聚合物混凝土性能的影響因素分析

楊禮明　徐龍旺　龍雪峰　蘇曉波

摘要：為研究固化劑摻量、水泥摻量及環(huán)境溫度對新型聚合物混凝土性能的影響，文章通過優(yōu)化配合比設(shè)計，制備聚合物混凝土并開展強度試驗，對不同齡期聚合物混凝土的抗壓強度、抗折強度進行對比分析。結(jié)果表明：隨著固化劑摻量的變化，聚合物混凝土的強度呈先上升后下降的趨勢;摻加水泥對聚合物混凝土強度的提升有顯著效果;聚合物混凝土固化和施工的最佳溫度范圍為25 ℃～40 ℃。

關(guān)鍵詞：聚合物混凝土;固化劑摻量;水泥摻量;環(huán)境溫度

中國分類號：U414文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

普通水泥混凝土是一種脆性材料，其抗拉強度、抗折強度、抗沖擊、防水及防腐蝕性能都相對較差，導(dǎo)致其在建筑領(lǐng)域應(yīng)用中受到限制。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者們逐漸轉(zhuǎn)向研究聚合物混凝土（polymer concrete，簡稱PC）這種新型材料[1-7]。聚合物水泥混凝土采用聚合物（一般為環(huán)氧樹脂）與水泥混凝土復(fù)合而成，與普通混凝土相比，其在具有良好抗壓強度的同時，抗拉性能、抗彎性能及抗沖擊性能均有顯著提高，且在防水、抗腐蝕方面還有了質(zhì)的提升[8]。本文通過優(yōu)化配合比設(shè)計制備PC，開展抗壓強度和抗折強度試驗，對影響PC性能的固化劑摻量、水泥摻量及環(huán)境溫度等因素進行分析。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，各項指標(biāo)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）。細集料為廣西天然河砂，中砂，細度模數(shù)為2.7。粗集料為廣西輝綠巖，5～20 mm連續(xù)級配。環(huán)氧樹脂采用WSR6101（E-44）雙酚A型環(huán)氧樹脂。固化劑采用項目組與某化工公司合作研發(fā)的改性芳香胺類固化劑，型號為R16和R17，其性能指標(biāo)如下頁表1所示。

1.2 試驗配比

根據(jù)以往配制經(jīng)驗，固化劑與環(huán)氧樹脂的最佳比例為0.5∶1。本次選用的PC基本配合比為環(huán)氧樹脂：固化劑∶細集料∶粗集料∶水泥=1∶0.5∶3.6∶5.4∶1.25。

1.3 試驗方法

因為國內(nèi)尚未有PC方面的標(biāo)準(zhǔn)，所以PC的試件制備和成型、抗壓強度和抗折強度試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002）進行。試件的養(yǎng)護采用室外常溫養(yǎng)護。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 固化劑摻量對聚合物混凝土性能的影響

根據(jù)配制經(jīng)驗，固化劑與環(huán)氧樹脂的最佳比例為0.5∶1。在保持摻加固化劑總量與環(huán)氧樹脂比例不變的情況下，通過調(diào)節(jié)固化劑R16和R17的混合比例來制備聚合物混凝土，并進行12 h、1 d及3 d等不同齡期的抗壓強度試驗和抗折強度試驗，以此來分析固化劑摻量對聚合物混凝土性能的影響。兩種固化劑的混合比例及試驗編號如表2所示。

根據(jù)不同齡期的聚合物混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果，繪制抗壓強度、抗折強度變化規(guī)律曲線圖，如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可知，隨著固化劑中R16摻量逐漸降低和R17摻量逐漸增加，聚合物混凝土的抗壓強度和抗折強度均經(jīng)歷了先上升后下降的過程。在固化劑摻量比例R16∶R17=5∶5時，抗壓強度和抗折強度為最大值，其中3 d齡期的抗壓強度為83.4 [HTSS]MPa[HTXH]，抗折強度為13.2 MPa。HC1～HC4強度形成相對較慢，HC1～HC3到3 d齡期時才形成早期強度，HC4在1 d時形成早期強度，且抗壓強度和抗折強度均比HC5～HC11偏低。

上述試驗結(jié)果是兩種固化劑優(yōu)缺點融合的表現(xiàn)：R16的特點是低黏度、操作時間長、放熱低，但膠化時間比較長;R17的特點是固化物韌性高且耐化學(xué)藥品性優(yōu)良，但膠化時間短，難操作。HC1～HC4早期強度形成慢就是由于R16的摻量較多，環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)較慢，從而使得混凝土的強度形成變慢?？箟簭姸群涂拐蹚姸瓤傮w趨勢為先上升后下降，這是由于隨著R16摻量減少，R17摻量增加，使得環(huán)氧樹脂的固化速度加快，從而出現(xiàn)了抗壓強度和抗折強度上升的情況，但是到達平衡點（固化劑摻量比例R16∶R17=5∶5）之后，隨著R17摻量繼續(xù)增加而R16的摻量不斷減少，環(huán)氧樹脂固化速度不斷加快，混凝土制備時的操作時間越來越短，當(dāng)固化劑摻量比例R16∶R17=0∶10時，操作時間僅有25～35 min左右，這就使得環(huán)氧樹脂基液與各種原材料的融合時間大大減少，未能夠完全發(fā)揮其良好的粘結(jié)性能，可能導(dǎo)致一些水泥顆粒未被完全包裹，砂、石的界面亦未完全被環(huán)氧基液所粘接，從而導(dǎo)致了強度的降低。

綜上所述，兩種固化劑的混合摻配可以有效地發(fā)揮自身的優(yōu)點，抵消或降低彼此的缺點。當(dāng)固化劑摻量比例達到R16∶R17=5∶5時為最佳，能很好地發(fā)揮兩種固化劑的優(yōu)點，同時最大化地消除缺點。

2.2 水泥摻量對聚合物混凝土性能的影響

水泥摻量以環(huán)氧樹脂的用量為基數(shù)進行摻量比例計算。在基本配合比“環(huán)氧樹脂∶固化劑∶砂∶石∶水泥=1∶0.5∶3.6∶5.4∶1.25”的基礎(chǔ)上改變水泥摻量，通過簡單的試配發(fā)現(xiàn)：水泥摻量達150%以上時，聚合物混凝土拌和困難，在施工操作時間內(nèi)很難完成均勻拌和，除非另外添加稀釋劑來調(diào)節(jié)拌和物的和易性。本次研究不添加稀釋劑，設(shè)計水泥摻量分別為：0、50%、75%、100%、125%及150%。

考慮聚合物混凝土硬化和強度發(fā)展的速度，試驗以HC1、HC6和HC11室內(nèi)自然養(yǎng)護3 d后，對比其抗壓強度和抗折強度變化規(guī)律來分析水泥摻量對聚合物混凝土的影響。依據(jù)試驗結(jié)果，繪制水泥摻量-抗壓強度曲線圖、水泥摻量-抗折強度曲線圖（見圖3、圖4）。

從圖3、圖4可知，隨著水泥摻量的增加，聚合物混凝土的抗壓強度和抗折強度的變化總體趨勢為先上升后下降。當(dāng)水泥摻量為125%時，與未摻加水泥相比，HC1、HC6和HC11的抗壓強度分別提高了42%、67%和54%，抗折強度分別提高了41%、44%和43%。而隨著水泥摻量的繼續(xù)增加，到150%時，與水泥摻量125%時相比，HC1、HC6和HC11的抗壓強度和抗折強度都出現(xiàn)了不同程度的降低。