超早強(qiáng)環(huán)氧砂漿錨固性能研究

徐 倩， 邵 飛， 白林越， 馬青娜， 唐江明

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

為實(shí)現(xiàn)膠凝材料的快凝需求，國內(nèi)學(xué)者以高鋁水泥或普通硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)，通過添加外加劑研制快凝水泥砂漿類建筑膠黏材料，例如，查炎鵬等[1]所研制的橋梁支座砂漿經(jīng)養(yǎng)護(hù)1 d后其強(qiáng)度可達(dá)到最大值；周華新等[2]所研究的超早強(qiáng)聚合物快速修補(bǔ)砂漿可實(shí)現(xiàn)7 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度2.89 MPa；代國忠等[3]提出的早強(qiáng)型水泥漿液材料2～3 d凝期抗壓強(qiáng)度達(dá)到15～25 MPa。國外學(xué)者對環(huán)氧樹脂材料的研究主要集中在通過改變環(huán)氧樹脂的材料或稀釋劑用量進(jìn)行環(huán)氧砂漿改性以降低材料黏度提高其流動性和施工效率[4-6]。但對于緊急救援、搶修搶建工程而言，凝固時(shí)限要求一般以數(shù)小時(shí)為計(jì)，并且僅提高快凝錨桿的施工效率，無法實(shí)現(xiàn)快速承載，因此以上成果均無法滿足應(yīng)急使用要求。2017年，王淑敏等[7]通過改變促進(jìn)劑的用量得出樹脂錨固劑凝膠時(shí)間、固化時(shí)間將出現(xiàn)較大變化的結(jié)論，借鑒該結(jié)論，本文在針對目前環(huán)氧砂漿固化慢、超早期強(qiáng)度低等缺點(diǎn)方面，通過正交試驗(yàn)研究確定快凝環(huán)氧砂漿的最優(yōu)配合比以滿足搶修搶建的時(shí)效性和固化效果要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

環(huán)氧砂漿超早期強(qiáng)度的影響因素主要是填料、固化劑、稀釋劑和促進(jìn)劑的材料或用量[8]。環(huán)氧樹脂采用雙酚A型(6101)，環(huán)氧值為0.44 mol/100 g，即環(huán)氧樹脂E44，環(huán)氧基的相對分子質(zhì)量是43，環(huán)氧平均值為0.44 mol/100 g。采用細(xì)度模數(shù)為2.7的河砂填料，經(jīng)烘干控制含水率<0.5%。根據(jù)王偉等[9]的研究，可將填料水平定為對每100 g環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化反應(yīng)時(shí)采用分別摻入400、500和600 g填料進(jìn)行試驗(yàn)。水泥采用P.II42.5硅酸鹽水泥。稀釋劑采用分析純丙酮，由于一般非活性稀釋劑的用量為10%～20%，試驗(yàn)取3種稀釋劑用量水平分別為12%、15%和18%進(jìn)行試驗(yàn)篩選。固化劑采用改性T31，根據(jù)曼尼期堿用量的理論計(jì)算公式可得固化劑的用量為22.9%～28.3%，試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量在理論用量的基礎(chǔ)上選定3種，分別為22%、26%和30%進(jìn)行試驗(yàn)。促進(jìn)劑采用DMP-30，其一般用量為環(huán)氧樹脂的10%左右，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配制水平分別為8%、10%和12%。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的因素及水平如表1所示。

表1 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平表

按照正交試驗(yàn)原則選用正交試驗(yàn)表格，如表2所示，檢驗(yàn)環(huán)氧砂漿的4 h單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2 抗壓、劈裂試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 抗壓、劈裂試驗(yàn)

按照表2配置環(huán)氧砂漿，制備試塊并在25 ℃室溫條件下養(yǎng)護(hù)4 h，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。參照國標(biāo)JGJ/T70—2009和GB/T50081—2002試驗(yàn)規(guī)程，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行極限承壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，得出抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)某一因素在相同水平下的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的算數(shù)平均值，以ki表示(i分別為水平1、2、3)，并以極差R表示ki最大值與最小值之差，將ki與R列于表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

通過R的大小可以判斷各因素水平的變化對環(huán)氧砂漿強(qiáng)度影響情況，R值越大則影響越大，反之越小。

2.2 影響因素分析

(1)填料的作用是形成環(huán)氧基體的骨架結(jié)構(gòu)，可降低膠體固化過程中因收縮而帶來的殘余應(yīng)力，提高整體抗壓能力，但同時(shí)骨架顆粒的增加使單位體積內(nèi)膠凝材料含量降低，一定程度上降低了結(jié)構(gòu)之間的黏聚力。因此試驗(yàn)結(jié)果顯示，環(huán)氧砂漿4 h抗壓強(qiáng)度隨著填料用量的增大抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢，劈裂強(qiáng)度呈下降趨勢。

(2)環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均隨著稀釋劑摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，稀釋劑B在水平2時(shí)環(huán)氧砂漿抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度最大。分析其原因是稀釋劑在環(huán)氧砂漿拌和過程中起到降低樹脂黏度、提高環(huán)氧樹脂對骨架顆粒浸潤力的作用，使膠黏材料能夠更充分地與填料顆粒結(jié)合，從而提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部的黏聚力，但若摻量過大將導(dǎo)致冗余部分稀釋劑殘留在砂漿里，降低了環(huán)氧砂漿的固化強(qiáng)度。

(3)環(huán)氧樹脂本身呈線型結(jié)構(gòu)，固化劑的作用是使環(huán)氧樹脂形成網(wǎng)狀立體聚合物，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)氧砂漿強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。試驗(yàn)表明，環(huán)氧砂漿在固化劑摻量處于較低水平時(shí)材料抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均較低，表明固化劑不足將導(dǎo)致環(huán)氧樹脂固化不完全，隨著摻量的增加，環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度也隨之增大，在固化劑C摻量為水平3時(shí)，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均達(dá)到最大。

(4)環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨著促進(jìn)劑的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，促進(jìn)劑D在水平2時(shí)環(huán)氧砂漿抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度最大。分析其原因是，雖然促進(jìn)劑能降低環(huán)氧砂漿混合物的反應(yīng)活化能、提高反應(yīng)速度、促進(jìn)環(huán)氧固化物交聯(lián)結(jié)構(gòu)的完整性，但加入過量的促進(jìn)劑會使體系固化反應(yīng)過快，導(dǎo)致固化物內(nèi)應(yīng)力過大，粘接強(qiáng)度降低。

綜合以上分析，結(jié)合表3中R值可知，從抗壓強(qiáng)度分析，填料、促進(jìn)劑對其影響程度較大，各因素的最優(yōu)組合為A3B2C3D2，而從劈裂強(qiáng)度考慮，填料、稀釋劑對其影響程度較大，各因素的最優(yōu)組合為A1B2C3D2。由組合方式可知，抗壓優(yōu)化組合和劈裂優(yōu)化組合不同之處在于填料摻量，填料摻量越大，環(huán)氧砂漿的流動性越小，在填料A摻量在水平2時(shí)流動性比較適中且便于施工，同時(shí)也可平衡環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，因此最終確定超早強(qiáng)環(huán)氧砂漿的最優(yōu)配制組合為A2B2C3D2，即每100 g環(huán)氧樹脂加入填料500 g、固化劑15 g、稀釋劑30 g和促進(jìn)劑10 g。

為檢驗(yàn)養(yǎng)護(hù)溫度對環(huán)氧砂漿強(qiáng)度的影響情況，按最優(yōu)配合比制作試塊并分別在10、20和25 ℃條件下養(yǎng)護(hù)，測得4 h抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度如表4所示。在25 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，所配置的環(huán)氧砂漿4 h抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均最大，分別為71.4和6.72 MPa。

表4 最優(yōu)配合比下環(huán)氧砂漿4 h抗壓、劈裂強(qiáng)度

3 環(huán)氧砂漿錨固力測試

為進(jìn)行錨固力的測試，以A2B2C3D2的最優(yōu)配合比制作環(huán)氧砂漿，并與快凝水泥錨固劑進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：

(1)根據(jù)前期試驗(yàn)調(diào)查，當(dāng)桿件錨固深度小于9D(D為錨桿直徑)時(shí)，錨桿拉拔的破壞主要形式為受錨固劑影響而產(chǎn)生的粘結(jié)破壞，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在弱風(fēng)化的花崗巖(花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為104 MPa，劈裂強(qiáng)度為3.85 MPa)中鉆直徑28～34 mm、深度150 ～250 mm的孔洞進(jìn)行。

(2)將?20的HRB400螺紋鋼分別用環(huán)氧砂漿和快凝水泥植入其中，并使鋼筋垂直插入孔洞，對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5所示，第1組研究錨固深度對承載力的影響，第1、2組對比研究錨固劑的強(qiáng)度對承載力的影響，第3組研究錨固劑的環(huán)形厚度對承載力的影響，每一試驗(yàn)設(shè)置3根錨桿，拉拔結(jié)果取均值。

(3)采用國標(biāo)14號工字鋼制作反力架，待錨桿裝置養(yǎng)護(hù)4 h后，用錨桿拉拔儀逐級加載，每次加載1 kN，加載后讀一次數(shù)據(jù)，穩(wěn)定1 min再讀一次數(shù)據(jù)，然后再施加下一級荷載。當(dāng)位移速率增大時(shí)，適當(dāng)減少加載速率，直到最后破壞。

表5 拉拔試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載平臺如圖1所示。

圖1 拉拔試驗(yàn)加載平臺示意圖

拉拔試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 錨桿拉拔承載力

繪制錨桿在不同錨固劑、不同錨固深度及錨固劑環(huán)形厚度條件下的拉拔承載力變化趨勢分別如圖2、3所示。

圖2 不同錨固深度、錨固劑拉拔承載力對比

從圖2可知，錨桿的極限拉拔承載力隨著錨固深度的增加而增加，并且以設(shè)計(jì)的環(huán)氧砂漿錨固劑植筋在4 h養(yǎng)護(hù)后的抗拉拔承載力比快凝水泥錨固劑極限拉拔承載力分別提高了31.5、31.9和32.1 kN，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的最優(yōu)配合比環(huán)氧砂漿快速錨固的有效性。由圖3可知，錨桿的極限拉拔承載力隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加呈先增加后減少的態(tài)勢。當(dāng)錨固劑的環(huán)形厚度為32 mm時(shí)，承載力達(dá)到最大值116.4 kN。

圖3 拉拔承載力與錨固劑環(huán)形厚度的關(guān)系

4 結(jié)論

本文根據(jù)環(huán)氧砂漿制備反應(yīng)過程對其強(qiáng)度影響因素進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)得出環(huán)氧砂漿的最優(yōu)配合比，根據(jù)錨桿抗拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)最優(yōu)配合比的環(huán)氧砂漿快速錨固的有效性，得出以下結(jié)論：

(1)填料、固化劑、稀釋劑,以及促進(jìn)劑是影響環(huán)氧砂漿超早期強(qiáng)度主要因素。

(2)設(shè)計(jì)三水平四因素的正交試驗(yàn)，制備環(huán)氧砂漿試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)確定環(huán)氧砂漿的最佳配合比為每100 g環(huán)氧樹脂加入填料500 g、固化劑15 g、稀釋劑30 g,以及促進(jìn)劑10 g。該配合比水平下制備的錨固劑在25 ℃條件下經(jīng)4 h養(yǎng)生后其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到71.4 MPa，劈裂強(qiáng)度達(dá)到6.72 MPa。

(3)4 h養(yǎng)生時(shí)間限制下，自配的環(huán)氧砂漿作為錨固劑的錨桿抗拉拔承載力遠(yuǎn)高于快凝水泥錨固劑承載力，且在拉拔粘結(jié)破壞范圍內(nèi)錨桿的極限拉拔承載力隨著錨固深度的增加而增加；極限拉拔承載力隨著錨固劑環(huán)形厚度在28～34 mm范圍內(nèi)先增加后減少，當(dāng)錨固劑的環(huán)形厚度為32 mm時(shí)，承載力達(dá)到最大值116.4 kN。研究表明經(jīng)優(yōu)化的環(huán)氧砂漿超早期強(qiáng)度能夠滿足搶修等特殊工程需要，具有工程應(yīng)用價(jià)值。