膠集比對環(huán)氧樹脂混凝土抗鹽凍性能的影響

申力濤，席長友

(1.山西省交通科學(xué)研究院 a.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室;b.重交通公路養(yǎng)護材料協(xié)同創(chuàng)新平臺;c.新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室,山西 太原 030006;2.齊魯交通發(fā)展集團有限公司 濟寧分公司，山東 濟寧 272007)

天氣嚴(yán)寒地區(qū)，雨雪天氣后路面迅速結(jié)冰，造成嚴(yán)重的交通安全隱患，交通管理部門常使用融雪劑、除冰鹽進行除冰融雪，雖然此舉可消除路面結(jié)冰積雪，恢復(fù)交通通暢，但溶化后的鹽水對水泥混凝土材料會造成嚴(yán)重剝蝕破壞[1-6]，相比常規(guī)凍融破壞速率要快數(shù)倍甚至數(shù)十倍，水泥混凝土個別部位經(jīng)歷數(shù)次鹽凍循環(huán)后，將出現(xiàn)骨料剝落、鋼筋腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水泥混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。大量學(xué)者對此問題進行了深入研究，包括研制環(huán)保型融雪劑、除冰鹽，調(diào)整水泥混凝土配合比設(shè)計，使用礦物摻合料等方法，但效果均不明顯，水泥混凝土材料自身特點決定了其在鹽凍循環(huán)條件下必定加速破壞[7-17]。

環(huán)氧樹脂混凝土屬聚合物混凝土的一種[18]，以環(huán)氧樹脂取代水泥作為膠凝材料。由于環(huán)氧樹脂固化后有一定的韌性，與水泥混凝土相比屬柔性材料[19]，在遭受鹽凍破壞時，理論上可消耗部分凍脹應(yīng)力，減緩凍融破壞速率，因此相對于水泥混凝土，環(huán)氧樹脂混凝土應(yīng)該具有較優(yōu)的抗鹽凍性能，目前對環(huán)氧樹脂混凝土抗鹽凍性能的研究鮮見報道。本文針對目前交通管理部門使用除冰鹽、融雪劑進行路面除冰融雪的現(xiàn)狀，以外觀形態(tài)和單位面積剝落量為評價指標(biāo)，分析了不同膠集比對環(huán)氧樹脂混凝土抗鹽凍性能的影響，為環(huán)氧樹脂混凝土在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗過程

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次試驗選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其性能測試結(jié)果見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑和稀釋劑

選用雙酚A型環(huán)氧樹脂618，改性脂肪胺固化劑，活性聚氨酯型環(huán)氧增韌劑，環(huán)氧丙烷芐基醚稀釋劑。

1.1.3 粗集料

所用粗集料為石灰?guī)r，粒徑范圍4.75～26.5 mm，泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，級配測試結(jié)果見圖1。

1.1.4 細(xì)集料

細(xì)集料為河沙，細(xì)度模數(shù)2.84，級配測試結(jié)果見圖2。

圖1 粗集料級配 圖2 細(xì)集料級配

1.1.5 水及外加劑

采用自來水和聚羧酸減水劑。

1.2 試驗過程

1.2.1 試件配合比

1.2.1.1 水泥混凝土試件

水泥混凝土試件配合比按照文獻[7]中YD-A2編號試件，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 水泥混凝土配合比設(shè)計

1.2.1.2 環(huán)氧樹脂混凝土試件

環(huán)氧樹脂試件配合比中，砂與石質(zhì)量不變，使用環(huán)氧樹脂代替水泥和水，設(shè)置環(huán)氧樹脂和集料質(zhì)量比(簡稱膠集比)分別為1:4、1:5、1:6和1:7，具體配合比見表3。

表3 環(huán)氧樹脂混凝土配合比設(shè)計

1.2.2 試件制作及養(yǎng)護

鹽凍試驗試模采用Ф250 mm×75 mm的PVC管材，不涂抹脫模劑，水泥混凝土試件按照常規(guī)拌合方法，攪拌結(jié)束后，裝模振實抹平，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d[6]。制作環(huán)氧樹脂混凝土試件時，先將環(huán)氧樹脂、增韌劑、活性稀釋劑、固化劑混合，機械攪拌3 min得到環(huán)氧樹脂膠粘劑，再加入粗細(xì)集料，繼續(xù)攪拌5 min，然后裝模振實抹平，室溫養(yǎng)護12 h后，置于60 ℃環(huán)境箱中繼續(xù)養(yǎng)護8 h，即得到環(huán)氧樹脂混凝土試件。

1.2.3 試驗設(shè)備及試驗方法

本次試驗參照文獻[20]中單面凍融法，采用混凝土鹽凍試驗機，每個試件放置在單獨不銹鋼盒中，成型面向下，浸入質(zhì)量濃度為3%的氯化鈉溶液中10 mm，試件與不銹鋼盒之間放置5 mm厚的塑料條，每次循環(huán)試件為8 h，升溫3 h，保溫1 h，降溫3 h，保溫1 h，溫度范圍為-20～20 ℃。每隔5次凍融循環(huán)收集剝落量并烘干稱重，完成30次循環(huán)后試驗結(jié)束。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 外觀形態(tài)

30次循環(huán)結(jié)束后，對試件進行外觀檢查，局部放大圖片見圖3。由圖3可知，水泥混凝土在經(jīng)受30次凍融循環(huán)后，表面水泥石剝落嚴(yán)重，粗骨料外露，外觀出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。4種不同膠集比的環(huán)氧樹脂混凝土外觀基本無變化，表明鹽凍循環(huán)對環(huán)氧樹脂混凝土外觀無明顯影響。

a)1#試件 b)2#試件 c)3#試件 d)4#試件 e)5#試件圖3 試件局部放大圖

2.2 剝落量統(tǒng)計

每完成5次凍融循環(huán)后，使用超聲波清洗機對試件進行清洗，然后將剝落物烘干進行稱重，統(tǒng)計結(jié)果見表4。由表4可知：與水泥混凝土相比，環(huán)氧樹脂混凝土剝落量顯著降低；隨膠集比的增大，環(huán)氧樹脂混

表4不同循環(huán)次數(shù)的剝落量g/m2

試件編號5次10次15次20次25次30次194．2195．1307．9384．1459．4579．222．62．83．33．74．24．932．83．43．84．24．95．343．14．04．95．45．96．753．44．35．76．36．87．1

表5不同鹽凍循環(huán)次數(shù)下混凝土的抗壓強度MPa

試件編號0次5次10次15次20次25次30次152．651．749．445．943．339．736．3281．980．679．378．677．976．275．0385．485．084．383．181．680．478．8487．386．986．786．285．885．685．2591．190．890．790．590．390．290．0

凝土剝落量逐漸減少，抗鹽凍性能增強。其原因為：隨膠集比的增大，環(huán)氧樹脂對骨料的有效包裹率提高，增強了環(huán)氧樹脂與骨料之間的粘接力，減少了凍融循環(huán)過程中凍脹應(yīng)力對環(huán)氧樹脂和骨料界面的破壞，因此剝落量降低。

2.3 強度變化

每次完成對試件外觀形態(tài)和剝落量的測試后，對其強度進行測試(試件完成鹽凍循環(huán)后進行切割，抗壓試件和抗折試件尺寸分別為70 mm×70 mm×70 mm和60 mm×60 mm×240 mm，因尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)，因此測試結(jié)果僅用于觀察試件強度變化規(guī)律，不作為具體測試值，測試及變化結(jié)果見表5、6。

由表5、6可知:隨著鹽凍循環(huán)次數(shù)的增加，水泥混凝土和環(huán)氧樹脂混凝土的抗壓、抗折強度均出現(xiàn)下降，30次鹽凍循環(huán)后， 水泥混凝土抗壓強度下降30%，抗折強度下降55%，環(huán)氧樹脂混凝土強度均保持在90%以上，主要原因是環(huán)氧樹脂混凝土具有可變形特點，在遭受鹽凍循環(huán)時，可消除部分凍脹應(yīng)力，因此可以較好地保持外觀形態(tài)和強度，且隨膠集比的增加，環(huán)氧樹脂混凝土孔隙率逐漸降低，其強度下降速率進一步降低，抗鹽凍性能進一步增強。

表6不同鹽凍循環(huán)次數(shù)下混凝土的抗折強度MPa

試件編號0次5次10次15次20次25次30次17．26．96．56．05．24．63．9221．621．321．020．920．820．519．9323．323．122．922．522．222．021．7423．923．823．823．623．423．323．0524．724．724．624．524．524．424．3

3 結(jié)論

環(huán)氧樹脂替代水泥作為膠凝材料用于混凝土結(jié)構(gòu)，可有效提高抗鹽凍性能，增強耐久性，且隨環(huán)氧樹脂摻量的增加，環(huán)氧樹脂混凝土抗鹽凍性能逐漸增強，可有效解決嚴(yán)寒地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)鹽凍破壞問題。目前限制環(huán)氧樹脂混凝土大規(guī)模應(yīng)用的主要是價格及成型后固化養(yǎng)護問題，現(xiàn)階段可通過適量降低環(huán)氧樹脂用量，提高現(xiàn)場養(yǎng)護條件或工廠內(nèi)預(yù)制混凝土構(gòu)件解決存在的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，環(huán)氧樹脂價格的降低，以及新型低溫固化劑的出現(xiàn)，環(huán)氧樹脂混凝土在嚴(yán)寒地區(qū)必將得到廣泛應(yīng)用。

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