改性環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能試驗(yàn)研究★

陶亞文

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.洛陽(yáng)理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

環(huán)氧樹(shù)脂作為一種最為常見(jiàn)的新型復(fù)合加固材料，具有高強(qiáng)、耐腐蝕、密度小、養(yǎng)護(hù)周期短、絕緣性好、可水下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，可用于金屬、玻璃、陶瓷、混凝土、木材、纖維等材料之間的黏結(jié)，在樁基接長(zhǎng)、應(yīng)急修復(fù)、軍事設(shè)施等工程中有著極佳表現(xiàn)，但環(huán)氧樹(shù)脂也存在脆性高，抗開(kāi)裂性能差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂在工程建設(shè)領(lǐng)域難以普及推廣，通過(guò)摻雜外加填料實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的改性，是改善環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能的常用方法[1-2]。石學(xué)堂等[3]采用曼尼希對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，在加快環(huán)氧樹(shù)脂室溫固化速度的同時(shí)又提高了其抗剪強(qiáng)度。彭勃等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固化劑復(fù)配法對(duì)樹(shù)脂材料抗老化能力提高顯著，有機(jī)蒙脫土可有效提高樹(shù)脂材料的強(qiáng)度。王安東等[5]通過(guò)在環(huán)氧樹(shù)脂中摻雜18%的增韌劑對(duì)其進(jìn)行改性，當(dāng)樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%以及袋壓為0.8 MPa時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度為462 MPa，強(qiáng)度提高了78%，增韌效果明顯。李悅等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固化劑和增韌劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化物力學(xué)性質(zhì)的影響存在一個(gè)臨界值，外加劑摻量大于臨界值時(shí)，將造成環(huán)氧樹(shù)脂固化物力學(xué)性質(zhì)的降低。劉紀(jì)艷[7]通過(guò)摻雜納米碳酸鈣和硅微粉對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種填料按1∶1組合對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較未改性的環(huán)氧樹(shù)脂分別提高了18%和14%，力學(xué)性能改善明顯。武德濤等[8]采用環(huán)氧基液體丁晴橡膠和MBS聚合物增韌樹(shù)脂作為環(huán)氧樹(shù)脂材料的增韌劑，取得顯著效果。雷臥龍等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻入會(huì)提高環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的變形能力，但將造成強(qiáng)度降低，1.5 mm粒徑的橡膠顆粒對(duì)兩種性能有較好的中和。曹國(guó)靜等[10]采用膨潤(rùn)土和納米二氧化硅對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土在增加材料拉伸強(qiáng)度的同時(shí)降低了材料的塑性，納米二氧化硅在提高材料抗剪強(qiáng)度的同時(shí)也降低了材料的拉伸強(qiáng)度，二者共同作用時(shí)會(huì)使材料的性能有一個(gè)很好的綜合。

綜上所述，目前相關(guān)學(xué)者對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂改性的方法主要有3種，包括橡膠彈性體增韌方法、納米粒子增韌方法、互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增韌法。盡管目前有關(guān)改性環(huán)氧樹(shù)脂的研究已取得很大進(jìn)步，但多數(shù)改性方法難以確保韌性和強(qiáng)度的同時(shí)提高。因此，本文將制備5種環(huán)氧樹(shù)脂并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以期確定較為合適的工藝參數(shù)，達(dá)到其改性增強(qiáng)增韌的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

環(huán)氧樹(shù)脂1型為山西省大同市生產(chǎn)的環(huán)氧基類有機(jī)材料；環(huán)氧樹(shù)脂2，3，4型分別為中科院廣州化灌工程有限公司生產(chǎn)的XT-A高滲透環(huán)氧樹(shù)脂、XT通用環(huán)氧樹(shù)脂裂縫修復(fù)材料、XT改性環(huán)氧灌漿材料(濃漿型)三種類型的有機(jī)材料；柔性固化劑采用低分子聚酰胺樹(shù)脂，安徽定遠(yuǎn)縣丹寶樹(shù)脂有限公司生產(chǎn)；其余固化劑均為廠家配套提供；玄武巖纖維單絲直徑為9 μm～17 μm，長(zhǎng)度為6 mm，密度為2 680 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為4 120 MPa～4 820 MPa，彈性模量為95 GPa～110 GPa，山西晉投玄武巖開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)；石英砂粒徑約為20目～40目；鋼纖維單絲直徑約為0.1 mm，長(zhǎng)度為12 mm，密度為7 890 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為400 GPa～1 200 GPa，彈性模量為200 GPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用YBZ2×2(1.5)-50(63)電動(dòng)油泵配合YDC-650穿心千斤頂以及自制的反力支架進(jìn)行試樣強(qiáng)度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)前，在中國(guó)人民解放軍總參謀部軍訓(xùn)部防護(hù)工程計(jì)量測(cè)試站對(duì)加載設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)合標(biāo)定。

1.3 試樣制備及測(cè)試

參考GB/T 2567—2008樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法進(jìn)行試樣澆筑，本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5種配合比，參考文獻(xiàn)[11]最佳纖維摻量設(shè)計(jì)的試驗(yàn)配合比如表1所示，玄武巖纖維和鋼纖維摻量分別為體積的0.1%和2%。考慮實(shí)際工程需要，將養(yǎng)護(hù)時(shí)間設(shè)定為7 d,14 d,28 d，脫模后運(yùn)用雙端打磨機(jī)對(duì)試樣兩端面進(jìn)行打磨處理，每種工況下試樣制備三塊，試樣制備完成后，參考GB/T 1041—2008塑料壓縮性能的測(cè)定進(jìn)行單壓縮實(shí)驗(yàn)。

表1 材料配合比設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 初步分析

環(huán)氧樹(shù)脂固化物密度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 環(huán)氧樹(shù)脂固化物密度

表3 環(huán)氧樹(shù)脂抗壓強(qiáng)度

由表2可知，環(huán)氧樹(shù)脂固化物密度在1 144 kg/m3～1 604 kg/m3之間。由表3可知，8種環(huán)氧樹(shù)脂28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為24 MPa～123 MPa，7 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度均在28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的80%以上，7 d后強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)不明顯，其中B-3型環(huán)氧樹(shù)脂28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度較第14天略有降低，分析其原因可能為改性環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中，會(huì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并釋放熱量和氣體，難以順利排出的氣體滯留在試樣內(nèi)部造成試樣出現(xiàn)密閉氣泡，試樣自身出現(xiàn)缺陷，材料的非均質(zhì)性增強(qiáng)，導(dǎo)致同類試樣的力學(xué)性能略有差異。

2.2 玄武巖纖維對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂材料性能的影響

摻雜玄武巖纖維前后，環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度和固化物密度如表4所示。

表4 玄武巖纖維對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度及密度的影響

由表4可知，實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)A-1型環(huán)氧樹(shù)脂最大強(qiáng)度為24 MPa，固化物密度為1 220 kg/m3，但摻雜玄武巖纖維后，固化物密度降低5.9%，同時(shí)強(qiáng)度提高近3倍達(dá)63 MPa。

造成其密度降低的原因可能為玄武巖纖維與環(huán)氧樹(shù)脂(環(huán)氧樹(shù)脂漿體密度為1 000 kg/m3～1 100 kg/m3)比重相近并且摻量較少，玄武巖纖維自身質(zhì)量對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物質(zhì)量影響較小，并且纖維材料在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部以大量三維亂向空間網(wǎng)絡(luò)體系存在，具有一定稠度的基質(zhì)材料難以順利進(jìn)入纖維空間網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)部并完全填充整個(gè)體系，同時(shí)在混合料拌合過(guò)程中，纖維附近的基質(zhì)材料易出現(xiàn)氣泡，上述原因共同導(dǎo)致A-2型環(huán)氧樹(shù)脂固化物中氣體體積比升高，從而使固化物密度降低。

造成強(qiáng)度大幅度提高的原因可能有以下幾點(diǎn)：1)試樣在壓縮過(guò)程中，纖維與基質(zhì)材料間的界面吸附結(jié)合力會(huì)分散一部分外界傳遞的能量到纖維上。2)在改性環(huán)氧樹(shù)脂體系內(nèi)部，纖維和裂隙存在兩種空間位置形式，如圖1所示，從圖1(a)可以看出，當(dāng)纖維間距小于裂隙時(shí)，纖維跨越裂隙先后兩端面，起到“橋接”作用，接收并傳遞荷載，引起改性環(huán)氧樹(shù)脂體系內(nèi)部應(yīng)力重新分布并產(chǎn)生更加均勻的應(yīng)力場(chǎng)，避免裂隙尖端應(yīng)力集中，從而約束裂隙的發(fā)展；從圖1(b)可以看出，當(dāng)纖維間距大于裂隙時(shí)，裂隙尖端的擴(kuò)展方向受到纖維的阻撓而改變，使裂隙尖端的應(yīng)力集中情況得到改善，或裂隙繼續(xù)跨越纖維形成模式，進(jìn)而阻止裂隙的發(fā)展，提高了材料抵抗變形破壞的能力。玄武巖纖維改性前后，環(huán)氧樹(shù)脂破壞形態(tài)如圖1所示，由于玄武巖纖維的“橋接”作用，材料的韌性增加，試樣的破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，這與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果相符。

同時(shí)由表3可知，A-1型環(huán)氧樹(shù)脂7 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為22 MPa，約為28 d強(qiáng)度的91%，14 d,28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度依次增加4.5%,4.3%。摻雜玄武巖纖維后，環(huán)氧樹(shù)脂7 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為59 MPa，約為28 d強(qiáng)度的94%，14 d,28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度依次增加1.7%,5%。兩者強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，由此可見(jiàn)，是否摻雜玄武巖纖維對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響較小。

2.3 鋼纖維對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂材料性能的影響

摻雜鋼纖維后，環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度與固化物密度的變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可知，B-1型環(huán)氧樹(shù)脂28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度為37 MPa，固化物密度為1 402 kg/m3，B-2，B-3較B-1型環(huán)氧樹(shù)脂28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度分別增長(zhǎng)48.6%,86.5%，固化物密度分別增長(zhǎng)14.4%，15.9%。同時(shí)由前文表2可知，環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)鋼纖維改性后，固化物密度明顯增加，這是由于混合料中鋼纖維比重約為基質(zhì)材料的6倍，單位體積內(nèi)質(zhì)量增加，從而造成固化物密度升高。鋼纖維具有與玄武巖纖維相同的“橋接”作用，B-1,B-2,B-3 型改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物均表現(xiàn)出較高的韌性，三種試樣均為塑性破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

纖維材料的“橋接”作用可以顯著提高環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性質(zhì)和變形能力，并有效降低固化物密度，摻雜玄武巖纖維后，環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度提高約3倍，且密度降低5.9%，變形能力增強(qiáng)；摻雜鋼纖維后，其變形能力增強(qiáng)，但比重增加。