學(xué)性能的影響見表1。

由表 1可見，環(huán)氧砂漿凝結(jié)硬化后均表現(xiàn)出很高的壓縮、彎曲強(qiáng)度，說明 2種固化劑均能夠與砂漿中的環(huán)氧樹脂反應(yīng)形成較大的交聯(lián)度。但隨著固化劑用量的增加，環(huán)氧砂漿壓縮、彎曲強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減小，這是因為：固化劑用量不足時，環(huán)氧砂漿不能完全固化，表現(xiàn)為試塊強(qiáng)度較低；若固化劑用量過多，多余固化劑在環(huán)氧樹脂固化過程中起到增塑作用，降低了試塊壓縮、彎曲強(qiáng)度。因此，施工過程中固化劑用量應(yīng)為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的 30%為宜。

表1　不同固化劑對環(huán)氧砂漿力學(xué)性能的影響Tab.1　Influence of curing agent selection on mechanical properties of epoxy mortar

2.2聚灰比對砂漿強(qiáng)度的影響

不同水泥用量環(huán)氧樹脂砂漿 7d壓縮、彎曲強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示，隨著C/A（聚灰比）從0.5增 加到1.5，環(huán)氧樹脂砂漿的壓縮、彎曲強(qiáng)度也隨之增加；當(dāng) C/ A大 于 1.5時，環(huán)氧樹脂砂漿的強(qiáng)度逐漸降低。主要是因為環(huán)氧樹脂含量較高時，環(huán)氧樹脂顆粒與膠凝顆粒相互交融，環(huán)氧樹脂分子將水泥的水化產(chǎn)物充分均勻包裹，相互貫穿、交織粘接形成微纖維膜狀的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂交聯(lián)固化成膜包裹水泥及水泥水化產(chǎn)物表面［4］；同時，環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧基、醚基等極性較高的活性基團(tuán)發(fā)生水解反應(yīng)生成羥基，活性較高的羥基基團(tuán)可以與水泥水化產(chǎn)物中 Ca2+、Al3+和骨料表面 SiO產(chǎn)生鍵橋作用［5］，形成具有一定力學(xué)強(qiáng)度的組織結(jié)構(gòu)。但隨著水泥用量的增加，水泥作為一種吸濕性很大的材料，提高了膠粘劑的黏度，降低其濕潤能力，使得集料表面不能很好地被膠粘劑濕潤，減少了集料與膠粘劑的粘接面積，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂砂漿強(qiáng)度下降。因此，環(huán)氧樹脂砂漿施工過程中聚灰比不得超過1.5。

表2　不同聚灰比環(huán)氧砂漿的壓縮、彎曲強(qiáng)度Tab.2　Compressive strength and bending strength of epoxy mortar with different polymer cement ratio

2.3聚砂比對砂漿強(qiáng)度的影響

環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料中往往加入一定比例的細(xì)集料，以減少環(huán)氧樹脂用量，達(dá)到降低成本的目的，但細(xì)集料的加入會明顯降低砂漿的力學(xué)強(qiáng)度［6］。在環(huán)氧樹脂：稀釋劑：固化劑質(zhì)量比 10： 4 ：3 ；C/ A為 1.5的情況下，分別加入不同比例級配分別為0.3和 0.65的 2種潔凈河砂，聚砂比對砂漿強(qiáng)度的影響見圖 1和圖2。

圖1　環(huán)氧砂漿壓縮強(qiáng)度Fig.1　Epoxy mortar compressive strength

圖2　環(huán)氧砂漿彎曲強(qiáng)度Fig.2　Bonding strength of epoxy mortar

圖1和圖2顯示，環(huán)氧砂漿的壓縮、彎曲強(qiáng)度均隨著細(xì)集料所占比例的增加而減小，當(dāng)聚砂比超過1： 6時，環(huán)氧砂漿已失去拌和能力，強(qiáng)度極低。這是因為環(huán)氧砂漿中環(huán)氧材料固化后對路面的承擔(dān)和傳遞荷載起主導(dǎo)作用，隨集料摻量的增加砂漿強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)細(xì)集料的比例增大到環(huán)氧樹脂不能完全濕潤細(xì)集料顆粒表面時，砂漿固化后會產(chǎn)生空鼓導(dǎo)致部分環(huán)氧砂漿材料粉化，嚴(yán)重影響砂漿層的整體強(qiáng)度和表面粘著力［7］。

混凝土路面施工過程中，通車時要求混凝土7d彎 曲強(qiáng)度達(dá)到7MPa［8］和7d壓縮強(qiáng)度達(dá)到 42.5MPa［9］。從圖1 和圖2可以看出，當(dāng)環(huán)氧砂漿中加入高比例細(xì)集料時，即聚砂比為1： 6，環(huán)氧材料相對用量最低，且砂漿層的彎曲和壓縮強(qiáng)度分別為 16.1MPa 和 47.5 MPa，依然滿足混凝土路面實際通車要求。因此，聚砂比的適宜值為1：6。

2.4細(xì)集料級配對砂漿強(qiáng)度的影響

細(xì)集料的選取應(yīng)當(dāng)符合級配原則，即較小顆粒集料填充于較大顆粒骨架空隙中，環(huán)氧樹脂包裹所有集料表面并填充于集料空隙。為能夠在較高聚砂比時填充細(xì)集料，細(xì)集料中粗顆粒和細(xì)顆粒必須搭配使用，防止顆粒內(nèi)部形成空穴。由圖 1和圖2可以看出，聚砂比相同時，集料為 0.30的環(huán)氧砂漿試塊的彎曲、壓縮強(qiáng)度均高于集料級配為 0.65砂漿試塊，這是因為 0.30級配集料的空隙率比0.65 級配集料的空隙率高出 2%，微集料含量是級配為0.65集 料的5倍以上［ 10］，較小顆粒能夠被水泥顆粒和環(huán)氧樹脂分子充分包裹并均勻填充于較粗顆粒骨架空隙之間，凝結(jié)固化后形成水泥漿體互穿基質(zhì)的混合體，不但能夠維持集料之間的緊密程度而且更好地提高了砂漿層的強(qiáng)度性能，從而保證環(huán)氧砂漿在樹脂用量較低時仍具有較高的強(qiáng)度力學(xué)性能。

2.5稀釋劑用量對砂漿強(qiáng)度的影響

活性稀釋劑不僅能夠降低砂漿的黏度，提高集料潤濕能力，還能在砂漿凝結(jié)固化過程中與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。表 3為不同稀釋劑用量時試塊的壓縮、彎曲強(qiáng)度，當(dāng)稀釋劑摻量為 20%時，砂漿強(qiáng)度不高，主要是稀釋劑量少，膠粘劑黏度高，難以完全濕潤集料及填料，導(dǎo)致砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，強(qiáng)度不足；當(dāng)稀釋劑用量增加到 40%時，砂漿強(qiáng)度達(dá)到最大值，稀釋劑有效改善了環(huán)氧樹脂的滲透力，增加粘接強(qiáng)度，膠粘劑與集料、填料結(jié)合形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)稀釋劑達(dá)到 50%時，強(qiáng)度逐漸下降，可能是因為稀釋劑量過多，導(dǎo)致試件中環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)交聯(lián)程度降低，樹脂基本強(qiáng)度不高，從而導(dǎo)致環(huán)氧砂漿強(qiáng)度下降。因此，環(huán)氧砂漿中活性稀釋劑用量應(yīng)根據(jù)實際工程要求控制在一定的范圍內(nèi)。

表3　不同活性稀釋劑用量試塊的壓縮、彎曲強(qiáng)度Tab.3　Compressive and bending strength of test specimens with different amount of active thinner

3 結(jié)論

1）環(huán)氧樹脂：稀釋劑：固化劑質(zhì)量比10：4：3 ，聚灰比為 1.5 ，聚砂比為1：6時，環(huán)氧樹脂砂漿能夠獲得較高的壓縮、彎曲強(qiáng)度。

2.環(huán)氧樹脂包裹水泥產(chǎn)物及較細(xì)顆粒表面形成微纖維膜狀的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，均勻地填充于級配良好的粗顆粒骨架空隙之間，凝結(jié)固化后形成水泥漿體—環(huán)氧樹脂互穿基質(zhì)的混合體，有效地增強(qiáng)環(huán)氧砂漿的壓縮、彎曲強(qiáng)度。

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綜述

中圖分類號：TQ437+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2016）03-0058-03

收稿日期：2015- 09- 17

作者簡介：李禪禪（1989-），男，碩士研究生，研究方向：道路建筑材料。E-mail：1174781909@qq.com。

Study of factors influencing on epoxy mortar strength

LI Chan-chan1， CHENG De-jin2， LIAN Cheng2， SONG Jia-le2， LI Wei-guang2
（1.School of Highway， Chang'an University， Xi'an， Shaanxi 710064， China； 2.School of Materials Science and Engineering，Chang'an University， Xi'an， Shaanxi 710064， China）

Abstract：Under the condition of a fixed amount of epoxy resin， this paper investigated the effects of thinners，curing agents， polymer-cement ratio， polymer-sand ratio and fine aggregate gradation on strength properties of epoxy resin mortar， and came to the conclusion that when the epoxy thinner: curing agent was 10:4:3， the polymer cement ratio was 1:5，the polymer sand ratio was 1:6 and the fine aggregate gradation was 0.3， the bonding strength and compressing strength of the epoxy mortar were 16.1 MPa and 47.5 MPa， respectively， that not only met the mechanical strength indexes for pavement application， but also had economy and rationality.

Key words：epoxy mortar； curing agent； polymer cement ratio； polymer sand ratio； strength performance