水性環(huán)氧樹脂改性水泥混凝土的制備及力學(xué)性能分析*

鐘 鑫

(東南大學(xué) 基本建設(shè)處，南京 210000)

0 引 言

隨著我國工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也快速進(jìn)步，水泥混凝土的用量越來越大，未來十年水泥混凝土依舊會(huì)是交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的核心[1]。混凝土的主要研究點(diǎn)在于其力學(xué)性能，比如抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等，而對于一些特殊的工程，例如水工、地下基礎(chǔ)、屋面防水等，混凝土的抗?jié)B性能就顯得尤為重要[2-5]，一般抗?jié)B混凝土通過提高混凝土的密實(shí)度，改善孔隙結(jié)構(gòu)，從而減少滲透通道，提高其抗?jié)B性[6-7]。較為常用的改善混凝土抗?jié)B性能的方法是加入引氣型外加劑，在混凝土中通過產(chǎn)生較多的氣泡，填充了孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的抗?jié)B性[8-9]。水性環(huán)氧樹脂由于具有較強(qiáng)的附著力、較低的固化收縮率、耐腐蝕和耐水性等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于水性環(huán)氧涂料、工業(yè)地坪涂料、內(nèi)外墻乳膠漆和改性混凝土等領(lǐng)域[10-12]。通過摻入水性環(huán)氧樹脂對水泥混凝土進(jìn)行改性，主要是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂進(jìn)入到混凝土基體后，可以有效地填充內(nèi)部孔隙，提高基體的力學(xué)性能，最后形成低孔隙的混凝土，從而改善混凝土的抗?jié)B性能，增加其韌性和彈性[13-15]。

近年來，對水泥混凝土的改性研究越來越多[16-19]。孫琳[20]通過慢凍法試驗(yàn)以單位面積剝蝕量及相對動(dòng)彈模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究不同摻量下納米SiO2改性混凝土抗鹽凍融循環(huán)能力，并進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究其斷裂韌度及斷裂能損失率，基于此建立水膠比W/B=0.31時(shí)的鹽凍融損傷回歸方程。結(jié)果表明，經(jīng)過納米SiO2改性的混凝土抗鹽凍融性能明顯提升，2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量下最大可分別提升混凝土約70%單位面積剝蝕量，24.2%相對動(dòng)彈模量，29.5%斷裂韌度及10.9%斷裂能，且納米SiO2的最佳摻量范圍為1.5%～2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。劉方等[21]采用了一種聚合物乳液(丁苯膠乳)對高性能混凝土進(jìn)行改性處理，研究不同丁苯膠乳摻加量對水泥混凝土基本力學(xué)性能、韌性、自收縮性能及抗氯離子滲透性能的影響。結(jié)果表明，苯膠乳改性水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著丁苯膠乳摻加量的增加有所降低，丁苯膠乳的加入對混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及韌性有較大提高，且摻量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的增強(qiáng)效果最明顯，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升幅度分別達(dá)到17.4%和23.8%，摻量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的情況下韌度指數(shù)最高，增加幅度達(dá)到71.1%，丁苯膠乳改性混凝土澆注24 h后的總收縮值隨著丁苯膠乳摻量的增加而逐漸減少，摻量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))情況下的總收縮值降幅高達(dá)35%，改性后水泥混凝土的抗氯離子擴(kuò)散能力和抗?jié)B性能也得到改善。呂晨曦[22]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，研究了鋼筋在新型水性環(huán)氧樹脂改性砂漿體系中的鈍化行為，探討了不同養(yǎng)護(hù)方式對鋼筋鈍化行為的影響、不同摻量的環(huán)氧樹脂對混凝土的力學(xué)性能及耐久性能的影響。結(jié)果表明，加入聚合物后砂漿的水化反應(yīng)及鋼筋表面的鈍化膜形成減慢，養(yǎng)護(hù)后期聚合物改性砂漿中鋼筋表面阻抗值大于普通砂漿中鋼筋表面阻抗值，聚合物乳液的摻加改善了混凝土剛性大、柔性小的特點(diǎn)，使混凝土彈性模量減小，聚合物摻加有利于混凝土強(qiáng)度的提升。

本文以摻入水性環(huán)氧樹脂對水泥混凝土進(jìn)行改性，通過調(diào)整水性環(huán)氧樹脂的含量，制備了不同水性環(huán)氧樹脂摻量(0，2%，4%和6%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水泥混凝土。采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，探討了水性環(huán)氧樹脂含量對水泥混凝土力學(xué)性能、抗?jié)B性能和微觀形貌等的影響，力求制備出綜合性能最佳的改性水泥混凝土。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

普通硅酸鹽水泥：P.O 42.5，購買于唐山燕東集團(tuán)華城水泥有限公司；聚羧酸減水劑：固含量為20%，減水率為35%，購買于唐山燕東集團(tuán)華城水泥有限公司；砂：含水率為0，購買于唐山燕東集團(tuán)華城水泥有限公司；水性環(huán)氧樹脂：CYDW-112W50，環(huán)氧樹脂固含量為50%，購買于唐山燕東集團(tuán)華城水泥有限公司；環(huán)氧固化劑：CYDHD-W280，胺值為270～330 mgKOH/g，購買于上海悅怡化工有限公司。

1.2 樣品制備

混凝土的配比為m(水泥)∶m(水)∶m(砂子)∶m(石子)=1∶2.24∶4.61∶0.6，水灰比W/C=0.42，砂率為33%，m(水性環(huán)氧樹脂)∶m(固化劑)=4∶1。按照配比稱取硅酸鹽水泥及標(biāo)準(zhǔn)砂，摻拌均勻，將上述水性環(huán)氧樹脂、固化劑、水加入到容器中，繼續(xù)攪拌振動(dòng)直到均勻，在此基礎(chǔ)上制備了不同水性環(huán)氧樹脂摻量(0%，2%，4%和6%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))改性混凝土，隨后在室溫下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至齡期后進(jìn)行性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的力學(xué)性能分析

將上述制備的水性環(huán)氧樹脂改性混凝土按照GBJ107《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，對養(yǎng)護(hù)7和28 d的試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試，每組樣品測試10個(gè)，取平均值為測試結(jié)果。

圖1為水性環(huán)氧樹脂改性混凝土在7 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線。從圖1可以看出，在7 d下，隨著水性環(huán)氧樹脂的摻入，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均得到了提高，且隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均先增加后輕微降低。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為23.85和4.22 MPa，相較于未摻雜水性環(huán)氧樹脂的混凝土強(qiáng)度分別提升了110.13%和102.33%；當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的含量增加至6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的下降。

圖1 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土7 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線

圖2為水性環(huán)氧樹脂改性混凝土在28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線。從圖2可以看出，養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的變化趨勢與7 d類似，隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均先增加后輕微降低，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為41.15和8.67 MPa。

圖2 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線

2.2 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的干密度分析

將上述制備的水性環(huán)氧樹脂改性混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d下按照GB11970-1997對干密度進(jìn)行測試，對同一體系的混凝土測試3次，取平均值為最終測試結(jié)果。

圖3為水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的干密度曲線。從圖3可以看出，未摻雜水性環(huán)氧樹脂的混凝土的干密度最小為 277.5 kg/m3，隨著水性環(huán)氧樹脂的摻入，混凝土的干密度整體出現(xiàn)上升，且隨著水性環(huán)氧樹脂的含量增加，干密度先升高后略微下降。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性混凝土的干密度達(dá)到最大為278.6 kg/m3，通常干密度和氣孔的大小及密度是反相關(guān)的，當(dāng)干密度升高時(shí)，多數(shù)是因?yàn)闅饪壮叽纭?shù)量變小導(dǎo)致的。

圖3 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土的干密度曲線

2.3 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的吸水率分析

將上述制備的水性環(huán)氧樹脂改性混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d下按照GB11970—1997對吸水率進(jìn)行測試，對同一體系的混凝土測試3次，取平均值為最終測試結(jié)果，吸水率計(jì)算值精確至0.1%。

圖4為水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的吸水率曲線。從圖4可以看出，隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，改性混凝土的吸水率出現(xiàn)了先降低后略微升高的現(xiàn)象。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，吸水率最低為28.3%；當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，吸水率出現(xiàn)了輕微升高為28.6%，這與干密度的測試結(jié)果一致，說明水性環(huán)氧樹脂的含量變化引起了氣孔的尺寸和密度變化，在宏觀上體現(xiàn)出吸水率和干密度的變化，即當(dāng)試樣尺寸不變時(shí)，干密度增加就會(huì)導(dǎo)致氣孔尺寸和密度減小，從而吸水率降低。

圖4 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土的吸水率曲線

2.4 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的抗?jié)B性能分析

對上述制備的水性環(huán)氧樹脂改性混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d下按照GBJ82-1985《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗?jié)B性能測試，通過混凝土滲透儀對不同體系下的試樣進(jìn)行測試，從0.1 MPa開始加壓，加壓范圍為0～4 MPa，持續(xù)進(jìn)行8 h，試驗(yàn)壓力遞增0.1 MPa，每組試樣測試3次，取平均值為最終測試結(jié)果。

表1為水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的抗?jié)B性能分析數(shù)據(jù)。從表1可以看出，所有混凝土的初始?jí)毫鶠?.1 MPa，隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，混凝土的耐水壓力、滲水壓力、抗?jié)B等級(jí)均逐漸提高，其中水性環(huán)氧樹脂的含量越高，抗?jié)B性能越強(qiáng)，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到了P19。

表1 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的抗?jié)B性能分析數(shù)據(jù)

2.5 水性環(huán)氧樹脂改性混凝土的SEM分析

圖5為不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土的SEM圖。從圖5(a)可以看出，未摻雜水性環(huán)氧樹脂的混凝土的氣孔尺寸較大，約為4～5 mm。從圖5(b)和(c)可以看出，隨著水性環(huán)氧樹脂的摻入，混凝土的氣孔尺寸明顯減小，整體尺寸在2～3 mm之間。從圖5(d)可以看出，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的摻量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土的氣孔尺寸又開始增大。說明適量水性環(huán)氧樹脂的摻雜有助于降低混凝土的氣孔尺寸，并使氣孔分布更加均勻；當(dāng)樹脂含量較多時(shí)，水性環(huán)氧樹脂在基體中會(huì)包覆在水泥表面，阻礙了水分子與水泥顆粒的接觸，導(dǎo)致了水化反應(yīng)的減慢，使得水泥顆粒無法均勻地分布在基體中，從而使局部區(qū)域的氣孔尺寸出現(xiàn)了增大。

圖5 不同水性環(huán)氧樹脂摻量的混凝土的SEM圖

3 結(jié) 論

(1)隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，改性混凝土在7和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均先增加后輕微降低，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為41.15和8.675 MPa。

(2)隨著水性環(huán)氧樹脂的含量增加，改性混凝土的干密度先升高后略微下降，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，干密度達(dá)到最大為278.6 kg/m3。

(3)隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，改性混凝土的吸水率出現(xiàn)了先降低后略微升高的現(xiàn)象，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，吸水率最低為28.3%。

(4)隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，改性混凝土的耐水壓力、滲水壓力、抗?jié)B等級(jí)均逐漸提高，其中水性環(huán)氧樹脂的含量越高，抗?jié)B性能越強(qiáng)，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到了P19。

(5)SEM分析可知，隨著水性環(huán)氧樹脂含量的增加，改性混凝土的氣孔尺寸呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，氣孔尺寸較小，約為2～3 mm，當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的摻量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混凝土的氣孔尺寸開始增大。

綜合以上分析來看，水性環(huán)氧樹脂的含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，改性混凝土的綜合性能最佳。