基于緊密堆積理論的環(huán)氧混凝土配合比設(shè)計(jì)

單俊鴻，張 凱,，王稷良

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

環(huán)氧混凝土是以環(huán)氧樹脂部分或完全替代水泥，加入適量固化劑、增韌劑等助劑，與砂石骨料拌合均勻后固化成型的一種高強(qiáng)、早強(qiáng)、力學(xué)性能和耐久性能都非常優(yōu)異的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料[1]。環(huán)氧混凝土適用于橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)，但由于環(huán)氧樹脂成本較高，配合比設(shè)計(jì)及施工工藝復(fù)雜，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。工程中橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土常用C50水泥混凝土或鋼纖維混凝土[2]。然而水泥混凝土與鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度值較低，研究表明[3-4]，當(dāng)車輛超速或超載行駛通過(guò)橋梁伸縮縫時(shí)，部分過(guò)渡區(qū)混凝土結(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值超過(guò)C50水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.64 MPa，易發(fā)生強(qiáng)度破壞。CF50鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值約4 MPa，提高有限。當(dāng)前，環(huán)氧混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法仍無(wú)定論。左聯(lián)等[1]通過(guò)研究固化劑用量及砂石用量對(duì)環(huán)氧混凝土強(qiáng)度的影響得到合適的配合比；李曉周[5]、張冠群[6]通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)，以立方體抗壓強(qiáng)度為表征，確定了環(huán)氧混凝土的配合比，他們都沒(méi)有考慮骨料級(jí)配的優(yōu)化。周梅等[7]雖然對(duì)級(jí)配進(jìn)行了優(yōu)化，但應(yīng)用的級(jí)配曲線沒(méi)有包括細(xì)顆粒骨料對(duì)混凝土工作性能的影響。盡管多數(shù)研究采用的細(xì)骨料屬于II區(qū)中砂，粗骨料為連續(xù)級(jí)配，但由于骨料堆積方式的不合理[8]，會(huì)造成骨料間空隙率較大，浪費(fèi)膠凝材料。因此，對(duì)骨料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化十分必要。

緊密堆積理論可以降低骨料的空隙率，減少膠凝材料的用量，進(jìn)而節(jié)約成本。不僅如此，降低骨料的空隙率還可以改善混凝土的工作性、提高混凝土的力學(xué)性能及耐久性能[9]。修正后的Andreasen&Andersen(MAA)模型充分考慮了骨料顆粒之間的相互作用以及細(xì)小顆粒骨料對(duì)混凝土工作性的影響，在配制混凝土方面應(yīng)用廣泛[10-11]。為此，本文通過(guò)試驗(yàn)與理論研究，設(shè)計(jì)了一種骨料級(jí)配最優(yōu)且抗拉性能最好的環(huán)氧混凝土。首先，利用緊密堆積理論中的MAA模型計(jì)算不同分布系數(shù)對(duì)應(yīng)的骨料級(jí)配，依次稱量計(jì)算，根據(jù)Fuller最大密度理論，選出堆積密度最大，即堆積空隙率最小的級(jí)配作為最優(yōu)級(jí)配[8]；其次，以3 d劈裂抗拉強(qiáng)度為表征，通過(guò)正交試驗(yàn)確定環(huán)氧混凝土合適的配合比；最后，對(duì)比分析級(jí)配優(yōu)化前后環(huán)氧混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度及微觀形貌，表明級(jí)配優(yōu)化的重要性。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂為雙酚A型E-44環(huán)氧樹脂，環(huán)氧當(dāng)量210～230 g/mol；固化劑為酚醛胺T-31固化劑，胺值460～480 mg KOH/g；增韌劑為油性環(huán)氧樹脂增韌劑；砂為河砂，細(xì)度模數(shù)2.87，中砂，級(jí)配符合II區(qū)要求，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1；碎石為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1；水泥為P·I型42.5級(jí)硅酸鹽水泥；石灰石粉、石英粉為400目粉體顆粒。

表1 骨料物理性能指標(biāo)Tab.1 Physical performance index of aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

(1) MAA模型：修正后的Andreasen & Andersen模型，如式(1)所示。

(1)

式中：CPFT—比粒徑D小的累計(jì)篩余量，%；Dmax—顆粒系統(tǒng)中最大粒徑，16.0 mm；Dmin—顆粒系統(tǒng)中最小粒徑，0.160 mm；D—當(dāng)前計(jì)算的顆粒粒徑，取篩孔相對(duì)應(yīng)的骨料粒徑，mm；q—分布系數(shù)，取值范圍在0.21～0.37之間。(研究顯示[12]，當(dāng)骨料為理想圓形，q在0.37附近時(shí)，空隙率取得最小值；而實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)所用骨料系統(tǒng)確定q值[10]。)

(2) 緊密堆積密度、緊密堆積空隙率(簡(jiǎn)稱緊堆密度、緊堆空隙率)按GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》進(jìn)行測(cè)試。

(3) 坍落度按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

(4) 劈裂抗拉強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。試件采用邊長(zhǎng)為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)(溫度(23±2)℃，相對(duì)濕度(50±5)%)至指定齡期，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度均控制為0.08 MPa/s，而立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度控制為0.8 MPa/s，取3個(gè)測(cè)值的算術(shù)平均值作為相應(yīng)的強(qiáng)度值。

(5) 微觀形貌分析采用Zeiss Supra 55型場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電鏡測(cè)試，測(cè)試電壓3 kV。試樣從破碎試塊中選取表面平整，斷面面積約100 mm2、厚度約2 mm的均勻薄片，做噴金處理。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 基于MAA模型的級(jí)配設(shè)計(jì)

對(duì)砂石骨料運(yùn)用MAA模型計(jì)算不同分布系數(shù)q(在0.21～0.37間以0.02為間隔，選擇9組分布系數(shù))對(duì)應(yīng)各粒徑的分計(jì)篩余，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 砂石骨料分計(jì)篩余Tab.2 Sieve residue of aggregate

Fuller最大密度理論認(rèn)為當(dāng)骨料的堆積密度最大時(shí)，堆積空隙率最小，此時(shí)的骨料級(jí)配和堆積方式最合理。因此，按照表2計(jì)算結(jié)果依次稱量各粒徑骨料，裝滿10 L的容量筒，參照GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》，按式(2)、(3)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 緊堆空隙率Tab.3 Compact packing porosity

(2)

式中：ρ1—砂石的緊密堆積密度，kg/m3；m1—砂石的緊密堆積質(zhì)量，kg；V—容量筒的容積，m3。

(3)

式中：p1—砂石的緊堆空隙率，%；ρ0—砂石的表觀密度，kg/m3。

由表3可以看出隨著分布系數(shù)q的減小，緊堆密度先增大后減小，而緊堆空隙率先減小后增大。為了更直觀地分析緊堆空隙率的變化情況，繪制緊堆空隙率與分布系數(shù)二者之間的點(diǎn)線圖，如圖1所示。

圖1 緊堆空隙率-分布系數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between compact packing porosity and distribution coefficient

由圖1可見(jiàn)，隨著分布系數(shù)減小，砂率逐漸增大，粗骨料之間的空隙逐漸被細(xì)骨料填充密實(shí)，緊堆空隙率呈減小趨勢(shì)；當(dāng)分布系數(shù)為0.31，對(duì)應(yīng)砂率為60.2%時(shí)，粗骨料之間的空隙已完全被填充密實(shí)，空隙率最小為22.23%，根據(jù)Fuller最大密度理論，此時(shí)的級(jí)配即為最優(yōu)級(jí)配；當(dāng)砂率再增大，細(xì)骨料過(guò)多，而細(xì)骨料之間的空隙沒(méi)有更小的顆粒填充，導(dǎo)致緊堆空隙率增大。因此，選用分布系數(shù)為0.31時(shí)對(duì)應(yīng)的砂石骨料各粒徑摻量，如表4所示。

表4 不同骨料粒徑摻量Tab.4 Dosage of different aggregate sizes

2.2 配合比的設(shè)計(jì)

配合比的設(shè)計(jì)主要考慮以下四個(gè)方面：(1)環(huán)氧樹脂膠黏劑配合比的確定，按m(環(huán)氧樹脂):m(固化劑):m(增韌劑)=20∶5∶1配制；(2)骨膠比(m(骨料):m(環(huán)氧樹脂))的確定，制備骨膠比為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0的五組混凝土拌合物，通過(guò)測(cè)試其坍落度(圖2)，并觀察其流動(dòng)性和粘聚性，初選骨膠比的大致范圍，再通過(guò)正交試驗(yàn)確定最適合的骨膠比；(3)填料種類的選擇，將水泥、石灰石粉、石英粉分別作為填料，通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選；(4)填膠比(m(填料):m(環(huán)氧樹脂))的確定，通過(guò)正交試驗(yàn)，在填膠比為0.6、0.8、1.0三者中優(yōu)選。

圖2 坍落度-骨膠比關(guān)系Fig.2 Relationship between slump and bone-binder ratio

由圖2可見(jiàn)，隨著骨膠比的增大，坍落度值逐漸減小。骨膠比為5.0、5.5的兩組拌合物，骨料能被環(huán)氧樹脂膠黏劑充分包裹潤(rùn)濕，坍落度值較大，拌合物的流動(dòng)性和粘聚性都非常好，骨膠比為5.0時(shí)，環(huán)氧樹脂摻量略多；骨膠比為6.0、6.5的兩組拌合物，骨料基本能被環(huán)氧樹脂膠黏劑包裹潤(rùn)濕，坍落度值較小，粘聚性較好，骨膠比為6.5的拌合物流動(dòng)性較差；當(dāng)骨膠比增大至7.0時(shí)，拌合物有部分骨料不能被環(huán)氧樹脂膠黏劑包裹潤(rùn)濕，坍落度值最小，流動(dòng)性和粘聚性也最差。因此，骨膠比的初選范圍為5.0～6.0。

本文研制的環(huán)氧混凝土主要用于橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)，而拉應(yīng)力過(guò)大是橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)混凝土強(qiáng)度破壞的主要因素，因此以3 d劈裂抗拉強(qiáng)度作為表征，優(yōu)選劈裂抗拉強(qiáng)度的最大值，直觀分析結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析Tab.5 Visual analysis of orthogonal test results

從直觀分析的結(jié)果可以看出骨膠比為影響環(huán)氧混凝土3 d劈裂抗拉強(qiáng)度最主要的因素，之后依次是填料種類與填膠比。隨著骨料用量或填料用量的增加，環(huán)氧混凝土3 d劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)水泥作為環(huán)氧樹脂混凝土的填料時(shí)，抗拉強(qiáng)度值更高，一方面由于水泥與砂都屬于剛性顆粒狀填料，當(dāng)二者均勻分散在環(huán)氧樹脂中時(shí)，可以起到“骨料增強(qiáng)”的作用[13]；另一方面由于水泥具有吸濕性，提高了環(huán)氧樹脂膠黏劑的黏度[14]。綜合來(lái)看，A2B2C1為最優(yōu)配合比，即在級(jí)配優(yōu)化后，各粒徑骨料摻量一定的條件下，選擇骨膠比為5.5、水泥作為填料且填膠比為0.8時(shí)制得的環(huán)氧混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值最高。

方差分析通常將空白列作為誤差列，當(dāng)某因素的偏差平方和小于等于空白列的偏差平方和時(shí)，應(yīng)將其歸入誤差，構(gòu)成新的誤差[15]。本試驗(yàn)中，填膠比的偏差平方和0.227小于空白列的偏差平方和0.485，因此，方差分析時(shí)的誤差所在列選擇空白列與填膠比列。方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.6 Variance analysis of orthogonal test results

方差分析的結(jié)果表明在研究的三個(gè)因素中，骨膠比是影響環(huán)氧混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的主要因素，并且影響顯著，而填料種類與填膠比是次要影響因素。通過(guò)方差分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了直觀分析結(jié)果。

綜合正交試驗(yàn)結(jié)果，確定環(huán)氧混凝土的配合比為:m(環(huán)氧樹脂)∶m(固化劑)∶m(增韌劑)∶m(砂石骨料)∶m(水泥)=20∶5∶1∶110∶16，其中骨料各粒徑的摻量如表4所示。

2.3 性能評(píng)價(jià)

按正交試驗(yàn)確定的配合比m(環(huán)氧樹脂)∶m(固化劑)∶m(增韌劑)∶m(砂石骨料)∶m(水泥)=20∶5∶1∶110∶16，將骨料的粒徑分布作為單一變量制備兩組立方體試件，其中一組骨料不進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，僅按照骨膠比5.5，骨料中砂率為60.2%稱量拌制；而另一組骨料嚴(yán)格按表4依次計(jì)算稱量拌制。將試件養(yǎng)護(hù)至指定齡期，測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 立方體抗壓強(qiáng)度—齡期關(guān)系Fig.3 The relationship between cube compressive strength and age

由圖3可見(jiàn)，級(jí)配優(yōu)化后環(huán)氧混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有明顯提高，3 d抗壓強(qiáng)度增加了2.17 MPa，提高了2.5%；7 d抗壓強(qiáng)度增加了2.08 MPa，提高了2.3%；14與28 d抗壓強(qiáng)度則分別提高了2.6%、2.9%。級(jí)配優(yōu)化后3 d的抗壓強(qiáng)度值與級(jí)配未優(yōu)化7 d的抗壓強(qiáng)度值非常接近，表明級(jí)配優(yōu)化后，隨著環(huán)氧混凝土密實(shí)度的提高，抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)提升。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，骨料級(jí)配優(yōu)化前后，立方體抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)的趨勢(shì)基本相同。齡期從3 ～7 d變化時(shí)，環(huán)氧混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅較大，而7 d之后抗壓強(qiáng)度隨齡期變化趨于平緩。根據(jù)前期試驗(yàn)，環(huán)氧樹脂在固化3 d時(shí)已接近完全固化，可見(jiàn)環(huán)氧混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于環(huán)氧樹脂的固化程度，當(dāng)環(huán)氧樹脂完全固化，環(huán)氧混凝土的抗壓強(qiáng)度基本不再隨齡期而變化。

2.4 微觀形貌分析

對(duì)比級(jí)配優(yōu)化前后環(huán)氧混凝土的微觀形貌，結(jié)果如圖4所示。

從圖4 (a)與圖4 (c)中可以發(fā)現(xiàn)骨料級(jí)配未優(yōu)化的環(huán)氧混凝土，內(nèi)部存在較多的有害缺陷。在受力變形時(shí)，缺陷處易形成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致拉應(yīng)力過(guò)大而破壞，產(chǎn)生更多新裂紋。環(huán)氧樹脂在骨料及水泥表面有部分團(tuán)聚現(xiàn)象[16]，體系不均勻。從圖4 (b)與圖4 (d)中可以看出骨料級(jí)配優(yōu)化后的環(huán)氧混凝土，環(huán)氧樹脂顆粒在骨料與水泥之間滲透成聚合物薄膜，水泥與骨料之間原有的疏松多孔的過(guò)渡界面[17]不再明顯，整體的致密性更高，內(nèi)部的黏結(jié)力更強(qiáng)。斷面的缺陷明顯減少，裂紋寬度變小，團(tuán)聚現(xiàn)象有所改善，整個(gè)體系均勻且連續(xù)，因此抗壓強(qiáng)度更高。

圖4 環(huán)氧混凝土級(jí)配優(yōu)化前后SEM結(jié)果Fig.4 SEM results of epoxy concrete before and after gradation optimization

3 結(jié)論

1)通過(guò)MAA模型及Fuller最大密度理論，當(dāng)分布系數(shù)為0.31時(shí)，骨料空隙率最小為22.23%，達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。

2)骨膠比對(duì)環(huán)氧混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度具有顯著性影響，綜合環(huán)氧混凝土的工作性能和正交試驗(yàn)結(jié)果，確定最優(yōu)骨膠比為5.5。

3)與石灰石粉和石英粉相比，水泥作為填料摻入環(huán)氧混凝土?xí)r，具有明顯的吸濕性，提高了環(huán)氧膠黏劑的黏度，顯著提高了環(huán)氧混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

4)通過(guò)SEM微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)級(jí)配優(yōu)化的環(huán)氧混凝土體系更加均勻致密，消除了內(nèi)部原有的缺陷，有效提高了環(huán)氧混凝土的力學(xué)性能。