凍融循環(huán)下環(huán)氧砂漿材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

萬(wàn)慶玲

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330200)

1 概述

在自然環(huán)境和運(yùn)行年限等多重因素的影響下，水利工程混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞甚至破壞[1- 3]。環(huán)氧砂漿作為常用的水工混凝土修補(bǔ)材料，其能夠有效解決混凝土裂縫問(wèn)題并快速修補(bǔ)。李鵬等[4]制備了一種水性環(huán)氧砂漿并對(duì)其展開(kāi)了試驗(yàn)研究，最后指出環(huán)氧水泥砂漿的最佳施工厚度為1～3mm，此時(shí)防護(hù)效果最好。此外，部分學(xué)者也提出采用環(huán)氧樹(shù)脂改良?jí)A性礦渣水泥砂漿或纖維增強(qiáng)砂漿等手段，能夠有效提升環(huán)氧砂漿材料的修復(fù)效果和力學(xué)性能[5- 7]。

此外，凍融循環(huán)影響下，環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料的工程性能會(huì)產(chǎn)生一定的劣化效應(yīng)。混凝土結(jié)構(gòu)和修補(bǔ)材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性在凍融循環(huán)的影響下不斷變差，對(duì)其工程性能影響較大[8- 10]。然而，現(xiàn)有關(guān)于凍融循環(huán)影響下環(huán)氧砂漿材料力學(xué)性能的研究較少。因此，為研究?jī)鋈谘h(huán)影響下環(huán)氧砂漿材料的工程力學(xué)性質(zhì)，本文對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的環(huán)氧砂漿材料開(kāi)展了質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，以期研究成果為我國(guó)水利工程混凝土修復(fù)工作提供一定的指導(dǎo)作用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

本次試驗(yàn)所用環(huán)氧砂漿材料的制備涉及到的原材料主要包括：①E- 44型環(huán)氧樹(shù)脂，材料的環(huán)氧當(dāng)量為210～230g/mol，軟化點(diǎn)為14～23℃；②稀釋劑，主要成分為環(huán)氧氯丙烷；③石英砂，密度約為1.48g/cm3；④固化劑；⑤增韌劑，添加量為2%～5%。

2.2 材料制備

環(huán)氧砂漿材料的制備工序復(fù)雜，主要涉及到以下流程：①將環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑和石英砂混合制備為環(huán)氧砂漿組分A，再將固化劑、增韌劑、稀釋劑及其他助劑混合得到組分B；②將砂漿A和B按照15∶1的質(zhì)量比混合，再以30rpm的速率混勻攪拌10min，直至漿液顏色均勻且無(wú)凝結(jié)塊體；③將拌制好的環(huán)氧砂漿分2次裝填入模具中，每次都用振搗棒振實(shí)，刮去高于模具邊緣的砂漿，并用抹刀將試件表面壓平抹光，在室溫條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28d直至凝結(jié)、結(jié)石；④利用凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)成型后的環(huán)氧砂漿材料試樣進(jìn)行凍融循環(huán)處理，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、50、100、150、200次。凍融試驗(yàn)過(guò)程中，凍結(jié)溫度下限為-20℃，解凍溫度為室溫，每次凍結(jié)時(shí)間為30min。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究?jī)鋈谘h(huán)試驗(yàn)條件下環(huán)氧砂漿材料的綜合工程性質(zhì)，本次研究室內(nèi)制備了不同凍融循環(huán)次數(shù)下(n=0、50、100、150、200)環(huán)氧砂漿養(yǎng)護(hù)成型試樣，并對(duì)其展開(kāi)了質(zhì)量測(cè)試、抗壓強(qiáng)度測(cè)試以及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，質(zhì)量測(cè)試的研究對(duì)象為凍融循環(huán)次數(shù)為200次的環(huán)氧砂漿成型試樣，在其分別經(jīng)歷0、50、100、150、200次凍融循環(huán)后及時(shí)展開(kāi)質(zhì)量測(cè)試?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)則是分別針對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下的環(huán)氧砂漿養(yǎng)護(hù)成型試樣展開(kāi)，試驗(yàn)設(shè)備為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)所用試樣為150mm×150mm×150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試樣，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)則采用150mm×150mm×600mm的棱柱標(biāo)準(zhǔn)試樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)凍融循環(huán)200次環(huán)氧砂漿試樣的質(zhì)量測(cè)試結(jié)果，得到其試樣的質(zhì)量和質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，環(huán)氧砂漿試樣的質(zhì)量逐漸減小、質(zhì)量損失率逐漸增大。結(jié)合試樣表面觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為，在凍融循環(huán)的影響下，環(huán)氧砂漿材料表面出現(xiàn)了小范圍的局部損失現(xiàn)象，且這種情況隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷變得明顯，因此環(huán)氧砂漿材料的質(zhì)量逐漸減小。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)處理的環(huán)氧砂漿質(zhì)量損失率為2.14%，而經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)處理的環(huán)氧砂漿試樣的質(zhì)量損失率也僅有5.64%。上述研究結(jié)果表明，即使在200次-20℃～常溫的凍融循環(huán)影響下，環(huán)氧砂漿材料也能保持較好的穩(wěn)定性，材料的質(zhì)量損失很小。

圖1 環(huán)氧砂漿材料質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

3.2 抗壓強(qiáng)度

室內(nèi)對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下(n=0、50、100、150、200)的環(huán)氧砂漿成型試樣展開(kāi)了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到其抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系見(jiàn)表1。由表1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，環(huán)氧砂漿成型試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。初始條件下(n=0)，養(yǎng)護(hù)28d后的環(huán)氧砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度為86.43MPa。隨后，材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，并且在凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)取得最大值，此時(shí)其立方體抗壓強(qiáng)度為95.09MPa，較EM- 1試樣強(qiáng)度提升10.02%。此后，材料的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為200次時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度為82.11MPa。分析認(rèn)為，相較于水泥基材料，環(huán)氧砂漿材料具有韌性高、密實(shí)等特殊優(yōu)勢(shì)。在凍融循環(huán)過(guò)程中，水分很難滲入到環(huán)氧砂漿材料內(nèi)部，因此凍融循環(huán)并不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)大范圍的凍漲損傷。此外，凍融循環(huán)在一定程度上會(huì)引起環(huán)氧樹(shù)脂材料的凍結(jié)硬化，因此，在100次凍融循環(huán)下，材料的抗壓能力得到了很好的加強(qiáng)，因此其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了增大現(xiàn)象。

表1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧砂漿材料抗壓強(qiáng)度

3.3 抗折強(qiáng)度

不同凍融循環(huán)次數(shù)下環(huán)氧砂漿材料的抗折強(qiáng)度如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，環(huán)氧砂漿材料的抗折強(qiáng)度為27.14MPa，此后，材料的抗折強(qiáng)度分別為26.33、25.20、23.88、23.01MPa，較初始條件下分別降低2.98%、7.15%、12.01%、15.22%。進(jìn)一步對(duì)環(huán)氧砂漿材料抗折強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者之間符合負(fù)線性函數(shù)關(guān)系，即，材料的抗折強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)成線性逐漸降低的變化趨勢(shì)。線性相關(guān)系數(shù)為0.9919，擬合效果良好。

圖2 環(huán)氧砂漿材料抗折強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

4 結(jié)論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，環(huán)氧砂漿試樣的質(zhì)量和抗折強(qiáng)度逐漸減小。經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)處理的環(huán)氧砂漿試樣，其質(zhì)量損失率為5.64%，抗折強(qiáng)度則相對(duì)降低15.22%。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后見(jiàn)效的變化趨勢(shì)。n=0時(shí)，環(huán)氧砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度為86.43MPa；此后材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，并且在凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)取得最大值，此時(shí)其立方體抗壓強(qiáng)度為95.09MPa，較EM- 1試樣強(qiáng)度提升10.02%。

(3)本次研究?jī)H從物理參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)角度分析凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)材料性質(zhì)的影響，缺乏微觀結(jié)構(gòu)分析，下一步應(yīng)當(dāng)開(kāi)展電鏡掃描試驗(yàn)展開(kāi)相關(guān)研究。