高性能環氧樹脂混凝土配合比設計試驗研究

梁波

【摘要：】為探究環氧樹脂膠結料是否能夠制備性能優良的環氧樹脂混凝土，文章對高性能環氧樹脂混凝土（HEC-13）進行配合比設計優化，并利用力學性能試驗、抗凍性試驗驗證其各項性能。結果表明：以抗壓強度指標為主，試件質量和骨料間距系數指標為輔，可綜合優化確定最佳膠石比和促凝劑材料摻量;隨膠石比增加，抗壓強度、試件質量均呈先增加后下降趨勢，骨料間距系數呈持續增加趨勢，且骨料間距系數增加幅度遠大于抗壓強度變化幅度;隨養護時間增加，抗壓強度、抗折強度均呈持續增加趨勢，但在養護0～48 h內，二者呈線性增加趨勢，隨養護時間持續延長，其變化幅度較平穩;隨凍融循環次數增加，HEC-13試件的質量和動彈性模量均呈下降趨勢，在超過50次后，動彈性模量指標下降趨勢加劇。

【關鍵詞：】橋梁工程;環氧樹脂;環氧樹脂混凝土;級配設計

U416.03A090284

0 引言

目前，我國橋梁建設正處于高質量發展時期，截止到2019年年末，全國公路橋梁達到87.83萬座。伸縮縫裝置在橋梁連接部位起到特殊作用，且容易產生破壞，不僅影響行車安全，嚴重情況下還會危害橋梁結構，因此開展對橋梁伸縮縫方面的研究具有重要意義。王信剛等采用環氧樹脂材料對水泥混凝土裂縫進行滲透修復研究，分析了不同類型環氧樹脂的使用效果，提出溫度變化、裂縫寬度等因素與修復效果的關系[1]。孫楊勇等研發改性樹脂橋梁伸縮縫修復料（MRK），并在廣清高速公路某匝道連接線上開展了應用，驗證了材料的可使用性和耐久性[2]。常利采用粉煤灰、水泥及添加劑制備地聚物修復材料，用于橋梁伸縮縫修復，并開展了一系列性能驗證，為橋面伸縮縫修復應用提供了新的方向[3]。蔣玉川等研究了粗骨料間距系數與自密實混凝土的坍落擴展度、流動時間之間的關系，提出了自密實混凝土的粗骨料間距系數的適應范圍，且該指標對力學抗壓強度指標影響較小[4]。譚哲等利用微觀手段研究了石墨烯材料對環氧樹脂混凝土抗滲性能影響規律，分析石墨烯材料與環氧樹脂的結構組成，提出石墨烯摻量濃度過高會導致環氧樹脂混凝土抗滲性能下降的原理[5]。

綜上所述，橋梁伸縮縫位置的特殊性導致其在運營過程中易出現疲勞破壞，普遍出現表面裂縫或脫落現象，而針對該問題的研究成果主要涉及修復材料方面。本文通過采用環氧樹脂膠結料制備高性能環氧樹脂混凝土，并對其開展配合比優化設計與性能驗證，為其推廣應用提供技術支持。

1 原材料及級配設計

1.1 原材料

試驗選擇玄武巖集料，分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm四檔。環氧樹脂選擇江陰萬千化學品有限公司生產的WSR618（E51）型環氧樹脂，相關試驗結果見表1～3。

1.2 級配設計

高性能環氧樹脂混凝土（HEC-13）采用集料公稱最大粒徑為13.2 mm，其礦料級配依據瀝青混合料SMA-13范圍，采用馬歇爾礦料級配設計方法，各檔礦料比例為礦粉∶0～3 mm∶3～5 mm∶5～10 mm∶10～15 mm∶=8∶21∶18∶28∶25。合成級配設計見圖1。

2 最佳膠石比優化分析

膠石比（環氧樹脂質量占礦料總質量比例）對環氧樹脂混凝土各項性能均存在顯著影響，在最佳膠石比條件下混凝土才能保證良好的性能。本文依據前期研究成果，采用力學抗壓強度指標分析不同膠石比（6%、7%、8%、9%）下力學性能變化規律。試驗參數為：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體，標準養護的環境為溫度20 ℃±2 ℃，濕度≥95%，養護時間為24 h;60 ℃養護的環境為溫度60 ℃±2 ℃，濕度≥95%，養護時間為18 h。試驗結果見圖2～3。

由圖2～3可知：

（1）膠石比變化對力學性能存在顯著影響，隨膠石比增加，抗壓強度指標呈先增加后下降趨勢，且不同養護條件下抗壓強度指標變化存在一定的差異。不同養護條件下，HEC-13的抗壓強度均在膠石比為8%時達到最大值，分別為36.9 MPa和89.3 MPa。60 ℃養護下的抗壓強度值遠高于標準養護，約為標準養護的2.0～2.5倍，對HEC-13的早期抗壓強度形成有利，有助于工程提前通車運營。膠石比為7%、8%、9%時，60 ℃養護抗壓強度指標分別提高了約129.2%、142.0%、144.1%。

（2）極限變形隨膠石比增加呈增加趨勢，養護條件對極限變形指標也存在較大影響，尤其在60 ℃養護環境下，極限變形受膠石比影響更為顯著，在膠石比為8%～9%時，極限變形呈較大幅度增加。在標準養護下，不同膠石比間的極限變形幅度較小，膠石比為8%、9%時分別增加了4.7%、5.6%（與膠石比6%相比）。

（3）隨膠石比增加，HEC-13試件質量呈先增高后下降的變化趨勢，與抗壓強度指標變化規律相一致。在膠石比為8%時，試件質量存在最大值2 673 kg，說明高性能環氧樹脂混凝土與水泥混凝土材料相接近，在級配良好情況下，膠石比變化對礦料的分布狀態存在影響，只有在最佳膠石比條件下，HEC-13環氧樹脂混凝土材料的密實狀態最佳。

（4）為進一步分析HEC-13的早期力學性能變化，在標準養護條件下提高早期強度，研究分析了不同促凝劑摻量變化對抗壓強度指標影響，即膠石比為8%，標準養護條件下，時間為12 h和24 h，促凝劑摻量為WSR618（E51）環氧樹脂時的質量比，結果見圖4。由圖4分析可知，促凝劑能夠顯著改善HEC-13的力學性能，隨促凝劑摻量增加，抗壓強度指標均呈增加趨勢，尤其早期強度提高更為顯著。養護12 h時，促凝劑摻量為0.5%、1.0%、1.5%的抗壓強度指標分別提高了63.9%、141.7%、161.1%;而養護24 h的抗壓強度指標分別提高了5.2%、7.4%、9.5%。

3 骨料間距系數指標分析90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086

對于剛性材料，其力學性能的優劣與集料性質、礦料骨架結構、膠結料性能等存在直接關系。相關研究發現在上述其他條件一定的情況下，礦料級配的變化是對其力學性能影響的關鍵因素之一，內部結構的嵌擠狀態越好，其混合料的承載能力越強，力學抗壓強度越大。本文利用骨料間距系數指標[4]對上述4個膠石比下環氧樹脂混凝土內部礦料分布狀態進行分析，試驗結果見圖5。分析可知，隨膠石比增加，骨料間距系數呈逐漸增加趨勢。對于HEC-13而言，環氧樹脂摻量越大，促使內部結構中粗集料之間的間距越大，如膠石比為7%、8%、9%時，骨料間距系數分別增加了57.5%、163.8%、258.4%。依據礦料級配設計原理，環氧樹脂混凝土要產生良好的性能，需要礦料級配形成密實嵌擠結構，粗集料形成骨架結構，逐檔細集料再進行填充，保證內部結構的密實度。因此，結合力學抗壓性能指標，確定HEC-13的最佳膠石比為8%。

4 長期力學性能分析

橋梁伸縮縫傳統的修復材料，在正常運營過程中常出現脫落、裂縫等現象，且在復雜環境中易出現疲勞破壞，因此橋梁伸縮縫的使用壽命與修復材料的長期力學性能密切相關。本文結合上述確定的最佳膠石比8%、促凝劑摻量1%，通過改變養護時間以研究其對長期力學性能影響。依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GBT50081-2019）中的試驗方法，抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗結果見圖6。

由圖6可知：

（1）養護時間對抗壓強度指標具有顯著影響，對HEC-13的早期力學性能影響顯著，尤其在0～48 h。而隨養護時間持續延長，其抗壓強度變化幅度較平穩。與養護12 h相比，養護48 h（2 d）的抗壓強度值增加了約714.2%，養護168 h（7 d）的抗壓強度值增加了約812.3%。這說明高性能環氧樹脂混凝土的力學性能主要在養護前期即48 h內形成（24 h內強度達到40 MPa以上），而隨時間延長，力學強度上升空間有限。

（2）抗折強度隨養護時間增加也呈增加趨勢，與抗壓強度變化規律相一致。其強度形成基本在48 h內，但抗折強度在7 d的增加幅度大于抗壓強度，約為888.2%，28 d的抗折強度變化幅度為9.1%（與養護12 h相比），這與雙組分環氧樹脂材料的固化原理理論分析結果相接近。

5 抗凍性能分析

HEC-13的抗凍性是耐久性的關鍵指標之一，也是判斷其使用壽命的關鍵因素，材料能夠抵抗低溫結冰破壞才能保證良好的完整性。抗凍性試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT50082-2009）中的快凍法，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，循環次數為25次、50次、100次。試驗結果見圖7。

由圖7可知：

（1）隨凍融循環次數增加，HEC-13試件的質量和動彈性模量均呈下降趨勢，試件質量下降說明凍融循環后出現了剝離破壞，造成試件表面脫落。這與高性能水泥混凝土發生凍融破壞現象相一致。循環50次、100次時，試件質量分別下降了0.111%、0.172%，動彈性模量下降了1.28%、4.96%。說明循環凍融對HEC-13的動彈性模量劣化程度高于試件質量損失，動彈性模量的劣化勢必造成力學性能的降低。

（2）對于動彈性模量指標，在凍融循環25～50次時，其劣化程度相接近，約為0.96%～1.28%;而超過50次后，動彈性模量指標呈直線下降，循環100次的劣化程度遠大于50次。這說明HEC-13試件的抗凍性能隨循環次數的增加而呈劣化加劇狀態，一旦超過材料的抗凍臨界點，其使用壽命將大大縮短。

6 結語

（1）HEC-13配合比設計過程中，以抗壓強度指標為主，試件質量和骨料間距系數指標為輔，可綜合確定最佳膠石比和促凝劑材料摻量，礦料級配范圍可參考SMA-13級配。

（2）隨膠石比增加，抗壓強度、試件質量均呈先增加后下降趨勢，骨料間距系數持續增加，且骨料間距系數增加幅度遠大于抗壓強度變化幅度。

（3）隨養護時間增加，抗壓強度、抗折強度均持續增加，在養護0～48 h內，二者呈線性增加趨勢，但隨養護時間持續延長，其變化幅度較平穩。隨凍融循環次數增加，HEC-13試件的質量和動彈性模量均呈下降趨勢，在超過50次后，動彈性模量指標下降趨勢加劇。

參考文獻：

[1]王信剛，周 鎮，趙 華，等.環氧樹脂修復水泥基材料微裂縫的滲透機理[J].建筑材料學報，2021（6）：1 200-1 207.

[2]孫楊勇，尹昌宇，周柏瑾.改性樹脂修復材料MRK在橋梁伸縮縫中的應用[J].中外公路，2015，35（3）：293-295.

[3]常 利.地聚合物基橋面伸縮縫混凝土制備及性能研究[J].公路，2017，62（10）：229-233.

[4]蔣玉川，王 陽，許金娥.粗骨料對自密實混凝土流變性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，2017（3）：5-8.

[5]譚 哲，郭思瑤，趙鐵軍，等.石墨烯增強環氧樹脂涂層對混凝土與SHCC的抗滲性能研究[J].混凝土，2020（10）：126-130.90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086