隧道工程用環氧樹脂基混凝土配合比設計試驗研究

羅宏濤

（甘肅路橋第四公路工程有限責任公司，蘭州 730050）

受地理因素的影響，我國隧道所處地段多半都在山區，惡劣的環境因素導致隧道混凝土很容易出現病害，如開裂、漏水等。如何提高隧道混凝土性能，進而加強對隧道工程路面中混凝土的修補，是目前研究的重點課題。而在這其中，最為關鍵的是要解決隧道路面混凝土自身力學性能和抗沖擊性能等問題，這樣才能更好的提高隧道工程路面的使用壽命。如黃德楷（2019）嘗試在隧道混凝土中摻入一定的粉煤灰，并就粉煤灰添加量對其性能影響進行探討，以此提高混凝土的壓縮性能[1]；高建平（2019）則嘗試對隧道二次襯砌混凝土的配比進行優化，得出二次襯砌混凝土性能的最佳配比[2]；錢慧麗（2013）等則嘗試在混凝土中加入環氧樹脂，試驗表明隨著摻量的增加，混凝土的抗沖擊性能。以上專家的研究給隧道混凝土配比優化提供了理論基礎，但對于隧道路面混凝土的修補還存在一定不足。因此，本研究嘗試用環氧樹脂膠為基底，制備環氧樹脂基混凝土，并尋找最佳配比，以求制備出一種高性能的隧道混凝土，為隧道工程混凝土發展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗主要材料與設備如表1、表2所示。

表1 試驗主要材料Tab.1 Main test materials

表2 試驗主要設備Tab.2 main test equipment

1.2 樣品制備

1.2.1 環氧樹脂基體制備

環氧樹脂固化到獲取穩定力學性能的時間決定了環氧樹脂基混凝土的養護時間。參照《塑料拉伸性能測試方法》，將雙酚A 環氧樹脂與胺類固化劑按比例混合，混合均勻后澆筑在橡膠模具中，在烘箱內分別養護1~4d。試件脫模后，按圖1中的尺寸制備標準環氧樹脂基體拉伸試件。

圖1 環氧樹脂基體拉伸試件Fig.1 Epoxy resin matrix tensile test piece

1.2.2 混凝土試件制備

1）提前對骨料進行預熱備用，將骨料和環氧樹脂膠攪拌均勻，使所有骨料和膠粘劑混合均勻，骨料間相互裹挾即可。

2）將攪拌均勻的環氧樹脂骨料倒入模具后夯實，在倒入模具時，保證相同配比填充料的用量一致，確保密度的一致性。

3）將模具放置于25℃環境下養護3d，脫模成型，得到試件。

為對比不同影響因素給環氧樹脂基混凝土彎曲拉伸、壓縮強度、級配敏感性的影響，按照膠石比8%、11%、13%制備環氧樹脂基混凝土；試件養護3h、6h、9h、12h、24h和48h；粒徑大于4mm的粗骨料占比為40%、50%、60%。

1.3 性能測試

1.3.1 環氧樹脂基體力學性能

1）拉伸性能測定：在基體制備過程中，因環氧樹脂會產生較大變形，可忽略與夾具產生的滑移，所以可利用試驗機位移來計算應變。將拉伸試件放置于萬能試驗機上，按照1mm/min 的速率進行加載。，直至試件出現斷口。具體拉伸強度用公式（1）計算。

式中，T表示試件破壞時的最大荷載（N）；bER表示試件拉斷截面的寬度（mm）；hER表示試件拉斷截面的厚度（mm）；σTER表示基體的拉伸強度（MPa）。

2）壓縮強度試驗方案：依據《GBT 1041-1992塑料壓縮性能試驗方法》，提前對試件進行養護，養護時間為3d，脫模后按圖2的標準制備環氧樹脂基體試件。

圖2 壓縮試件Fig.2 Compression specimen

將壓縮試件放置于WAW-100B 電液伺服萬能試驗機上，按照1mm/min的速率進行加載。壓縮強度用公式（2）計算。

式中，F 表示試件破壞時的最大載荷（N）；S 表示試件截面面積（mm2）。

1.3.2 環氧樹脂基混凝土性能測試

1）環氧樹脂基混凝土彎曲拉伸試驗：參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，將環氧樹脂混凝土彎曲拉伸強度試件尺寸設定為50mm×50mm×200mm。按照以上標準分別制備膠石比為8%、11%、13%的環氧樹脂基混凝土，分別利用30kN萬能試驗機和電液伺服萬能試驗機以2mm/min的速率對試件進行彎曲拉伸強度試驗和壓縮強度試驗。彎曲拉伸強度可用公式（3）計算得知，此時彎曲拉伸強度對應的應變計算公式（4）。

式中，P 表示最大載荷（N）；L 表示跨徑（mm）；b 表示試件寬（mm）；h 表示試件高（mm）；f表示試件與夾頭接觸點的撓度（mm）。

2）環氧樹脂基混凝土的壓縮強度試驗：參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，制備100mm×100mm的環氧樹脂基圓柱形混凝土。壓縮強度用公式（5）計算，壓縮強度對應的應變用為公式（6）。

式中，P表示最大載荷（N）；r表示試件半徑（mm）；f表示壓頭下降的高度（mm）；h表示試件高（mm）；

2 結果與討論

2.1 環氧樹脂基體的力學性能測試結果

2.1.1 拉伸試驗結果分析

在試驗過程中，若試件斷口處明顯氣泡，則測試結果無法真實反映材料的強度真實值，該組試驗結果舍棄。將不同養護時間的平均拉伸強度結果統計為表3，從表3 可看出，環氧樹脂基體拉伸強度隨養護時間的增加而增加，養護3d 后，強度值逐漸趨于穩定，此時拉伸強度值為44.6MPa，因此可以推斷，環氧樹脂基混凝土的最低養護時間為3d。

表3 環氧樹脂基體不同養護時間的拉伸強度Tab.3 Tensile strength of epoxy resin matrix at different curing time

2.1.2 壓縮試驗結果分析

表4為環氧樹脂基體的壓縮強度及平均值。通過計算5組試驗計算得到平均壓縮強度為97.2MPa。

表4 環氧樹脂基體抗壓強度Tab.4 Compressive strength of epoxy resin matrix

2.2 環氧樹脂基混凝土性能測試結果

2.2.1 膠石比對彎曲拉伸強度和壓縮強度的影響

圖3 為膠石比8%時試件斷裂后內部結構圖，從圖3可看出，膠石比較低的試件斷面呈現凹凸不平的狀態，有些粗骨料從試件中拔出，此現象說明了膠石比較低時，基體與骨料間的粘接程度不牢靠。

圖3 試件斷裂后內部結構圖Fig.3 Internal structure of specimen after fracture

表5 表6 分別為環氧樹脂基混凝土不同膠石比的彎曲拉伸強度試驗結果和壓縮強度試驗結果。根據結果可知。膠石比的增加，環氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強度和壓縮強度也增加。當膠石比的大小在8%時，此時的彎拉強度為7.8MPa，滿足公路水泥混凝土荷載等級要求，但壓縮強度達不到C30的混凝土軸心壓縮等級強度。而膠石比為11%時，可達到C30混凝土軸心壓縮強度等級，綜上分析，膠石比為11%時，可達到彎曲拉伸強度和壓縮強度要求。

表5 環氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強度試驗結果Tab.5 Test results of flexural tensile strength of epoxy resin based concrete

表6 不同膠石比的環氧樹脂基混凝土的壓縮強度試驗結果Tab.6 test results of compressive strength of epoxy resin based concrete with different rubber aggregate ratio

2.2.2 養護時間對壓縮強度的影響

表7為不同養護時間對壓縮強度影響結果，從表7可看出，環氧樹脂基混凝土養護時間為3h時，壓縮強度較低，只有7.46MPa。當養護時間為9h時，壓縮強度達到水泥混凝土C30 水平。養護時間為24h 時，壓縮強度達到了50.21MPa，并逐漸趨于穩定。由此可看出，養護時間對抗壓強度影響主要分為3 個階段，第1 階段為9h 之前，是快速提高階段，以3.4MPa/h 的速率增加；第2 階段為9~12h，為緩慢提高階段，以1.3MPa/h的速率提高；第3階段為穩定階段，整個過程大概有1.5MPa 提高。綜合上述分析，將該環氧樹脂基混凝土運用在實際工程中，對隧道輔裝層進行修補后只需養護9~12h即可通車。

表7 養護時間對壓縮強度影響試驗結果Tab.7 Test results of influence of curing time on compressive strength

2.2.3 級配敏感性試驗結果

表8 為級配敏感性的彎曲拉伸試驗結果，從表8可看出，三者的彎曲拉伸強度變化不明顯，大致相同，此現象說明了粗骨料占比為40%~60%時，環氧樹脂基混凝土級配影響較小。

表8 環氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強度Tab.8 Flexural tensile strength of epoxy resin based concrete

3 結語

本文采用環氧樹脂膠體與骨料混合，制備環氧樹脂基混凝土，通過對環氧樹脂基體和環氧樹脂混凝土進行基本性能試驗，探究了膠石比、養護時間對環氧樹脂基混凝土性能影響，具體結論如下：

1）拉伸及壓縮強度表明，環氧樹脂基體經固化劑作用養護3d 后的拉伸強度趨于穩定，拉伸強度值為44.6MPa左右，平均壓縮強度為98.4MPa。

2）環氧樹脂基混凝土彎曲拉伸強度和壓縮強度結果表明，膠石比為8%時彎曲拉伸強度已經能夠滿足鋪裝材料的相關規范要求，但壓縮強度要求無法達到，膠石比為11%時，可達到C30水泥混凝土壓縮強度要求，所以工程上對鋪裝材料的最小膠石比為11%，此時抗彎拉強度為13.75MPa，壓縮強度為48.75MPa。

3）環氧樹脂基混凝土養護時間對壓縮強度影響主要分為3 個階段，其中9~12h 為緩慢提升壓縮強度階段，此時壓縮強度可達到C30水泥混凝土水平，超過12h，壓縮強度增長趨于穩定，即該環氧樹脂基混凝土用于鋪裝層修補時，養護9~12h即可通車。

4）級配敏感性試驗結果表明，當粗骨料占比40%~60%時，環氧樹脂基混凝土的級配影響較小。

綜上所述，當環氧樹脂基混凝土配比為粗細骨料占比各為50%，養護時間3d，膠石比11%時，力學性能滿足工程要求。若用于隧道工程中路面的修補，養護9~12h即可使用。