膠集比對環氧樹脂混凝土抗鹽凍性能的影響

申力濤，席長友

(1.山西省交通科學研究院 a.黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室;b.重交通公路養護材料協同創新平臺;c.新型道路材料國家地方聯合工程實驗室,山西 太原 030006;2.齊魯交通發展集團有限公司 濟寧分公司，山東 濟寧 272007)

天氣嚴寒地區，雨雪天氣后路面迅速結冰，造成嚴重的交通安全隱患，交通管理部門常使用融雪劑、除冰鹽進行除冰融雪，雖然此舉可消除路面結冰積雪，恢復交通通暢，但溶化后的鹽水對水泥混凝土材料會造成嚴重剝蝕破壞[1-6]，相比常規凍融破壞速率要快數倍甚至數十倍，水泥混凝土個別部位經歷數次鹽凍循環后，將出現骨料剝落、鋼筋腐蝕現象，嚴重影響水泥混凝土結構的使用壽命。大量學者對此問題進行了深入研究，包括研制環保型融雪劑、除冰鹽，調整水泥混凝土配合比設計，使用礦物摻合料等方法，但效果均不明顯，水泥混凝土材料自身特點決定了其在鹽凍循環條件下必定加速破壞[7-17]。

環氧樹脂混凝土屬聚合物混凝土的一種[18]，以環氧樹脂取代水泥作為膠凝材料。由于環氧樹脂固化后有一定的韌性，與水泥混凝土相比屬柔性材料[19]，在遭受鹽凍破壞時，理論上可消耗部分凍脹應力，減緩凍融破壞速率，因此相對于水泥混凝土，環氧樹脂混凝土應該具有較優的抗鹽凍性能，目前對環氧樹脂混凝土抗鹽凍性能的研究鮮見報道。本文針對目前交通管理部門使用除冰鹽、融雪劑進行路面除冰融雪的現狀，以外觀形態和單位面積剝落量為評價指標，分析了不同膠集比對環氧樹脂混凝土抗鹽凍性能的影響，為環氧樹脂混凝土在嚴寒地區的應用提供參考。

1 原材料及試驗過程

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本次試驗選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其性能測試結果見表1。

表1 水泥技術指標

1.1.2 環氧樹脂、固化劑、增韌劑和稀釋劑

選用雙酚A型環氧樹脂618，改性脂肪胺固化劑，活性聚氨酯型環氧增韌劑，環氧丙烷芐基醚稀釋劑。

1.1.3 粗集料

所用粗集料為石灰巖，粒徑范圍4.75～26.5 mm，泥的質量分數為0.1%，級配測試結果見圖1。

1.1.4 細集料

細集料為河沙，細度模數2.84，級配測試結果見圖2。

圖1 粗集料級配 圖2 細集料級配

1.1.5 水及外加劑

采用自來水和聚羧酸減水劑。

1.2 試驗過程

1.2.1 試件配合比

1.2.1.1 水泥混凝土試件

水泥混凝土試件配合比按照文獻[7]中YD-A2編號試件，具體數據見表2。

表2 水泥混凝土配合比設計

1.2.1.2 環氧樹脂混凝土試件

環氧樹脂試件配合比中，砂與石質量不變，使用環氧樹脂代替水泥和水，設置環氧樹脂和集料質量比(簡稱膠集比)分別為1:4、1:5、1:6和1:7，具體配合比見表3。

表3 環氧樹脂混凝土配合比設計

1.2.2 試件制作及養護

鹽凍試驗試模采用Ф250 mm×75 mm的PVC管材，不涂抹脫模劑，水泥混凝土試件按照常規拌合方法，攪拌結束后，裝模振實抹平，標準養護28 d[6]。制作環氧樹脂混凝土試件時，先將環氧樹脂、增韌劑、活性稀釋劑、固化劑混合，機械攪拌3 min得到環氧樹脂膠粘劑，再加入粗細集料，繼續攪拌5 min，然后裝模振實抹平，室溫養護12 h后，置于60 ℃環境箱中繼續養護8 h，即得到環氧樹脂混凝土試件。

1.2.3 試驗設備及試驗方法

本次試驗參照文獻[20]中單面凍融法，采用混凝土鹽凍試驗機，每個試件放置在單獨不銹鋼盒中，成型面向下，浸入質量濃度為3%的氯化鈉溶液中10 mm，試件與不銹鋼盒之間放置5 mm厚的塑料條，每次循環試件為8 h，升溫3 h，保溫1 h，降溫3 h，保溫1 h，溫度范圍為-20～20 ℃。每隔5次凍融循環收集剝落量并烘干稱重，完成30次循環后試驗結束。

2 試驗數據分析

2.1 外觀形態

30次循環結束后，對試件進行外觀檢查，局部放大圖片見圖3。由圖3可知，水泥混凝土在經受30次凍融循環后，表面水泥石剝落嚴重，粗骨料外露，外觀出現嚴重破壞。4種不同膠集比的環氧樹脂混凝土外觀基本無變化，表明鹽凍循環對環氧樹脂混凝土外觀無明顯影響。

a)1#試件 b)2#試件 c)3#試件 d)4#試件 e)5#試件圖3 試件局部放大圖

2.2 剝落量統計

每完成5次凍融循環后，使用超聲波清洗機對試件進行清洗，然后將剝落物烘干進行稱重，統計結果見表4。由表4可知：與水泥混凝土相比，環氧樹脂混凝土剝落量顯著降低；隨膠集比的增大，環氧樹脂混

表4不同循環次數的剝落量g/m2

試件編號5次10次15次20次25次30次194．2195．1307．9384．1459．4579．222．62．83．33．74．24．932．83．43．84．24．95．343．14．04．95．45．96．753．44．35．76．36．87．1

表5不同鹽凍循環次數下混凝土的抗壓強度MPa

試件編號0次5次10次15次20次25次30次152．651．749．445．943．339．736．3281．980．679．378．677．976．275．0385．485．084．383．181．680．478．8487．386．986．786．285．885．685．2591．190．890．790．590．390．290．0

凝土剝落量逐漸減少，抗鹽凍性能增強。其原因為：隨膠集比的增大，環氧樹脂對骨料的有效包裹率提高，增強了環氧樹脂與骨料之間的粘接力，減少了凍融循環過程中凍脹應力對環氧樹脂和骨料界面的破壞，因此剝落量降低。

2.3 強度變化

每次完成對試件外觀形態和剝落量的測試后，對其強度進行測試(試件完成鹽凍循環后進行切割，抗壓試件和抗折試件尺寸分別為70 mm×70 mm×70 mm和60 mm×60 mm×240 mm，因尺寸不符合標準，因此測試結果僅用于觀察試件強度變化規律，不作為具體測試值，測試及變化結果見表5、6。

由表5、6可知:隨著鹽凍循環次數的增加，水泥混凝土和環氧樹脂混凝土的抗壓、抗折強度均出現下降，30次鹽凍循環后， 水泥混凝土抗壓強度下降30%，抗折強度下降55%，環氧樹脂混凝土強度均保持在90%以上，主要原因是環氧樹脂混凝土具有可變形特點，在遭受鹽凍循環時，可消除部分凍脹應力，因此可以較好地保持外觀形態和強度，且隨膠集比的增加，環氧樹脂混凝土孔隙率逐漸降低，其強度下降速率進一步降低，抗鹽凍性能進一步增強。

表6不同鹽凍循環次數下混凝土的抗折強度MPa

試件編號0次5次10次15次20次25次30次17．26．96．56．05．24．63．9221．621．321．020．920．820．519．9323．323．122．922．522．222．021．7423．923．823．823．623．423．323．0524．724．724．624．524．524．424．3

3 結論

環氧樹脂替代水泥作為膠凝材料用于混凝土結構，可有效提高抗鹽凍性能，增強耐久性，且隨環氧樹脂摻量的增加，環氧樹脂混凝土抗鹽凍性能逐漸增強，可有效解決嚴寒地區混凝土結構鹽凍破壞問題。目前限制環氧樹脂混凝土大規模應用的主要是價格及成型后固化養護問題，現階段可通過適量降低環氧樹脂用量，提高現場養護條件或工廠內預制混凝土構件解決存在的問題。隨著技術的發展，環氧樹脂價格的降低，以及新型低溫固化劑的出現，環氧樹脂混凝土在嚴寒地區必將得到廣泛應用。

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