環(huán)氧樹(shù)脂摻量對(duì)聚合物改性混凝土性能的影響

劉芝敏，劉志杭，李俠，于曉晴，張愛(ài)勤，王彥敏

(1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院山東濟(jì)南 250357；2.山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山東濟(jì)南 250357；3.威海市公路勘察設(shè)計(jì)院山東威海 264200)

通常，普通混凝土存在抗壓強(qiáng)度較高而抗折強(qiáng)度較低、耐久性較差的問(wèn)題。針對(duì)普通混凝土這一特性，通常在混凝土中摻入聚合物來(lái)改善其脆性過(guò)大及耐久性較差的缺陷[1-3]。聚合物改性混凝土是在水泥混合時(shí)加入分散在水中或者可以分散在水中的聚合物材料，以砂、石為骨料,經(jīng)拌和成型、固化而成的一種復(fù)合材料[4-5]。膠凝材料中聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以下簡(jiǎn)稱聚合物的摻量)一般為5%～20%，混凝土改性用聚合物種類較多，且不同種類聚合物的性能也有所不同。如王培銘等[6]對(duì)丁苯乳液改性水泥砂漿力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究表明丁苯乳液對(duì)提高水泥砂漿抗折強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度有顯著作用；徐雅君等[7]認(rèn)為苯-丙乳液降低了水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度；Pascal S等[8]研究表明，當(dāng)水灰比一定時(shí)，當(dāng)膠凝材中SBR乳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，水泥混凝土抗壓強(qiáng)度不斷下降，而抗折強(qiáng)度會(huì)則有一定提高。因此，利用不同種類聚合物改性的混凝土性能及聚合物的最佳摻量也不盡相同。

本研究選用環(huán)氧樹(shù)脂作為水泥混凝土改性用聚合物，研究在不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量條件下聚合物改性混凝土性能的變化規(guī)律，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

原材料主要有環(huán)氧樹(shù)脂、水泥、碎石及河砂。環(huán)氧樹(shù)脂是一種水泥改性用聚合物材料，與其他聚合物材料相比具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性。試驗(yàn)研究采用的環(huán)氧樹(shù)脂為雙酚A型，環(huán)氧值為0.45，其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1；固化劑采用胺類固化劑，并與稀釋劑配合使用。水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料采用石灰?guī)r碎石，顆粒粒徑為5～20 mm，連續(xù)級(jí)配；細(xì)集料采用河砂，細(xì)度模數(shù)為3.2。

1.2 聚合物改性混凝土試驗(yàn)配合比

聚合物改性混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，設(shè)計(jì)坍落度為60 mm，水灰比0.45，m(環(huán)氧樹(shù)脂):m(稀釋劑):m(固化劑)=1:0.3:0.12。當(dāng)膠凝材料中環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以下簡(jiǎn)稱環(huán)氧樹(shù)脂摻量)分別為0、5%、10%、15%、20%[9]，并在配制不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量的聚合物改性混凝土?xí)r保持水灰比不變。聚合物改性混凝土所用基準(zhǔn)混凝土的配合比見(jiàn)表1。本研究參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行聚合物改性混凝土坍落度、力學(xué)性能及抗?jié)B性試驗(yàn)。

圖1 雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式

表1 聚合物改性用基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

2 聚合物改性混凝土試驗(yàn)研究

2.1 工作性

圖2 聚合物改性混凝土坍落度隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的變化

采用坍落度筒法對(duì)聚合物改性混凝土新拌和物進(jìn)行和易性測(cè)定，對(duì)比5組不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量的聚合物改性混凝土拌和物的坍落度，得出聚合物改性混凝土坍落度與環(huán)氧樹(shù)脂摻量變化規(guī)律，如圖2所示。由圖2可知：隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，聚合物改性混凝土坍落度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量≤5%時(shí)，聚合物改性混凝土的坍落度為60 mm,與普通水泥混凝土相同，說(shuō)明當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量較低時(shí)，對(duì)混凝土的坍落度無(wú)影響；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)，聚合物改性水泥混凝土的坍落度隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加呈下降趨勢(shì)，且環(huán)氧樹(shù)脂摻量每增加5%其坍落度平均下降4 mm；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量達(dá)到20%時(shí)，聚合物改性混凝土的坍落度較普通水泥混凝土下降了近20%，但并未影響其裝模成型，且保水性與黏聚性均良好。

2.2 力學(xué)性能

聚合物改性混凝土的力學(xué)性能主要研究其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。抗壓與抗折強(qiáng)度試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×550 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，對(duì)7、28 d齡期不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量的聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。環(huán)氧樹(shù)脂摻量與聚合物改性混凝土力學(xué)強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系，其變化規(guī)律如圖3所示。

a)抗壓強(qiáng)度 b)抗折強(qiáng)度圖3 不同摻量環(huán)氧樹(shù)脂聚合物改性混凝土的力學(xué)性能

由圖3可知，養(yǎng)護(hù)齡期為7、28 d時(shí)，聚合物改性混凝土抗壓與抗折強(qiáng)度均隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。其中，聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度在環(huán)氧樹(shù)脂摻量為5%時(shí)達(dá)到最大，此后隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增大呈下降趨勢(shì)，且下降梯度較大，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量達(dá)到10%時(shí)已低于普通水泥混凝土；聚合物改性混凝土抗折強(qiáng)度則在環(huán)氧樹(shù)脂摻量為10%時(shí)達(dá)到最大，之后隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加呈緩慢下降趨勢(shì)，且其28 d抗折強(qiáng)度在環(huán)氧樹(shù)脂摻量為20%時(shí)略低于普通水泥混凝土。

2.3 抗?jié)B性

圖4 聚合物改性混凝土最大水壓力及抗?jié)B等級(jí)與環(huán)氧樹(shù)脂摻量關(guān)系圖

聚合物改性混凝土抗?jié)B試驗(yàn)采用抗?jié)B標(biāo)號(hào)試驗(yàn)法，利用混凝土抗?jié)B測(cè)定儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的不同環(huán)氧樹(shù)脂摻量的聚合物改性混凝土進(jìn)行抗?jié)B性試驗(yàn)。試件上口直徑為175 mm，下口直徑為185 mm，高150 mm的截頭圓錐體,聚合物改性混凝土所能承受最大水壓力及抗?jié)B等級(jí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知：隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加，聚合物改性混凝土所能承受的最大水壓力呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于10%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土所能承受的最大水壓力隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加而增大，且增長(zhǎng)幅度顯著；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量為10%時(shí)，最大水壓力可達(dá)到1.4 MPa，與之對(duì)應(yīng)的抗?jié)B等級(jí)為13級(jí)，較普通水泥混凝土抗?jié)B等級(jí)提高4級(jí)。隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻量繼續(xù)增加，聚合物改性混凝土承受水壓力能力開(kāi)始下降，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量超過(guò)15%時(shí)，抗?jié)B等級(jí)不再下降，維持在10級(jí)水平，仍高于普通水泥混凝土。與普通混凝土相比，經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂改性的混凝土抗?jié)B等級(jí)得到了較大提高，其中，明顯改善聚合物改性混凝土抗?jié)B等級(jí)的環(huán)氧樹(shù)脂最優(yōu)摻量為5%～10%。

3 環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)混凝土性能改性機(jī)理分析

在混凝土中加入環(huán)氧樹(shù)脂，可減小水泥石內(nèi)部的孔隙尺寸，增強(qiáng)其內(nèi)部的密實(shí)度[11]，有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量為0～5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高；隨著環(huán)氧樹(shù)脂摻量的繼續(xù)增加，環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土的彈性模量遠(yuǎn)低于普通水泥混凝土，在混凝土承受壓應(yīng)力時(shí)起不到剛性支撐作用，因此當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量增至20%時(shí)，聚合物改性混凝土抗壓強(qiáng)度較普通水泥混凝土下降約33%；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量增加到一定比例時(shí)，聚合物在水泥水化產(chǎn)物中出現(xiàn)凝聚，經(jīng)失水后形成聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且與水泥石相互交錯(cuò)纏繞[12-14]，增加了水泥水化結(jié)晶產(chǎn)物中的接觸點(diǎn)，從而增強(qiáng)了水泥石內(nèi)部結(jié)晶體之間的黏結(jié)力，使得混凝土承受拉應(yīng)力的能力得到提高[15]，因此聚合物改性混凝土抗折強(qiáng)度有所提高[16]。且在環(huán)氧樹(shù)脂摻量為10%時(shí)，聚合物改性混凝土抗折強(qiáng)度提升效果最為明顯。

水泥石內(nèi)部抗壓破壞形式一般為剪切破壞，由于環(huán)氧樹(shù)脂受到較大的剪切應(yīng)力，因其剪切強(qiáng)度較低而成為剪切面上的軟弱夾層，降低了水泥石整體的抗剪切強(qiáng)度，也在一定程度上使聚合物改性混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低[17-18]。此外，聚合物改性混凝土的力學(xué)強(qiáng)度還與所摻加的聚合物性質(zhì)有關(guān)。摻加的聚合物不同與之對(duì)應(yīng)的改性混凝土力學(xué)性能也有一定的差別[19]。

由于環(huán)氧樹(shù)脂減少了聚合物改性混凝土的孔隙量，且隨環(huán)氧樹(shù)脂摻量的增加在水泥水化產(chǎn)物中形成的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)越完善，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，從而使經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂改性后的混凝土抗?jié)B性能有明顯提高[20-22]。

4 結(jié)論

1)當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量為5%時(shí)，聚合物改性混凝土與普通混凝土的坍落度無(wú)差別；當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)，聚合物改性混凝土的坍落度隨其增加而降低，且當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂摻量大于5%時(shí)，該坍落度小于設(shè)計(jì)值，因此只考慮坍落度因素時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂摻量不應(yīng)大于5%。

2)與普通水泥混凝土相比，聚合物改性混凝土在環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于5%時(shí)抗壓強(qiáng)度有所提高，在環(huán)氧樹(shù)脂摻量小于10%時(shí)抗折強(qiáng)度有所提高。

3)環(huán)氧樹(shù)脂可明顯提高聚合物改性混凝土的抗?jié)B性，且環(huán)氧樹(shù)脂摻量為10%時(shí)改善效果最明顯。