水性環氧樹脂改性UHPC 的力學性能和微觀結構研究

陳嘉奇 陳定文

（中山市武漢理工大學先進工程技術研究院）

1 前言

水性環氧樹脂是指環氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續相的分散介質中而配得的穩定分散體系，在室溫環境下發生化學交聯反應，顯示出優異的性能。湖南大學的田甜[1]研究了兩種環氧當量不同的水性環氧樹脂對水泥砂漿的影響。結果表明，水性環氧樹脂具有引氣和減水的作用，且縮短凝結時間；摻入水性環氧樹脂的砂漿早期的力學強度要低于空白水泥砂漿，但是后期強度增長較快。重慶交通大學的徐奎生[2]研究了環氧樹脂對水泥砂漿性能的影響。結果表明，隨著環氧樹脂摻量的增加，水泥砂漿的抗壓強度單調遞減，抗折強度先增加后降低，在摻量為9%時，抗折強度達到最大值。武漢理工大學陳友治[3,4]研究了在水乳環氧和礦渣微粉共同作用下，發現改性后的水泥石具有較高的抗壓強度和抗折強度，水泥水化產物主要為CSH 凝膠和水化鋁酸鈣，Ca(OH)2特征峰消失，環氧樹脂固化后呈網絡膠狀體。武漢理工大學的黃展魏[5]研究了水性環氧樹脂對水泥砂漿的力學性能和微觀結構影響，結果表明，水性環氧樹脂可形成聚合物膜會延遲水泥水化；水性環氧樹脂的加入會降低 水泥砂漿的抗壓強度；當聚灰比在2%范圍以內，水性環氧樹脂可以提高水泥砂漿的抗折強度。

不同于傳統的混凝土和水泥砂漿，超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，簡稱UHPC)是一類水膠比低（＜0.2）、膠凝材料和超細礦物摻合料用量高（＞900kg/m3）高強度、高韌性、低孔隙率的新型建筑材料[6-8]，UHPC 體系下摻入水性環氧樹脂的改性材料研究較少。本文主要研究不透水性環氧樹脂摻量對UHPC 力學性能和微觀結構的影響。

2 實驗

2.1 原材料

水泥：廣東江門華潤水泥投資有限公司生產的P·Ⅱ42.5R 水泥，實測28d 抗壓強度60.7MPa，抗折強度8.3MPa；硅灰由成都東南星科技發展有限公司生產，粉煤灰珠海高欄電廠生產的一級粉煤灰。試驗用砂分兩種：粒徑范圍分別在0～0.6mm、0.6mm～1.25mm 之間的天然河砂；減水劑為聚羧酸高效減水劑，固含量為25%，減水率為40%，并可降低漿體粘聚性；拌和用水為潔凈自來水。水性環氧樹脂由E51 環氧樹脂、武漢森茂牌WZH-155G 水性環氧固化劑、武漢森茂牌CYH-277-S 水性增韌稀釋改性劑、DMP-30 促進劑按一定比例混合而成，其中，CYH-277-S 為超支化聚合物多功能改性化合物，提升環氧樹脂增韌增強、耐候、水性化等方面性能。水性環氧樹脂各組分的比例如表1 所示，試驗時先按比例制備A,B 組分，靜置2 小時以上，水性環氧樹脂的各組分均不含有水；主要膠凝材料和礦物摻合料的化學組成如表2 所示。

表1 水性環氧樹脂各組分的配合比

表2 膠凝材料的化學成分組成

表3 試驗配合比 （kg/m3）

圖1 拉伸試驗示意圖

2.2 試驗方法

依據 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，成型40mm×40mm×160mm 棱柱試體進行水泥抗壓強度和抗折強度的測定?？估瓘姸仍囼灢捎妹绹鳰TS810 材料試驗機，如圖1 所示。加載采用位移控制模式，速度為0.0025mm/s，采集數據包括時間、位移、承載力和應變。28 天的標準砂漿試件，通過德國ATM 薄片切割打磨系統，切割打磨成2cm×2cm 的光滑平面塊，通過荷蘭Phenom ProX 電鏡-能譜一體機進行微觀分析。試驗配比如表3 所示。漿體的攪拌工藝包括以下五個步驟：

⑴成型過程中先將粉體和細集料干拌均勻（慢攪2分鐘）；

⑵攪拌過程中將75%水和外加劑混合均勻后緩慢地倒入攪拌機內，以140±5r/min 速率濕拌2 分鐘；

⑶加入剩余的水，繼續攪拌至形成漿體；

⑷漿體快速攪拌1min；

⑸在攪拌過程中緩慢加入水性環氧樹脂（A、B 兩組分先混合均勻后再加入），繼續以140±5r/min 速率濕拌2 分鐘。

3 實驗結果

3.1 水性環氧樹脂摻量對UHPC 抗壓、抗折、抗拉強度的影響

水性環氧樹脂的摻量對UHPC 在3d，28d 抗壓、抗折強度影響見圖2。結果表明，隨著水性環氧樹脂的摻量增加，早期（3d）UHPC 抗壓強度逐漸下降，加入水性環氧樹脂摻量低于50kg/m3，砂漿的3d 抗壓強度比空白樣要略低，但加入水性環氧樹脂摻量低于50kg/m3以上時，抗壓強度要遠小于空白樣；后期（28d）抗壓強度先增加后下降，水性環氧樹脂摻量在75kg/m3時，同一齡期抗壓強度達到最大值；同一齡期UHPC 抗折強度先增加后下降，水性環氧樹脂摻量在75kg/m3時，抗折強度達到最大值。早期（3d）改性UHPC 抗壓強度與空白樣抗壓強度相比，略有下降，由于水性環氧樹脂需要10 天時間才能完全硬化，早期加入UHPC 漿體中水性環氧樹脂剛度和彈性模量較小，且與UHPC 漿體交聯反應程度低，在承受壓力作用下，水性環氧樹脂的支撐作用低于水化產物，所以，水性環氧樹脂改性砂漿的抗壓強度小于空白樣，當水性環氧樹脂量繼續增大，延緩了水化進程，水化程度遠低于空白樣，導致抗壓強度進一步降低。由于水性環氧樹脂逐漸硬化，后期（28d）抗壓強度逐漸增加，但水性環氧樹脂的摻量大于75kg/m3時，由于前期水化進程延緩，導致形成不均勻的界面，到時強度下降。早期（3d）由于水性環氧樹脂未完全硬化，抗折強度相對于空白樣增長不大；后期（28d）抗折強度提高的原因是，雖然水性環氧樹脂的彈性模量小于水泥石的彈性模量，但是水性環氧樹脂形成的聚合物網絡結構，能提高水泥漿體的韌性；另一方面，水性環氧樹脂中的某些活性基團可能與水化產物發生化學反應，形成某種特殊橋鍵作用，與水化產物相互交聯在一起，在荷載作用下，緩解內應力，從而可以提高砂漿的抗折強度。但是過量的水性環氧樹脂也會帶來不利的影響，過量的水性環氧樹脂會破壞砂漿的均勻性；另外，水泥水化程度過低，導致水泥漿體結構發展不完善，從而水泥砂漿的抗折強度降低。

圖2 不同水性環氧樹脂摻量UHPC 不同齡期（3 天、28 天）抗壓和抗折強度

水性環氧樹脂的摻量對UHPC 在3d、28d 抗拉性能的影響見表4。3d 和28d 抗拉性能變化趨勢和抗折強度變化趨勢基本吻合，主要也是由于水性環氧樹脂形成的聚合物網絡結構，能提高水化產物的韌性；另一方面，水性環氧樹脂中的某些活性基團可能與水化產物發生化學反應，形成某種特殊橋鍵作用，與水化產物相互交聯在一起，進一步提高材料整體間的粘結力和密實性，從而進一步增加抗拉性能。但當水性環氧樹脂的量超過75kg/m3時，抗拉性能出現下降，這是由于過量的水性環氧樹脂會破壞砂漿的均勻性和降低膠凝材料水化程度。

表4 不同配比的UHPC 在不同齡期的抗拉性能

3.2 水性環氧樹脂改性UHPC 水化產物形貌和界面分析

圖3

少量孔洞和裂縫。圖3b 所示，加入少量水性環氧樹脂后的水化產物和硅灰、粉煤灰間界面形成了少量條棒狀的產物，此產物貫穿在水化產物和硅灰、粉煤灰之間，使整體的界面較為密實，水化產物上的孔洞和裂縫相對空白樣也減少。圖3c 所示，繼續增加水性環氧樹脂摻量，水化產物和硅灰、粉煤灰間界面形成了更多條棒狀的產物，且產物的形成了空間交聯結構，使得條棒狀產物與水化產物和硅灰、粉煤灰間的結合更加密實，使整體的界面缺陷進一步減少。如圖3d 所示，當水性環氧樹脂摻量達到75kg/m3時，水化產物和硅灰、粉煤灰間界面形成了團狀的產物，團狀產物與水化產物和硅灰、粉煤灰間的接觸面積更大，分布更加均勻，形成了空間交聯結構的各組分間的結合力更大，使得結構更加密實，缺陷更少。如圖3e 所示，當水性環氧樹脂的量超過75kg/m3時，過量的水性環氧樹脂形成了過多的團狀產物，破壞整體的均勻性和降低各個組分間的交聯程度，降低了結構的密實性。通過對水性環氧樹脂改性UHPC 水化產物形貌和界面分析，也在一定程度上解釋了材料宏觀的力學性能的變化規律。但是條棒狀和團狀產物形成機理和分布規律，及作用機理尚不完全清楚，需要結合其他試驗開展進一步的研究。

4 結論

⑴隨著水性環氧樹脂摻量的增加，UHPC 漿體的早期（3d）期（3d）UHPC 抗壓強度逐漸下降，加入水性環氧樹脂摻量低于50kg/m3，砂漿的3d 抗壓強度比空白樣要略低，但加入水性環氧樹脂摻量低于50kg/m3以上時，抗壓強度要遠小于空白樣；后期（28d）抗壓強度先增加后下降，水性環氧樹脂摻量在75kg/m3時，同一齡期抗壓強度達到最大值；同一齡期UHPC 抗折強度先增加后下降，水性環氧樹脂摻量在75kg/m3時，抗折強度達到最大值。

⑵3d 和28dUHPC 的抗拉性能變化趨勢和抗折強度變化趨勢基本吻合，當水性環氧樹脂的量超過75kg/m3時，UHPC 抗拉性能出現下降。

⑶水性環氧樹脂的加入，使得水化產物和硅灰、粉煤灰間界面形成了交聯的產物，當水性環氧樹脂摻量較低時形成棒狀的產物，當水性環氧樹脂摻量繼續增加，交聯產物由棒狀轉變為團狀。當水性環氧摻量不超過75kg/m3時，隨著摻量增加，形成了空間交聯結構更加密實，缺陷更少。當水性環氧樹脂的量超過75kg/m3時，過量的水性環氧樹脂形成了過多的團狀產物，破壞整體的均勻性和降低各個組分間的交聯程度，降低了結構的密實性。