高性能環(huán)氧樹(shù)脂混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

梁波

【摘要：】為探究環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)料是否能夠制備性能優(yōu)良的環(huán)氧樹(shù)脂混凝土，文章對(duì)高性能環(huán)氧樹(shù)脂混凝土（HEC-13）進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，并利用力學(xué)性能試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)驗(yàn)證其各項(xiàng)性能。結(jié)果表明：以抗壓強(qiáng)度指標(biāo)為主，試件質(zhì)量和骨料間距系數(shù)指標(biāo)為輔，可綜合優(yōu)化確定最佳膠石比和促凝劑材料摻量;隨膠石比增加，抗壓強(qiáng)度、試件質(zhì)量均呈先增加后下降趨勢(shì)，骨料間距系數(shù)呈持續(xù)增加趨勢(shì)，且骨料間距系數(shù)增加幅度遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度變化幅度;隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均呈持續(xù)增加趨勢(shì)，但在養(yǎng)護(hù)0～48 h內(nèi)，二者呈線性增加趨勢(shì)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)，其變化幅度較平穩(wěn);隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，HEC-13試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢(shì)，在超過(guò)50次后，動(dòng)彈性模量指標(biāo)下降趨勢(shì)加劇。

【關(guān)鍵詞：】橋梁工程;環(huán)氧樹(shù)脂;環(huán)氧樹(shù)脂混凝土;級(jí)配設(shè)計(jì)

U416.03A090284

0 引言

目前，我國(guó)橋梁建設(shè)正處于高質(zhì)量發(fā)展時(shí)期，截止到2019年年末，全國(guó)公路橋梁達(dá)到87.83萬(wàn)座。伸縮縫裝置在橋梁連接部位起到特殊作用，且容易產(chǎn)生破壞，不僅影響行車(chē)安全，嚴(yán)重情況下還會(huì)危害橋梁結(jié)構(gòu)，因此開(kāi)展對(duì)橋梁伸縮縫方面的研究具有重要意義。王信剛等采用環(huán)氧樹(shù)脂材料對(duì)水泥混凝土裂縫進(jìn)行滲透修復(fù)研究，分析了不同類(lèi)型環(huán)氧樹(shù)脂的使用效果，提出溫度變化、裂縫寬度等因素與修復(fù)效果的關(guān)系[1]。孫楊勇等研發(fā)改性樹(shù)脂橋梁伸縮縫修復(fù)料（MRK），并在廣清高速公路某匝道連接線上開(kāi)展了應(yīng)用，驗(yàn)證了材料的可使用性和耐久性[2]。常利采用粉煤灰、水泥及添加劑制備地聚物修復(fù)材料，用于橋梁伸縮縫修復(fù)，并開(kāi)展了一系列性能驗(yàn)證，為橋面伸縮縫修復(fù)應(yīng)用提供了新的方向[3]。蔣玉川等研究了粗骨料間距系數(shù)與自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度、流動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系，提出了自密實(shí)混凝土的粗骨料間距系數(shù)的適應(yīng)范圍，且該指標(biāo)對(duì)力學(xué)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)影響較小[4]。譚哲等利用微觀手段研究了石墨烯材料對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土抗?jié)B性能影響規(guī)律，分析石墨烯材料與環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)組成，提出石墨烯摻量濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂混凝土抗?jié)B性能下降的原理[5]。

綜上所述，橋梁伸縮縫位置的特殊性導(dǎo)致其在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中易出現(xiàn)疲勞破壞，普遍出現(xiàn)表面裂縫或脫落現(xiàn)象，而針對(duì)該問(wèn)題的研究成果主要涉及修復(fù)材料方面。本文通過(guò)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)料制備高性能環(huán)氧樹(shù)脂混凝土，并對(duì)其開(kāi)展配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證，為其推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 原材料及級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)選擇玄武巖集料，分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm四檔。環(huán)氧樹(shù)脂選擇江陰萬(wàn)千化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的WSR618（E51）型環(huán)氧樹(shù)脂，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

高性能環(huán)氧樹(shù)脂混凝土（HEC-13）采用集料公稱(chēng)最大粒徑為13.2 mm，其礦料級(jí)配依據(jù)瀝青混合料SMA-13范圍，采用馬歇爾礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，各檔礦料比例為礦粉∶0～3 mm∶3～5 mm∶5～10 mm∶10～15 mm∶=8∶21∶18∶28∶25。合成級(jí)配設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

2 最佳膠石比優(yōu)化分析

膠石比（環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量占礦料總質(zhì)量比例）對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土各項(xiàng)性能均存在顯著影響，在最佳膠石比條件下混凝土才能保證良好的性能。本文依據(jù)前期研究成果，采用力學(xué)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分析不同膠石比（6%、7%、8%、9%）下力學(xué)性能變化規(guī)律。試驗(yàn)參數(shù)為：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的環(huán)境為溫度20 ℃±2 ℃，濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h;60 ℃養(yǎng)護(hù)的環(huán)境為溫度60 ℃±2 ℃，濕度≥95%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為18 h。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～3。

由圖2～3可知：

（1）膠石比變化對(duì)力學(xué)性能存在顯著影響，隨膠石比增加，抗壓強(qiáng)度指標(biāo)呈先增加后下降趨勢(shì)，且不同養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度指標(biāo)變化存在一定的差異。不同養(yǎng)護(hù)條件下，HEC-13的抗壓強(qiáng)度均在膠石比為8%時(shí)達(dá)到最大值，分別為36.9 MPa和89.3 MPa。60 ℃養(yǎng)護(hù)下的抗壓強(qiáng)度值遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，約為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的2.0～2.5倍，對(duì)HEC-13的早期抗壓強(qiáng)度形成有利，有助于工程提前通車(chē)運(yùn)營(yíng)。膠石比為7%、8%、9%時(shí)，60 ℃養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分別提高了約129.2%、142.0%、144.1%。

（2）極限變形隨膠石比增加呈增加趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)極限變形指標(biāo)也存在較大影響，尤其在60 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，極限變形受膠石比影響更為顯著，在膠石比為8%～9%時(shí)，極限變形呈較大幅度增加。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，不同膠石比間的極限變形幅度較小，膠石比為8%、9%時(shí)分別增加了4.7%、5.6%（與膠石比6%相比）。

（3）隨膠石比增加，HEC-13試件質(zhì)量呈先增高后下降的變化趨勢(shì)，與抗壓強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律相一致。在膠石比為8%時(shí)，試件質(zhì)量存在最大值2 673 kg，說(shuō)明高性能環(huán)氧樹(shù)脂混凝土與水泥混凝土材料相接近，在級(jí)配良好情況下，膠石比變化對(duì)礦料的分布狀態(tài)存在影響，只有在最佳膠石比條件下，HEC-13環(huán)氧樹(shù)脂混凝土材料的密實(shí)狀態(tài)最佳。

（4）為進(jìn)一步分析HEC-13的早期力學(xué)性能變化，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下提高早期強(qiáng)度，研究分析了不同促凝劑摻量變化對(duì)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)影響，即膠石比為8%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，時(shí)間為12 h和24 h，促凝劑摻量為WSR618（E51）環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)的質(zhì)量比，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4分析可知，促凝劑能夠顯著改善HEC-13的力學(xué)性能，隨促凝劑摻量增加，抗壓強(qiáng)度指標(biāo)均呈增加趨勢(shì)，尤其早期強(qiáng)度提高更為顯著。養(yǎng)護(hù)12 h時(shí)，促凝劑摻量為0.5%、1.0%、1.5%的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分別提高了63.9%、141.7%、161.1%;而養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分別提高了5.2%、7.4%、9.5%。

3 骨料間距系數(shù)指標(biāo)分析90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086

對(duì)于剛性材料，其力學(xué)性能的優(yōu)劣與集料性質(zhì)、礦料骨架結(jié)構(gòu)、膠結(jié)料性能等存在直接關(guān)系。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在上述其他條件一定的情況下，礦料級(jí)配的變化是對(duì)其力學(xué)性能影響的關(guān)鍵因素之一，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的嵌擠狀態(tài)越好，其混合料的承載能力越強(qiáng)，力學(xué)抗壓強(qiáng)度越大。本文利用骨料間距系數(shù)指標(biāo)[4]對(duì)上述4個(gè)膠石比下環(huán)氧樹(shù)脂混凝土內(nèi)部礦料分布狀態(tài)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。分析可知，隨膠石比增加，骨料間距系數(shù)呈逐漸增加趨勢(shì)。對(duì)于HEC-13而言，環(huán)氧樹(shù)脂摻量越大，促使內(nèi)部結(jié)構(gòu)中粗集料之間的間距越大，如膠石比為7%、8%、9%時(shí)，骨料間距系數(shù)分別增加了57.5%、163.8%、258.4%。依據(jù)礦料級(jí)配設(shè)計(jì)原理，環(huán)氧樹(shù)脂混凝土要產(chǎn)生良好的性能，需要礦料級(jí)配形成密實(shí)嵌擠結(jié)構(gòu)，粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，逐檔細(xì)集料再進(jìn)行填充，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。因此，結(jié)合力學(xué)抗壓性能指標(biāo)，確定HEC-13的最佳膠石比為8%。

4 長(zhǎng)期力學(xué)性能分析

橋梁伸縮縫傳統(tǒng)的修復(fù)材料，在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常出現(xiàn)脫落、裂縫等現(xiàn)象，且在復(fù)雜環(huán)境中易出現(xiàn)疲勞破壞，因此橋梁伸縮縫的使用壽命與修復(fù)材料的長(zhǎng)期力學(xué)性能密切相關(guān)。本文結(jié)合上述確定的最佳膠石比8%、促凝劑摻量1%，通過(guò)改變養(yǎng)護(hù)時(shí)間以研究其對(duì)長(zhǎng)期力學(xué)性能影響。依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50081-2019）中的試驗(yàn)方法，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知：

（1）養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)具有顯著影響，對(duì)HEC-13的早期力學(xué)性能影響顯著，尤其在0～48 h。而隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)，其抗壓強(qiáng)度變化幅度較平穩(wěn)。與養(yǎng)護(hù)12 h相比，養(yǎng)護(hù)48 h（2 d）的抗壓強(qiáng)度值增加了約714.2%，養(yǎng)護(hù)168 h（7 d）的抗壓強(qiáng)度值增加了約812.3%。這說(shuō)明高性能環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的力學(xué)性能主要在養(yǎng)護(hù)前期即48 h內(nèi)形成（24 h內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到40 MPa以上），而隨時(shí)間延長(zhǎng)，力學(xué)強(qiáng)度上升空間有限。

（2）抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加也呈增加趨勢(shì)，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相一致。其強(qiáng)度形成基本在48 h內(nèi)，但抗折強(qiáng)度在7 d的增加幅度大于抗壓強(qiáng)度，約為888.2%，28 d的抗折強(qiáng)度變化幅度為9.1%（與養(yǎng)護(hù)12 h相比），這與雙組分環(huán)氧樹(shù)脂材料的固化原理理論分析結(jié)果相接近。

5 抗凍性能分析

HEC-13的抗凍性是耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是判斷其使用壽命的關(guān)鍵因素，材料能夠抵抗低溫結(jié)冰破壞才能保證良好的完整性?？箖鲂栽囼?yàn)依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50082-2009）中的快凍法，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，循環(huán)次數(shù)為25次、50次、100次。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知：

（1）隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，HEC-13試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢(shì)，試件質(zhì)量下降說(shuō)明凍融循環(huán)后出現(xiàn)了剝離破壞，造成試件表面脫落。這與高性能水泥混凝土發(fā)生凍融破壞現(xiàn)象相一致。循環(huán)50次、100次時(shí)，試件質(zhì)量分別下降了0.111%、0.172%，動(dòng)彈性模量下降了1.28%、4.96%。說(shuō)明循環(huán)凍融對(duì)HEC-13的動(dòng)彈性模量劣化程度高于試件質(zhì)量損失，動(dòng)彈性模量的劣化勢(shì)必造成力學(xué)性能的降低。

（2）對(duì)于動(dòng)彈性模量指標(biāo)，在凍融循環(huán)25～50次時(shí)，其劣化程度相接近，約為0.96%～1.28%;而超過(guò)50次后，動(dòng)彈性模量指標(biāo)呈直線下降，循環(huán)100次的劣化程度遠(yuǎn)大于50次。這說(shuō)明HEC-13試件的抗凍性能隨循環(huán)次數(shù)的增加而呈劣化加劇狀態(tài)，一旦超過(guò)材料的抗凍臨界點(diǎn)，其使用壽命將大大縮短。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）HEC-13配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，以抗壓強(qiáng)度指標(biāo)為主，試件質(zhì)量和骨料間距系數(shù)指標(biāo)為輔，可綜合確定最佳膠石比和促凝劑材料摻量，礦料級(jí)配范圍可參考SMA-13級(jí)配。

（2）隨膠石比增加，抗壓強(qiáng)度、試件質(zhì)量均呈先增加后下降趨勢(shì)，骨料間距系數(shù)持續(xù)增加，且骨料間距系數(shù)增加幅度遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度變化幅度。

（3）隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均持續(xù)增加，在養(yǎng)護(hù)0～48 h內(nèi)，二者呈線性增加趨勢(shì)，但隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)，其變化幅度較平穩(wěn)。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，HEC-13試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量均呈下降趨勢(shì)，在超過(guò)50次后，動(dòng)彈性模量指標(biāo)下降趨勢(shì)加劇。

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