建筑用環氧樹脂-混凝土材料的耐老化性能分析

陳瑞芳，張琰鑫

（1 鄭州城市職業學院,河南鄭州452370；2 鄭州大學土木工程學院,河南鄭州450000）

混凝土是工程建設中用量最大的材料之一,為提升建筑用混凝土的高強高韌屬性,環氧樹脂-混凝土材料開始在建筑領域推廣[1]。隨著環氧樹脂-混凝土市場前景的拓展,該材料的力學性能和耐老化性能研究也成為眾多研究人員關注的重點[2]。文獻[3]針對不同摻量的材料,進行抗紫外老化性能研究。通過熔融共混技術制備多份材料,將其放置于不同溫度條件下,記錄材料性能變化,從而獲取材料抗老化性能分析結果。但是,該方法得到的結果準確性還有待提高。文獻[4]以研究混合材料的老化性能為核心,提出依托于室內模擬試驗的分析方法。設計黏度測試、凍融劈裂測試以及浸水馬歇爾測試等多種方案,獲取材料老化模擬后的性能變化。但是,該分析結果不夠完整。文獻[5]模擬多種氣候環境特征,分析不同實驗環境下材料耐老化性能,并以此為基礎分析未來老化性能研究方向。但是,該性能分析結果受到外觀因素的影響較大。

文中參考上述分析方法,針對建筑用環氧樹脂-混凝土材料,提出一種新的耐老化性能分析方法。強紫外線照射引起的老化問題,是材料遭到破壞的主要途徑之一。文中利用實驗材料制作環氧樹脂-混凝土材料試塊,再通過紫外光加速材料老化,分析老化后材料性能變化。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

制作建筑用環氧樹脂-混凝土材料所需的實驗材料,除了混凝土骨料外,需要在基礎材料中添加環氧樹脂與固化劑。為了便于后續攪拌處理,環氧樹脂選用常溫液態環氧樹脂,而固化劑選用常規的胺類固化劑,將環氧樹脂與固化劑混合得到環氧樹脂膠粘劑[6]。本次實驗樹脂按照2:1的比例固化劑混合。

此外,選用砂石為混凝土骨料,通過按級配比的方式篩選實驗所需的骨料,提升制作完成后的混凝土試塊材料強度,根據材料的耐老化性能的分析要求,設置混凝土骨料級配方案見表1。

表1 環氧樹脂-混凝土骨料級配方案Table 1 Epoxy resin-concrete aggregate gradation scheme

續表1

1.2 制備工藝

利用上述實驗材料,按照固定比例混合制作混凝土試塊。具體流程如下：（1）根據表1所示的混凝土骨料級配方案,選取多個粒徑的石料,將其攪拌均勻得到實驗骨料；（2）確定環氧樹脂和固化劑的質量,并將二者均勻混合。再將環氧樹脂膠粘劑倒入石料中,進行15 min以上的攪拌,為了便于后續實驗,將充分攪拌后的混合物倒入30cm×30cm×30cm模具內；（3）將夯實后的模具放入烘箱內進行為期三天的養護,脫模后得到所需材料試塊。

為了便于混凝土試塊的成形,將試塊養護的溫度設置為25℃[7]。考慮到季節變化特點和環氧樹脂膠粘劑的流動性,將環氧樹脂-混凝土制作環境設置為5℃以上。當環境無法達到制作要求時,預先加熱環氧樹脂膠粘劑再進行后續制備步驟[8]。

1.3 實驗方法

考慮到引起建筑用環氧樹脂基混凝土老化的主要因素是紫外線的照射[9],實驗過程中應用紫外光實驗箱進行試塊的加速老化處理。

根據環氧樹脂-混凝土材料試塊的大小,設置實驗箱的尺寸為120cm×120cm×700cm ,并在實驗箱內安裝放置試塊的架子、紫外光燈管、噴淋水管和水槽。

實驗箱內紫外光燈管數量為8根,并且每根燈管的短波光譜范圍為300～350 nm,紫外光加速老化處理過程中,設置燈管的額定功率和紫外光發射功率分別為40W、12W。為了保證紫外光照的均勻,設置實驗箱內燈管中心與材料試塊之間的距離大于10cm。考慮到建筑用混凝土材料的平均陽光照射溫度,將實驗箱內溫度設置為（50±5）℃,濕度設置為45%。考慮到實際日、夜時間分布情況,設置實驗箱內紫外光暴露和冷凝處理每4h一交替。在實驗箱內安裝12個噴嘴,模擬雨水沖刷環境,對試塊進行老化處理。

按照上述實驗環境進行加速老化處理,試塊表面紫外光平均強度計算公式為：

式（1）中,x表示紫外光平均強度,A表示發射紫外光的功率,C表示試驗箱內燈管數量,ε表示燈管距試塊的平均距離,P表示燈管額定功率。

經過計算可知,環氧樹脂-混凝土材料時間紫外光的平均強度達到了1560W/m2。考慮到我國大部分區域的日太陽輻射為98MJ/m2,年紫外線輻射總量為263.898MJ/m2。綜上所述模擬1年環氧樹脂-混凝土材料老化,需要進行95h左右紫外老化試驗,3年為285h左右,6年為570h左右。通過調查可知[10],混凝土建筑第一次病害的平均出現時間為6年,文中將最長老化時間設置為6年。為了提高耐老化性能分析結果的準確性,經由實驗箱獲取模擬1年、3年與6年老化試驗處理的試塊,進行后續混凝土性能分析。

1.4 性能測試

1.4.1 抗沖擊力測試

根據分離式Hopkinson壓桿測試裝置,測試不同老化時間的試塊在應力條件下,抗沖擊性能變化情況。實際操作過程中,在空桿狀態下進行3次裝置測試,確保實驗裝置操作正常,并調整桿件軸線高度統一。將環氧樹脂-混凝土材料試塊放在入射桿和透射桿間,設置觸發電壓為0.9MPa,發射沖擊速率為12.4m/s的子彈,獲取試塊破壞形態。為了對比試塊的耐老化性能,針對1年、3年與6年老化時間的試塊進行沖擊力測試時,觸發電壓和子彈發射沖擊速率保持不變。

1.4.2 抗彎拉性能測試

利用四點彎曲方法測試試塊的抗彎拉性能。按照試塊尺度,設置跨徑為30cm,在跨徑兩側預留5cm。將中間部分劃分為3個10cm的部分,并利用電子萬能材料試驗機在試塊三分點處施加等值荷載,在2cm/min加載速率條件下,計算試塊的抗拉伸強度。

1.4.3 吸水率測試

材料吸水率測試之前,將老化處理后的試塊從實驗箱取出進行烘干,并在正常室溫條件下自動冷卻,針對冷卻后的試塊進行稱重。再將試塊完全浸泡在水中24h,對泡水后的試塊再次稱重。利用烘干后質量和泡水后質量計算混凝土試塊的吸水率。

式中,ω表示吸水率,c表示浸泡后試塊質量,c0表示烘干狀態下試塊質量。

為了提高吸水率測試結果的準確性,本次實驗過程中以6塊材料為一組,分別計算每塊材料的吸水率,最終取平均值。

1.4.4 表面接觸角測試

表面接觸角的變化情況反映出混凝土材料憎水性能。將試塊水平放置在桌面,利用滴管在表面滴―滴水滴,等待兩分鐘后,采用數字顯微鏡采集試塊表面圖像,再結合計算機處理軟件獲取接觸角數據。材料的憎水性能會隨著接觸角的增大而提升,根據憎水性能的變化情況,可判斷環氧樹脂-混凝土材料的耐老化性能。

2 實驗結果分析

2.1 抗沖擊性

將未經過老化處理、模擬1年老化、3年老化、6年老化處理的試塊,采用分離式Hopkinson壓桿測試裝置進行抗沖擊性能測試。結果顯示,4種試塊的材料破壞形態較為相似,試塊表面均出現開裂情況,但并未完全碎裂。表明環氧樹脂基混凝土材料的抗沖擊性能并未因為老化時間的增加而降低。

2.2 抗彎拉性

記錄四點彎曲實驗的測試結果,獲取試塊載荷位移曲線,從而獲取試塊底層的應力應變曲線,生成圖1所示老化后材料的應力應變對比曲線。

圖1 老化后材料的應力應變曲線Fig. 1 Stress-strain curve of aged material

根據圖1所示的應力應變曲線可知,未老化試件的應力應變值較高,在應變為0.0086的時候,彎曲應力達到了18.4MPa。且整體分析可以發現環氧樹脂-混凝土材料的加速老化,并未引起應力應變曲線形狀的較大改變。

考慮到應力應變峰值的降低會引起載荷直線下降,導致材料發生斷裂,引起材料抗彎拉強度的降低。雖然試件應力應變曲線峰值和材料抗彎拉強度有所關聯,但是圖1所示的不同老化時間的應力應變峰值并未表現出規律。為了深入分析試塊抗彎拉性能隨著老化時間增加的變化情況,應用試驗機壓頭進行材料壓縮處理。其中,以壓頭位移為基礎獲取應變位移,得到不同老化時間的抗彎拉強度對比結果,如圖2所示。

圖2 紫外加速老化后試塊抗彎拉強度變化Fig. 2 Variation of flexural tensile strength of test block after UV accelerated aging

針對圖2所示的抗彎拉強度數據可知,材料老化時間的增長導致抗彎拉強度的降低,未經過老化處理的試塊抗彎拉強度為33.5MPa,模擬1年老化試塊、3年老化試塊、6年老化試塊的抗彎拉強度分別為31.2MPa、30.1MPa、28.6MPa。通過計算試塊的抗彎拉強度衰減比例可知,環氧樹脂-混凝土材料經過模擬6年的老化處理,抗彎拉強度有所降低,但依舊保持在85%以上。表明材料的耐老化性能較好。

2.3 吸水率

針對不同老化時間的試塊進行烘干稱重和泡水稱重,得到吸水量統計數據：未老化試塊的烘干后質量為296.54 g,泡水后質量為297.34 g；模擬1年老化試塊烘干后質量為284.35g,泡水后質量為285.40g；模擬3年老化試塊烘干后質量為263.14g,泡水后質量為266.00 g；模擬6年老化試塊烘干后質量為250.29g,泡水后質量為258.99g。

由以上數據可知,隨著老化時間的增加試塊的烘干后質量、泡水后質量均處于不斷降低的狀態,結合公式計算可知,未經過老化處理的試塊吸水率為0.2%,隨著老化時間的變化,1年、3年、6年后試塊的吸水率分別增加至0.4%、1.1%、3.5%。

2.4 表面接觸角

試塊表面接觸角直接反映了材料吸水性能,對比不同老化時間試塊的接觸角,可以直觀描述材料的耐老化性能。根據實驗結果,未經老化、模擬1年老化、3年老化、6年老化試塊的表面接觸角分別為141°、141°、100°、82°。第1年試塊的表面接觸角基本不會發生變化,此后會出現下降的趨勢。結果表明,混凝土材料受到紫外光加速老化的影響,表面會發生一定程度的風化,但是經過表面打磨處理,試塊的憎水性就可以得到良好恢復,這表明紫外光加速老化并未破壞材料內部結構,該混凝土材料具有較強的耐老化性能。

3 結束語

文中采用實驗測試的方法,分析環氧樹脂基混凝土材料的耐老化性能。利用紫外光加速老化處理的方式分析不同老化時間條件下抗彎拉強度、抗沖擊性能、吸水率以及表面接觸角的變化,明確材料的耐老化能力。根據試驗結果可知,環氧樹脂-混凝土作為一種新型材料,具有良好的耐老化性能,將其應用在建筑領域可以發揮良好的應用效果。文中得出的分析結果,為環氧樹脂-混凝土材料的后續推廣應用提供理論參考,但受到研究時間的限制,部分問題研究還不夠深入,未來可以根據復雜應力狀態下材料的適用性進行分析,獲取符合實際建筑要求的建筑材料。