環(huán)氧樹脂膠凝砂礫石材料抗沖磨性能試驗(yàn)研究

車南雪

(河北省子牙河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

膠凝砂礫石材料是將水泥、粉煤灰等膠凝材料、水、原狀砂礫或工程廢棄料通過簡易拌合所得到的新型筑壩材料[1]。膠凝砂礫石材料壩可以充分利用大壩壩址部位的天然砂石料和開挖棄料，有效拓展了骨料的使用范圍，不僅施工方便，還可以大幅降低工程投資，相對于土石壩具有漫頂不潰的巨大優(yōu)勢，在水利工程領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景[2]。目前，關(guān)于膠凝砂礫石材料的研究主要集中于強(qiáng)度、滲透性以及抗凍性等物理力學(xué)性質(zhì)方面，對抗沖磨性能的關(guān)注不多[3]。但是，水利工程運(yùn)行過程中，高速水流經(jīng)常會(huì)攜帶大量的泥沙，會(huì)對膠凝砂礫石大壩的防滲保護(hù)層產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖刷和磨蝕破壞，從而降低大壩的安全性，不利于大壩的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[4]。因此，提高膠凝砂礫石材料的抗沖磨性能具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。環(huán)氧樹脂作為一種新型建筑材料，其本身的抗沖磨性能較差，但是其與砂礫石材料之間有良好的黏結(jié)作用，可以有效抵抗含沙水流地沖磨影響[5]。基于此，此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，研究環(huán)氧樹脂、稀釋劑的種類以及摻量對膠凝砂礫石材料抗沖磨性能的影響，為膠凝砂礫石材料的使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

此次研究中使用的水泥為遼寧鞍山通達(dá)水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。對水泥樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，其28 d抗壓強(qiáng)度為56.5 MPa，抗折強(qiáng)度為8.4 MPa；初凝時(shí)間為187 min；終凝時(shí)間為241 min，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足實(shí)驗(yàn)要求，可以用于此次試驗(yàn)研究。

粉煤灰為電廠的副產(chǎn)品，將其用于膠凝砂礫石材料可以減少水泥用量，降低工程成本，同時(shí)還可以提高材料的強(qiáng)度。此次研究選用的是熱電廠干排粉煤灰。經(jīng)測定，粉煤灰樣品的表觀密度為2.21 g/cm3、需水比為101.5%、燒失量為1.67%。

試驗(yàn)用骨料為取自河道并經(jīng)過篩分的天然砂礫石材料，其最大粒徑為150 mm。壓碎指標(biāo)為3.2%。試驗(yàn)用高效減水劑和引氣劑均由北京中水科海利工程有限公司生產(chǎn)；試驗(yàn)用水為普通自來水。

試驗(yàn)用環(huán)氧樹脂為中石化滄州石化廠出品的雙酚A環(huán)氧樹脂，具有良好的酸堿環(huán)境耐受性，使用成本較低；固化劑為唐山冀勝化工有限公司生產(chǎn)的593固化劑。該固化劑可以和水互溶，同時(shí)黏度較小，容易調(diào)膠。由于環(huán)氧樹脂黏度較大，往往需要添加適量稀釋劑[6]。此次研究選擇HK-66 活性稀釋劑和丙酮進(jìn)行對比。

1.2 試樣制備

在試驗(yàn)中使用JZW350強(qiáng)制式多功能攪拌機(jī)進(jìn)行膠凝砂礫石材料的拌合。在拌合之前，首先根據(jù)設(shè)計(jì)好的配合比，稱量好水泥、粉煤灰、砂礫石料，然后加入攪拌機(jī)攪拌10 s，使上述拌合物充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅偌尤胨屯饧觿贁嚢?20 s。采用兩次拌合的方式，可以實(shí)現(xiàn)膠凝材料和骨料的充分接觸，并均勻包裹住骨料。將環(huán)氧樹脂、固化劑和稀釋劑充分?jǐn)嚢杈鶆颍缓髮⑵浼尤氚韬贤瓿傻哪z結(jié)砂礫石材料中再次攪拌3 min并立即成型試件[7]。試驗(yàn)采用的模具規(guī)格為內(nèi)徑300 mm、高100 mm的圓柱形試模。在模具裝料之前，要首先對模具內(nèi)部進(jìn)行清理沖洗并擦拭干凈，然后均勻涂抹一層脫模劑。將制作完成的膠凝砂礫石材料迅速裝入試模，并從四周向中心進(jìn)行環(huán)向人工振搗。為了保證試件的密實(shí)度，插搗次數(shù)應(yīng)在25次以上。在插搗完畢之后，用抹刀抹平試件的表面，特別是注意封堵好明顯的孔洞。在試件成型之后在自然環(huán)境下靜置24 h后拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，然后取出試件在室外自然環(huán)境下靜置至90 d齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

抗沖磨性能試驗(yàn)使用HCKM-2型混凝土抗沖磨試驗(yàn)機(jī)，其基本原理是通過電磁調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)葉輪，使葉輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 r/s并帶動(dòng)水?dāng)噭?dòng)70個(gè)直徑大小不等的鋼球?qū)υ嚰M(jìn)行72 h的摩擦磨損，以驗(yàn)證試件表面的抗磨損能力[8]。試驗(yàn)中利用單位面積上的磨損質(zhì)量所需要的時(shí)間表示試件的抗沖磨強(qiáng)度，其計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：R為試件的抗沖磨強(qiáng)度，m2h/kg；T為沖磨時(shí)長，h；A為試件的表面積，m2；MT為沖磨后試件的質(zhì)量損失，kg。

1.4 試驗(yàn)方案

環(huán)氧樹脂和稀釋劑的種類和添加量均為試驗(yàn)結(jié)果的重要影響因素，結(jié)合相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)中選擇油性和水性兩種環(huán)氧樹脂種類，設(shè)置3%、6%和9%等3種不同的摻加比例進(jìn)行試驗(yàn)。由于水性環(huán)氧樹脂可以通過拌和水稀釋，因此不需要添加稀釋劑。對于油性環(huán)氧樹脂，選擇活性和非活性兩種稀釋劑，并設(shè)置5%、10%和15%等3種相對于環(huán)氧樹脂重量的摻加水平進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，將不摻加環(huán)氧樹脂作為對比方案。具體的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案參數(shù)設(shè)計(jì)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對不同試驗(yàn)方案的抗沖磨性能進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的抗沖磨強(qiáng)度如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，不同試驗(yàn)方案的試件抗沖磨強(qiáng)度存在比較顯著的差異，說明環(huán)氧樹脂和稀釋劑的種類及摻量會(huì)對膠凝砂礫石材料的抗沖磨性能存在顯著影響。

表2 試件抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 環(huán)氧樹脂種類

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如圖1所示的不同環(huán)氧樹脂種類試件的抗沖磨強(qiáng)度隨環(huán)氧樹脂摻量的變化曲線。由圖可知，在膠凝砂礫石材料中摻加環(huán)氧樹脂可以顯著提高其抗沖磨性能，同時(shí)，摻加比例越大，抗沖磨性能越好。但是，當(dāng)摻加量大于6%時(shí)，抗沖磨強(qiáng)度增加速率明顯變小。因此，考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，不應(yīng)大幅增加環(huán)氧樹脂的摻量。從水性和油性環(huán)氧樹脂的對比來看，摻加水性環(huán)氧樹脂的效果更明顯。原因是水性環(huán)氧樹脂不需要稀釋，而沒有稀釋的油性環(huán)氧樹脂黏性較大，與水泥等材料的拌合效果較差，不利于其性能的有效發(fā)揮。

圖1 不同環(huán)氧樹脂種類抗沖磨強(qiáng)度變化曲線

2.2.2 稀釋劑

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如圖2所示的不同種類稀釋劑試件的抗沖磨強(qiáng)度隨摻量的變化曲線。由圖可知，添加5%、10%和15%活性稀釋劑的條件下，試件的抗沖磨強(qiáng)度分別提升了14.02%、22.35%和23.11%。所以，在油性環(huán)氧樹脂添加活性稀釋劑之后，試件的抗沖磨強(qiáng)度得到明顯提升，但是稀釋劑的摻量大于10%時(shí)的作用效果極為有限。同時(shí)，不同摻加量下的抗沖磨強(qiáng)度均超過摻加水性環(huán)氧樹脂的試驗(yàn)方案。在摻加非活性稀釋劑的情況下，試件的抗沖磨強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，也就是說摻加非活性稀釋劑反而不利于試件抗沖磨強(qiáng)度的提高。原因是活性稀釋劑不僅可以降低拌合物的黏稠度，改善拌合效果，還可以和環(huán)氧樹脂發(fā)生固化反應(yīng)，從而增強(qiáng)膠凝砂礫石的抗沖磨性能。非活性稀釋劑丙酮雖然可以降低環(huán)氧樹脂的黏稠度，提高材料的拌合效果，但并不與環(huán)氧樹脂發(fā)生反應(yīng)，而后期丙酮的揮發(fā)還會(huì)造成試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的增加，降低試件的抗沖磨強(qiáng)度。總體來看，在膠凝砂礫石材料中摻加活性稀釋劑+油性環(huán)氧樹脂可以取得更好的抗沖磨效果，從工程經(jīng)濟(jì)性來看，油性環(huán)氧樹脂和活性稀釋劑的最佳摻量應(yīng)該為6%和10%。

圖2 不同稀釋劑種類抗沖磨強(qiáng)度變化曲線

3 結(jié) 論

此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法，探討分析了環(huán)氧樹脂對膠凝砂礫石材料抗沖磨性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)在膠凝砂礫石中摻加環(huán)氧樹脂可以顯著提高其抗沖磨性能，當(dāng)摻加量大于6%時(shí)，提高抗沖磨強(qiáng)度的作用顯著降低。

(2)在不摻加稀釋劑的情況下，摻加水性環(huán)氧樹脂對提高膠凝砂礫石材料抗沖磨性能的作用更為顯著。

(3)在油性環(huán)氧樹脂中摻加活性稀釋劑有助于提高膠凝砂礫石材料的抗沖磨性能，而摻加非活性稀釋劑反而會(huì)降低膠凝砂礫石材料的抗沖磨性能。

(4)在條件允許的情況下，建議在膠凝砂礫石材料中添加6%的油性環(huán)氧樹脂，并用10%的活性稀釋劑稀釋。