水性環(huán)氧樹脂改性水泥力學(xué)性能

李 銘，汪 艷，胡吉良，張閔龍

（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

水性環(huán)氧樹脂改性水泥力學(xué)性能

李 銘，汪 艷，胡吉良，張閔龍

（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在水性環(huán)氧樹脂改性水泥材料的實(shí)驗(yàn)中，選用不同的固化劑，環(huán)氧樹脂摻量以及養(yǎng)護(hù)制度來研究改性后水泥的力學(xué)性能變化；同時(shí)也對(duì)改性后的水泥斷裂面進(jìn)行觀察研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：a.水溶性好的固化劑對(duì)改性水泥的力學(xué)性能的改善效果更為顯著；b.隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性水泥脆性降低，柔性增加，變形能力增大；c.隨著齡期的增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高；d環(huán)氧樹脂改性水泥改變了水泥的孔結(jié)構(gòu)，減少了硬化水泥中的微裂紋.

水性環(huán)氧樹脂；固化劑；改性；力學(xué)性能

0 引 言

水泥是水硬性無機(jī)膠黏材料，而環(huán)氧樹脂水泥則是利用環(huán)氧樹脂乳液代替或部分代替水泥的一種復(fù)合材料.經(jīng)環(huán)氧樹脂改性后，改性水泥連接性，抗?jié)B性，耐磨性，耐酸性等性能都得到了不同程度的提高［1］.

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，建筑行業(yè)與交通運(yùn)輸行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)聚合物改性水泥的力學(xué)性能有了越來越高的要求.聚合物改性水泥的力學(xué)性能受到很多因素的影響，本實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)氧樹脂改性水泥力學(xué)性能進(jìn)行研究，主要討論固化劑，環(huán)氧樹脂摻量以及養(yǎng)護(hù)制度對(duì)環(huán)氧樹脂改性水泥力學(xué)性能的影響.另外，還對(duì)環(huán)氧樹脂改性后的水泥斷裂面進(jìn)行了研究討論.

1 藥品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

32.5＃復(fù)合硅酸鹽水泥，工業(yè)級(jí)，華新水泥股份有限公司；

E-570環(huán)氧樹脂乳液，工業(yè)級(jí)，廣州市歐鵬化工有限公司；

水固8，化學(xué)純，廣州市歐鵬化工有限公司；

水固9，化學(xué)純，廣州市歐鵬化工有限公司；

三乙醇胺，分析純，武漢市亞泰化工股份有限公司；

固化劑593，化學(xué)純，廣州市歐鵬化工有限公司；

鄰苯二甲酸二丁酯，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

消泡劑，工業(yè)級(jí)；蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室自制.

1.2 試驗(yàn)方法

參照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》［2］進(jìn)行制樣，試模尺寸為40 mm×40 mm×160 mm.參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ107《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》［3］，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，同種配方各做3個(gè)試樣，取其力學(xué)性能的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑對(duì)水泥力學(xué)性能的影響

表1為環(huán)氧樹脂摻量為3%，養(yǎng)護(hù)條件為濕養(yǎng)護(hù)時(shí)，試樣的力學(xué)性能.

表1 試樣的力學(xué)性能Table 1 The strength of specimen

由實(shí)驗(yàn)可以看到，在具有較強(qiáng)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度下，水固8＃，水固9＃改性的環(huán)氧樹脂水泥具有較好的壓折比，而相對(duì)與水固8＃，水固9＃改性的環(huán)氧樹脂水泥具有更好的力學(xué)性能表現(xiàn)，這是因?yàn)樗?＃是一種經(jīng)環(huán)氧改性的不含表面活性劑的可常溫固化的水稀釋性胺類固化劑，而水固9＃是一種水溶性改性脂肪胺固化劑.和水固8＃相比，水固9＃在與水泥的混溶性方面得到了很大的改善.

此外，使用三乙醇胺作為固化劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)水泥的凝結(jié)時(shí)間較短.這是由于三乙醇胺除了充當(dāng)環(huán)氧樹脂乳液的固化劑以外，還可充當(dāng)加快水泥凝結(jié)速率的早強(qiáng)劑.

2.2 環(huán)氧樹脂摻量對(duì)水泥力學(xué)性能的影響

選取水固8＃作為環(huán)氧樹脂的固化劑，實(shí)驗(yàn)其28 d齡期下，先濕養(yǎng)護(hù)7 d，后干養(yǎng)護(hù)21 d條件下，不同的環(huán)氧樹脂摻量對(duì)其力學(xué)性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2.

表2 環(huán)氧樹脂摻量對(duì)其力學(xué)性能的影響Table 2 Epoxy resin content on the strength of specimen

首先，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，乳液摻量的變化對(duì)其改性水泥的抗折、抗壓強(qiáng)度的影響比較明顯.28 d齡期時(shí)，當(dāng)E570摻量小于5%時(shí)，隨著環(huán)氧樹脂乳液摻入量的增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均有所降低.但當(dāng)E570摻量大于5%以后，隨著乳液摻量的繼續(xù)增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)上升趨勢(shì).另外可以看到，28 d齡期時(shí)，在樹脂摻量為7%以下，加入環(huán)氧樹脂乳液后，改性水泥的壓折比隨E570摻量增長(zhǎng)而降低.由此可知，隨環(huán)氧樹脂乳液摻量的增加，改性水泥的脆性降低，柔性增加，變形能力增大［4］.

這是因?yàn)樯倭康沫h(huán)氧樹脂乳液摻入到水泥中后，無法形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)，則改性水泥的強(qiáng)度較小.而當(dāng)環(huán)氧樹脂乳液摻量大于5%后，隨著乳液摻量的繼續(xù)增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì).出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是乳液在水泥中達(dá)到一定的含量后，在其成膜過程中，會(huì)在水泥水化產(chǎn)物與骨料的表面大量富集，這種富集現(xiàn)象會(huì)明顯改善水泥水化產(chǎn)物之間的粘結(jié)性，是使改性水泥抗折強(qiáng)度提高的重要原因.而隨著乳液摻量的提高，它對(duì)水泥顆粒的分散性增強(qiáng)，原水泥溶液中的絮狀顆粒結(jié)構(gòu)被拆散，所包裹的水份被釋放，表現(xiàn)為水泥整體流動(dòng)性增加，柔性增加，變形能力增大.

2.3 養(yǎng)護(hù)制度對(duì)水泥力學(xué)性能的影響

2.3.1 養(yǎng)護(hù)齡期 選擇水固9＃為環(huán)氧樹脂固化劑，環(huán)氧樹脂摻量為3%，經(jīng)行干養(yǎng)護(hù)，測(cè)試3 d，7 d，14 d以及28 d改性水泥的力學(xué)性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1.

圖1 齡期對(duì)改性水泥的力學(xué)性能的影響Fig.1 Age of concrete on the strength of specimen

由圖1可以看到，隨著齡期的增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高.前7 d時(shí)，改性水泥的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速；從7 d到28 d時(shí)，其增長(zhǎng)速度較為緩慢.這是因?yàn)樗嗨枰嗯c水分的接觸.早期由于有足夠的水分，改性水泥的力學(xué)性能增長(zhǎng)迅速，而隨著齡期的增加，乳液的成膜速度變慢，不能形成完整的薄膜體系，故試樣的水分散失迅速，供給于試樣水化的水分逐漸減少，水泥水化也變慢，所以后期試樣的力學(xué)性能增長(zhǎng)較慢.

2.3.2 養(yǎng)護(hù)條件 A養(yǎng)護(hù)：濕養(yǎng)護(hù)28 d；B養(yǎng)護(hù)：干養(yǎng)護(hù)28 d；C養(yǎng)護(hù)：先濕養(yǎng)護(hù)7 d，后干養(yǎng)護(hù)21 d；D養(yǎng)護(hù)：先干養(yǎng)護(hù)7 d，后濕養(yǎng)護(hù)21 d.

選擇水固9＃為環(huán)氧樹脂固化劑，環(huán)氧樹脂摻量為3%，分別經(jīng)行A，B，C三種不同的條件養(yǎng)護(hù)，測(cè)試其力學(xué)性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2.色.這是因?yàn)楦鶕?jù)復(fù)合材料強(qiáng)度混合法則［5］：

圖2 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)改性水泥的影響Fig.2 Curing condition on the strength of specimen

式中，σ為復(fù)合材料的強(qiáng)度，σm為水泥強(qiáng)度，σp為聚合物強(qiáng)度，Vm為水泥體積比，Vp為聚合物體積比.

要使σ達(dá)到最大，在體積比一定的情況下，要求σm與σp分別達(dá)到最大值.要使σm達(dá)到最大，水泥必須充分水化；而要使σp達(dá)到最大，則聚合物必須充分成膜，兩者是矛盾的.因?yàn)榇龠M(jìn)水泥水化需將水泥浸入水中或水蒸氣中，而促進(jìn)聚合物成膜則需將水泥干燥以利水分蒸發(fā)，且無論滿足哪一面，均將有損復(fù)合材料的強(qiáng)度與性能.因此，干濕養(yǎng)護(hù)的交替應(yīng)存在一個(gè)契合點(diǎn)，使兩者均能達(dá)到相對(duì)的最大值，而此時(shí)的養(yǎng)護(hù)即為最佳的養(yǎng)護(hù)方式.由圖可知，本實(shí)驗(yàn)的最佳養(yǎng)護(hù)方式為C養(yǎng)護(hù).

2.4 改性后水泥斷裂面的比較研究

所選取試樣齡期均為28 d.A：空白樣.B：固化劑為水固8＃環(huán)氧樹脂摻量為5%濕養(yǎng)護(hù)的試樣.觀察水泥的斷裂面如圖3、圖4.

圖3 空白樣A的斷裂面Fig.3 Fracture surface of blank specimen A

圖4 B試樣斷裂面Fig.4 Fracture surface of the specimen B

綜合兩個(gè)斷裂面的照片，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂乳液對(duì)試樣斷裂面有明顯的影響：加入環(huán)氧樹脂乳液的試樣斷裂面的氣泡明顯少于未加入環(huán)氧樹脂乳液的試樣；加入環(huán)氧樹脂的試樣的斷裂面更加平整.

可能的原因是聚合物乳液改善了水泥中的孔結(jié)構(gòu)，與空白水泥相比，改性水泥的總孔隙率降低；而隨著樹脂摻量的增加，乳液固化后形成較為完整并具有一定強(qiáng)度和粘結(jié)力的膜并與水泥形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［6］，使其界面間的均勻連續(xù)性較好，斷裂面更加平整.

3 結(jié) 語(yǔ)

a.水溶性好的固化劑對(duì)改性樹脂的力學(xué)性能的改善效果更為顯著；而三乙醇胺作為固化劑使用時(shí)，不僅起到環(huán)氧樹脂水泥固化作用，而且對(duì)水泥本身具有提高其凝結(jié)速度的早強(qiáng)作用.

b.在28 d齡期下，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度有一個(gè)先下降后上升的過程；隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，改性水泥脆性降低，柔性增加，變形能力增大.

c.隨著齡期的增加，改性水泥的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度都有不同程度的提高.前7 d時(shí)，改性水泥的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速；從14 d到28 d時(shí)，其增長(zhǎng)速度較為緩慢.此外，對(duì)水泥經(jīng)行先濕養(yǎng)護(hù)，后干養(yǎng)護(hù)可以得到較好的力學(xué)性能.

d.環(huán)氧樹脂改性水泥改變了水泥的孔結(jié)構(gòu)，減少了硬化水泥中的微裂紋，從而改善了水泥的物理力學(xué)性能.

［1］秦海蘭，朱方之.環(huán)氧樹脂混凝土的研究現(xiàn)狀和工程應(yīng)用［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，22（2）：109-113.

［2］中國(guó)水力電力科學(xué)研究院.DL／T5126-2001聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2001，17-18.

［3］中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部.GB107-87混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)，1988.

［4］田甜.水性環(huán)氧樹脂乳液改性水泥砂漿性能的研究［D］.長(zhǎng)江：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.

［5］Joshua B K.Polymer Modified Concrete Review［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1997，9（2）：85-87.

［6］王濤，許仲梓.環(huán)氧水泥砂漿的改性機(jī)理［J］.南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，19（2）：28-31.

Mechanical properties of waterborne epoxy resin modified concrete material

LI Ming，WANG Yan，HU Ji-liang，ZHANG Min-long
（School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China）

In the experiment of waterborne epoxy resin modified concrete material，the change of modified concrete mechanical properties by different curing agents，waterborne epoxy resin proportions and curing conditions was studied and the fractured surface of the concrete modification was observed.Experimental results indicate，（1）curing agent with good water-solubility had better effect on mechanical properties of modified concrete，（2）with increase of waterborne epoxy resin proportion，modified concrete has lower brittleness，higher flexibility and better formability，（3）with the increase of age，compressive strength and flexural strength raise in various degrees，（4）the modification changes pore structure and decreases tiny cracks in the modified concrete.

waterborne epoxy resin；curing agent；modification；mechanical properties

龔曉寧

TU502

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.013

1674－2869（2011）11－0052－03

2011－09－29

李 銘（1986－），男，湖北武漢人，碩士研究生.研究方向：復(fù)合材料的合成與應(yīng)用研究.

指導(dǎo)老師：汪 艷，女，博士，副教授.研究方向：高分子材料配方設(shè)計(jì)研究.