隧道工程用環(huán)氧樹脂基混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

羅宏濤

（甘肅路橋第四公路工程有限責(zé)任公司，蘭州 730050）

受地理因素的影響，我國(guó)隧道所處地段多半都在山區(qū)，惡劣的環(huán)境因素導(dǎo)致隧道混凝土很容易出現(xiàn)病害，如開裂、漏水等。如何提高隧道混凝土性能，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)隧道工程路面中混凝土的修補(bǔ)，是目前研究的重點(diǎn)課題。而在這其中，最為關(guān)鍵的是要解決隧道路面混凝土自身力學(xué)性能和抗沖擊性能等問題，這樣才能更好的提高隧道工程路面的使用壽命。如黃德楷（2019）嘗試在隧道混凝土中摻入一定的粉煤灰，并就粉煤灰添加量對(duì)其性能影響進(jìn)行探討，以此提高混凝土的壓縮性能[1]；高建平（2019）則嘗試對(duì)隧道二次襯砌混凝土的配比進(jìn)行優(yōu)化，得出二次襯砌混凝土性能的最佳配比[2]；錢慧麗（2013）等則嘗試在混凝土中加入環(huán)氧樹脂，試驗(yàn)表明隨著摻量的增加，混凝土的抗沖擊性能。以上專家的研究給隧道混凝土配比優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，但對(duì)于隧道路面混凝土的修補(bǔ)還存在一定不足。因此，本研究嘗試用環(huán)氧樹脂膠為基底，制備環(huán)氧樹脂基混凝土，并尋找最佳配比，以求制備出一種高性能的隧道混凝土，為隧道工程混凝土發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料與設(shè)備如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)主要材料Tab.1 Main test materials

表2 試驗(yàn)主要設(shè)備Tab.2 main test equipment

1.2 樣品制備

1.2.1 環(huán)氧樹脂基體制備

環(huán)氧樹脂固化到獲取穩(wěn)定力學(xué)性能的時(shí)間決定了環(huán)氧樹脂基混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。參照《塑料拉伸性能測(cè)試方法》，將雙酚A 環(huán)氧樹脂與胺類固化劑按比例混合，混合均勻后澆筑在橡膠模具中，在烘箱內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)1~4d。試件脫模后，按圖1中的尺寸制備標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂基體拉伸試件。

圖1 環(huán)氧樹脂基體拉伸試件Fig.1 Epoxy resin matrix tensile test piece

1.2.2 混凝土試件制備

1）提前對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)熱備用，將骨料和環(huán)氧樹脂膠攪拌均勻，使所有骨料和膠粘劑混合均勻，骨料間相互裹挾即可。

2）將攪拌均勻的環(huán)氧樹脂骨料倒入模具后夯實(shí)，在倒入模具時(shí)，保證相同配比填充料的用量一致，確保密度的一致性。

3）將模具放置于25℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)3d，脫模成型，得到試件。

為對(duì)比不同影響因素給環(huán)氧樹脂基混凝土彎曲拉伸、壓縮強(qiáng)度、級(jí)配敏感性的影響，按照膠石比8%、11%、13%制備環(huán)氧樹脂基混凝土；試件養(yǎng)護(hù)3h、6h、9h、12h、24h和48h；粒徑大于4mm的粗骨料占比為40%、50%、60%。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 環(huán)氧樹脂基體力學(xué)性能

1）拉伸性能測(cè)定：在基體制備過程中，因環(huán)氧樹脂會(huì)產(chǎn)生較大變形，可忽略與夾具產(chǎn)生的滑移，所以可利用試驗(yàn)機(jī)位移來計(jì)算應(yīng)變。將拉伸試件放置于萬能試驗(yàn)機(jī)上，按照1mm/min 的速率進(jìn)行加載。，直至試件出現(xiàn)斷口。具體拉伸強(qiáng)度用公式（1）計(jì)算。

式中，T表示試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；bER表示試件拉斷截面的寬度（mm）；hER表示試件拉斷截面的厚度（mm）；σTER表示基體的拉伸強(qiáng)度（MPa）。

2）壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)方案：依據(jù)《GBT 1041-1992塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》，提前對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d，脫模后按圖2的標(biāo)準(zhǔn)制備環(huán)氧樹脂基體試件。

圖2 壓縮試件Fig.2 Compression specimen

將壓縮試件放置于WAW-100B 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上，按照1mm/min的速率進(jìn)行加載。壓縮強(qiáng)度用公式（2）計(jì)算。

式中，F(xiàn) 表示試件破壞時(shí)的最大載荷（N）；S 表示試件截面面積（mm2）。

1.3.2 環(huán)氧樹脂基混凝土性能測(cè)試

1）環(huán)氧樹脂基混凝土彎曲拉伸試驗(yàn)：參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，將環(huán)氧樹脂混凝土彎曲拉伸強(qiáng)度試件尺寸設(shè)定為50mm×50mm×200mm。按照以上標(biāo)準(zhǔn)分別制備膠石比為8%、11%、13%的環(huán)氧樹脂基混凝土，分別利用30kN萬能試驗(yàn)機(jī)和電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)以2mm/min的速率對(duì)試件進(jìn)行彎曲拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)。彎曲拉伸強(qiáng)度可用公式（3）計(jì)算得知，此時(shí)彎曲拉伸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變計(jì)算公式（4）。

式中，P 表示最大載荷（N）；L 表示跨徑（mm）；b 表示試件寬（mm）；h 表示試件高（mm）；f表示試件與夾頭接觸點(diǎn)的撓度（mm）。

2）環(huán)氧樹脂基混凝土的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)：參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，制備100mm×100mm的環(huán)氧樹脂基圓柱形混凝土。壓縮強(qiáng)度用公式（5）計(jì)算，壓縮強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變用為公式（6）。

式中，P表示最大載荷（N）；r表示試件半徑（mm）；f表示壓頭下降的高度（mm）；h表示試件高（mm）；

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂基體的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.1.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中，若試件斷口處明顯氣泡，則測(cè)試結(jié)果無法真實(shí)反映材料的強(qiáng)度真實(shí)值，該組試驗(yàn)結(jié)果舍棄。將不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的平均拉伸強(qiáng)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)為表3，從表3 可看出，環(huán)氧樹脂基體拉伸強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，養(yǎng)護(hù)3d 后，強(qiáng)度值逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)拉伸強(qiáng)度值為44.6MPa，因此可以推斷，環(huán)氧樹脂基混凝土的最低養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d。

表3 環(huán)氧樹脂基體不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的拉伸強(qiáng)度Tab.3 Tensile strength of epoxy resin matrix at different curing time

2.1.2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

表4為環(huán)氧樹脂基體的壓縮強(qiáng)度及平均值。通過計(jì)算5組試驗(yàn)計(jì)算得到平均壓縮強(qiáng)度為97.2MPa。

表4 環(huán)氧樹脂基體抗壓強(qiáng)度Tab.4 Compressive strength of epoxy resin matrix

2.2 環(huán)氧樹脂基混凝土性能測(cè)試結(jié)果

2.2.1 膠石比對(duì)彎曲拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度的影響

圖3 為膠石比8%時(shí)試件斷裂后內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，從圖3可看出，膠石比較低的試件斷面呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)，有些粗骨料從試件中拔出，此現(xiàn)象說明了膠石比較低時(shí)，基體與骨料間的粘接程度不牢靠。

圖3 試件斷裂后內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Internal structure of specimen after fracture

表5 表6 分別為環(huán)氧樹脂基混凝土不同膠石比的彎曲拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可知。膠石比的增加，環(huán)氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度也增加。當(dāng)膠石比的大小在8%時(shí)，此時(shí)的彎拉強(qiáng)度為7.8MPa，滿足公路水泥混凝土荷載等級(jí)要求，但壓縮強(qiáng)度達(dá)不到C30的混凝土軸心壓縮等級(jí)強(qiáng)度。而膠石比為11%時(shí)，可達(dá)到C30混凝土軸心壓縮強(qiáng)度等級(jí)，綜上分析，膠石比為11%時(shí)，可達(dá)到彎曲拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度要求。

表5 環(huán)氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of flexural tensile strength of epoxy resin based concrete

表6 不同膠石比的環(huán)氧樹脂基混凝土的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 test results of compressive strength of epoxy resin based concrete with different rubber aggregate ratio

2.2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響

表7為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)壓縮強(qiáng)度影響結(jié)果，從表7可看出，環(huán)氧樹脂基混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3h時(shí)，壓縮強(qiáng)度較低，只有7.46MPa。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為9h時(shí)，壓縮強(qiáng)度達(dá)到水泥混凝土C30 水平。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24h 時(shí)，壓縮強(qiáng)度達(dá)到了50.21MPa，并逐漸趨于穩(wěn)定。由此可看出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度影響主要分為3 個(gè)階段，第1 階段為9h 之前，是快速提高階段，以3.4MPa/h 的速率增加；第2 階段為9~12h，為緩慢提高階段，以1.3MPa/h的速率提高；第3階段為穩(wěn)定階段，整個(gè)過程大概有1.5MPa 提高。綜合上述分析，將該環(huán)氧樹脂基混凝土運(yùn)用在實(shí)際工程中，對(duì)隧道輔裝層進(jìn)行修補(bǔ)后只需養(yǎng)護(hù)9~12h即可通車。

表7 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)壓縮強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results of influence of curing time on compressive strength

2.2.3 級(jí)配敏感性試驗(yàn)結(jié)果

表8 為級(jí)配敏感性的彎曲拉伸試驗(yàn)結(jié)果，從表8可看出，三者的彎曲拉伸強(qiáng)度變化不明顯，大致相同，此現(xiàn)象說明了粗骨料占比為40%~60%時(shí)，環(huán)氧樹脂基混凝土級(jí)配影響較小。

表8 環(huán)氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強(qiáng)度Tab.8 Flexural tensile strength of epoxy resin based concrete

3 結(jié)語

本文采用環(huán)氧樹脂膠體與骨料混合，制備環(huán)氧樹脂基混凝土，通過對(duì)環(huán)氧樹脂基體和環(huán)氧樹脂混凝土進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，探究了膠石比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)環(huán)氧樹脂基混凝土性能影響，具體結(jié)論如下：

1）拉伸及壓縮強(qiáng)度表明，環(huán)氧樹脂基體經(jīng)固化劑作用養(yǎng)護(hù)3d 后的拉伸強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，拉伸強(qiáng)度值為44.6MPa左右，平均壓縮強(qiáng)度為98.4MPa。

2）環(huán)氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度結(jié)果表明，膠石比為8%時(shí)彎曲拉伸強(qiáng)度已經(jīng)能夠滿足鋪裝材料的相關(guān)規(guī)范要求，但壓縮強(qiáng)度要求無法達(dá)到，膠石比為11%時(shí)，可達(dá)到C30水泥混凝土壓縮強(qiáng)度要求，所以工程上對(duì)鋪裝材料的最小膠石比為11%，此時(shí)抗彎拉強(qiáng)度為13.75MPa，壓縮強(qiáng)度為48.75MPa。

3）環(huán)氧樹脂基混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)壓縮強(qiáng)度影響主要分為3 個(gè)階段，其中9~12h 為緩慢提升壓縮強(qiáng)度階段，此時(shí)壓縮強(qiáng)度可達(dá)到C30水泥混凝土水平，超過12h，壓縮強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，即該環(huán)氧樹脂基混凝土用于鋪裝層修補(bǔ)時(shí)，養(yǎng)護(hù)9~12h即可通車。

4）級(jí)配敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粗骨料占比40%~60%時(shí)，環(huán)氧樹脂基混凝土的級(jí)配影響較小。

綜上所述，當(dāng)環(huán)氧樹脂基混凝土配比為粗細(xì)骨料占比各為50%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間3d，膠石比11%時(shí)，力學(xué)性能滿足工程要求。若用于隧道工程中路面的修補(bǔ)，養(yǎng)護(hù)9~12h即可使用。