乳液對水性環(huán)氧樹脂砂漿力學性能的影響

俞 亮張 雷

(1.河海大學 水利水電學院,南京210098；2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院,鄭州450003)

環(huán)氧樹脂砂漿是以環(huán)氧樹脂為膠凝材料與砂配制而成的砂漿,其用于水工混凝土磨蝕防護已有40多年的歷史[1],但傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿存在粘性大、對人體健康和環(huán)境不利、在潮濕有水環(huán)境下與基底材料粘結(jié)效果大幅降低的缺點.隨著對環(huán)氧樹脂研究的不斷深入,水性環(huán)氧樹脂應運而生,成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)氧樹脂的最佳材料.水性環(huán)氧樹脂繼承了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的諸多優(yōu)點[2],此外其表現(xiàn)為親水性,可以與水泥、硅粉、粉煤灰等水性體系配合使用,使不同材料能夠相互彌補并充分發(fā)揮各自性能.目前有關水性環(huán)氧樹脂改性砂漿的研究較少且主要集中在建筑領域,不同類型和不同廠家生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂對砂漿的改性效果不盡相同[3-5].因此,在應用水性環(huán)氧樹脂制備砂漿前需要通過試驗研究乳液對改性砂漿性能的影響.本文采用一種水性環(huán)氧樹脂制備環(huán)氧樹脂改性砂漿,研究聚灰比對新拌砂漿性能的影響和不同養(yǎng)護方式對不同聚灰比改性砂漿力學性能的影響,為水性環(huán)氧樹脂砂漿在水利工程中的應用提供參考.

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原材料

1)水性環(huán)氧樹脂:上海漢中化工有限公司生產(chǎn)的固化劑乳化型水性環(huán)氧樹脂體系,技術指標見表1.

表1水性環(huán)氧樹脂體系技術指標

2)水泥:鄭州天瑞水泥生產(chǎn)的P·O32.5R 復合硅酸鹽水泥.

3)砂:白鴿集團生產(chǎn)的綠碳化硅,分36目和46目兩種規(guī)格.

1.2 試驗方法

1.2.1 水性環(huán)氧砂漿制備

1)根據(jù)配合比稱取一定量的水泥和砂攪拌均勻待用,稱取一定量的水性環(huán)氧樹脂和固化劑混合攪拌均勻待用.水性環(huán)氧樹脂乳液摻量以聚灰比表示,即水性環(huán)氧樹脂摻量與水泥摻量的比值.

2)根據(jù)水灰比及固化劑中已含水量稱取實際需要的水量,將水少量多次地加入攪拌好的水性環(huán)氧樹脂體系中,每次的加水量以攪拌后水性環(huán)氧樹脂體系能夠均勻分散在水中形成乳液為宜.

3)將水性環(huán)氧乳液倒入填料中并采用手動攪拌的方式進行攪拌.

1.2.2 改性砂漿密度測定

按下式計算砂漿密度:

式中:ρu為砂漿表觀密度(g/cm3)；mm為容器與砂漿的總質(zhì)量(g)；ma為容器質(zhì)量(g)；V為容器體積(cm3).

1.2.3 改性砂漿稠度試驗

按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009),采用砂漿稠度儀測定砂漿稠度,按聚合物水泥抹面砂漿工作性相同(稠度為50～60 mm)的原則,確定改性砂漿水灰比,并求得相應的減水率.

1.2.4 改性砂漿凝結(jié)時間測定

按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70—2009),采用貫入阻力法測定砂漿凝結(jié)時間.

1.2.5 改性砂漿抗壓和抗折強度測定

按照《環(huán)氧樹脂砂漿技術規(guī)程》(DL/T 5193—2004)測試試件抗壓和抗折強度,試件養(yǎng)護方式見表2.

表2改性砂漿養(yǎng)護方式

壓折比定義為:

式中:T為壓折比；Rc為抗壓強度(MPa)；Rf為 抗 折強度(MPa).

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液對改性砂漿新拌性能影響

乳液對砂漿新拌性能影響見表3.

表3改性砂漿配合比

由表3可以看出,乳液對砂漿的減水率隨聚灰比增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當聚灰比為8%時,乳液對砂漿的減水效果較為明顯,繼續(xù)增大聚灰比后乳液減水效果減弱.原因可能為,當聚灰比較小時,填料之間具有一定的粘結(jié)力,雖然水灰比比水泥砂漿低,但填料粘聚在一起具有一定蠕動性,此時聚灰比對砂漿稠度的影響較大,最終表現(xiàn)為水灰比減小而稠度增大.當聚灰比進一步增大時,固化劑用量增大,固化劑中的含水量增大,導致實際加水量減小,砂漿填料間粘聚力雖增大但砂漿較干而不易發(fā)生流動.

改性砂漿的新拌性能見表4.

表4改性砂漿新拌性能

由表4可以看出,水灰比一定,改性砂漿密度隨聚灰比增大而減小.乳液中表面活性劑的作用使得乳液具有一定的引氣性,并且水灰比一定,改性砂漿液相粘度隨聚灰比增大而增大,使得砂漿中產(chǎn)生的氣泡增多,密度下降.水灰比一定,改性砂漿凝結(jié)時間大于水泥砂漿,這表明加入乳液對其改性砂漿具有緩凝作用.原因為在水泥砂漿中加入乳液后,水性環(huán)氧樹脂中的親水基包裹住水泥顆粒,水性環(huán)氧樹脂體系在水泥表面成膜使得水泥水化層變厚,水泥顆粒不能凝聚而延緩了水泥水化反應進行[4].

不同聚灰比改性砂漿貫入阻力隨時間的變化如圖1所示.從圖1可看出,水泥砂漿貫入阻力與時間基本呈線性關系,改性砂漿貫入阻力與時間呈拋物線關系.隨著聚灰比增大,乳液對砂漿的緩凝效果減弱,雖然砂漿前期凝結(jié)速率減小,但后期凝結(jié)速率增大.這表明隨著聚灰比增大,改性砂漿中乳液的成膜速度成為影響砂漿凝結(jié)的主導因素,而不是由水泥水化速度決定.

圖1不同聚灰比改性砂漿貫入阻力隨時間的變化

2.2 養(yǎng)護方式對改性砂漿力學性能的影響

表5為未摻水性環(huán)氧樹脂乳液的水泥砂漿力學性能,圖2和圖3 為不同養(yǎng)護方式下聚灰比分別為8%、10%、12%和14%時,改性砂漿7 d和28 d齡期的抗壓強度和抗折強度.

表5 PO32.5R 水泥砂漿力學性能

圖2不同養(yǎng)護方式下改性砂漿抗壓強度

圖3不同養(yǎng)護方式下改性砂漿抗折強度

由圖2和圖3可以看出,不同聚灰比改性砂漿抗壓和抗折強度都要大于相同齡期的未摻水性環(huán)氧樹脂乳液的水泥砂漿.由圖2(a)可以看出,當聚灰比在8%～12%范圍內(nèi),C養(yǎng)護方式最利于改性砂漿7 d齡期抗壓強度增長,其次為A養(yǎng)護方式,D 養(yǎng)護方式最不利于改性砂漿7 d齡期抗壓強度增長.當聚灰比為14%時,A 養(yǎng)護方式最利于改性砂漿7 d齡期抗壓強度增長,其次為C 養(yǎng)護方式,B 養(yǎng)護方式最不利于改性砂漿7 d齡期抗壓強度增長.這表明早期經(jīng)歷干養(yǎng)護的養(yǎng)護方式更利于改性砂漿早期強度增長,并且隨著聚灰比增大,改性砂漿達到7 d齡期最佳抗壓強度所需要水中養(yǎng)護的時間逐漸減少甚至無需進行水中養(yǎng)護.由圖2(b)可以看出,C 養(yǎng)護方式最利于改性砂漿28 d齡期抗壓強度增長,其次為B養(yǎng)護方式,A 養(yǎng)護方式最不利于改性砂漿28 d齡期抗壓強度增長,這表明前期水中養(yǎng)護雖然延緩了乳液成膜但有利于水泥水化,后期經(jīng)過一段時間的干養(yǎng)護乳液能夠繼續(xù)成膜,干濕交替的養(yǎng)護方式更利于砂漿28 d齡期抗壓強度增長.在D 養(yǎng)護方式下,改性砂漿28 d齡期抗壓強度超過了A養(yǎng)護方式下改性砂漿28 d齡期抗壓強度,但低于C和B 養(yǎng)護方式下改性砂漿28 d齡期抗壓強度,這表明前期先干養(yǎng)后水中養(yǎng)護的方式對水泥水化仍有一定的促進作用,但水泥水化反應又不如先進行水中養(yǎng)護時充分.由圖3可以看出,養(yǎng)護方式對不同聚灰比改性砂漿抗折強度的影響與抗壓強度一致,干濕交替養(yǎng)護更利于改性砂漿抗折強度增長.

改性砂漿由水泥和水性環(huán)氧樹脂乳液復合而成,其強度由水泥水化和水性環(huán)氧樹脂乳液成膜程度共同決定,而水性環(huán)氧樹脂乳液成膜和水泥水化過程矛盾.水泥水化需要一定濕度或者進行水中養(yǎng)護,水性環(huán)氧乳液成膜需要干燥條件,無論單純滿足兩者中的哪一方面,都不利于砂漿強度增長.由試驗結(jié)果可以看出,改性砂漿強度要想達到最佳,不僅要進行干濕交替養(yǎng)護,而且干、濕養(yǎng)護天數(shù)和次序也是關鍵.

壓折比指材料抗壓強度和抗折強度的比值,是材料柔性的衡量指標.壓折比越小,材料柔性越好,抗裂性越好.如圖4所示,在4種養(yǎng)護方式下,不同聚灰比改性砂漿的壓折比都要低于水泥砂漿,并且隨著聚灰比增大有進一步減小的趨勢.這表明在水泥砂漿中摻入乳液能對砂漿起到增韌作用,使砂漿脆性降低.

圖4不同養(yǎng)護方式下改性砂漿壓折比

3 結(jié)論

本文采用一種水性環(huán)氧樹脂乳液制備改性砂漿,研究了聚灰比對改性砂漿新拌性能以及養(yǎng)護方式對不同聚灰比改性砂漿力學性能的影響,得到結(jié)論如下:

1)該水性環(huán)氧乳液能夠明顯改善砂漿和易性,隨著聚灰比增大,乳液對改性砂漿的減水率先增大后減小,當聚灰比為12%時,減水率達到18.6%,減水效果明顯.

2)水灰比一定,改性砂漿密度隨聚灰比增大而減小.在工程應用中提高改性砂漿聚灰比時,應適當增大水灰比或者添加減水劑,以免孔隙增多導致砂漿密實度下降.

3)該水性環(huán)氧乳液對改性砂漿具有緩凝作用,水灰比一定,隨著聚灰比增大,改性砂漿前期凝結(jié)速率減小,后期凝結(jié)速率增大.

4)先水中養(yǎng)護后自然養(yǎng)護的養(yǎng)護方式更利于改性砂漿強度增長.在工程應用時,可先對改性砂漿進行3 d濕養(yǎng)護,后自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期.相比水泥砂漿,聚灰比14%的改性砂漿抗壓強度增長了54.8%,抗折強度增長了121.8%,壓折比降低了30.2%,表明該水性環(huán)氧樹脂體系能夠顯著提高砂漿強度和韌性,適用于制備有抗沖磨要求的水工混凝土修復砂漿.