不飽和聚酯樹脂混凝土性能優(yōu)化及抗凍性

劉佩璽,劉恒安,劉福勝,李文超,*,溫福勝

不飽和聚酯樹脂混凝土性能優(yōu)化及抗凍性

劉佩璽1,劉恒安2,劉福勝2,李文超3,2*,溫福勝3

1. 濟寧市水利事業(yè)發(fā)展中心, 山東 濟寧 272100 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 3. 泰山學(xué)院機械與建筑工程學(xué)院, 山東 泰安 271000

不飽和聚酯樹脂混凝土（UPC）較普通混凝土具有強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，適用于復(fù)雜服役環(huán)境，其力學(xué)性能及耐久性研究較少。本文旨在探究粉煤灰摻量對UPC力學(xué)性能的影響及UPC的抗凍性能。本文共設(shè)置五種粉煤灰摻量（0%、5%、10%、15%及20%），分別進行了不同粉煤灰摻量下UPC的抗壓強度試驗、抗折強度試驗及劈裂抗拉強度試驗。試驗結(jié)果表明粉煤灰摻量為10%時，UPC抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度均達(dá)到最大值，因此確定粉煤灰摻量為10%是最優(yōu)摻量。利用SEM對比分析了未摻粉煤灰和煤灰摻量為10%時UPC的微觀結(jié)構(gòu)。對粉煤灰摻量為10%的UPC進行了50次、100次、150次、200次和250次的凍融循環(huán)試驗，結(jié)果表明隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，UPC質(zhì)量損失逐漸增大，力學(xué)性能降低。UPC質(zhì)量損失總體較小，250次的凍融循環(huán)后質(zhì)量僅損失0.37%。力學(xué)性能以劈裂抗拉強度下降最為明顯達(dá)到28.44%，高于抗壓強度（9.77%）和抗折強度（11.71%）的損失率。

混凝土; 性能優(yōu)化; 抗凍性

普通混凝土具有抗拉強度低、抗裂性差、脆性大等缺點，在復(fù)雜、多變的服役環(huán)境中，應(yīng)用受到限制。樹脂混凝土是以樹脂全部或部分替代水泥作為膠粘劑，摻入適量固化劑、偶聯(lián)劑及填料，以砂、石作為骨料，經(jīng)混合、成型、固化而成的一種新型復(fù)合材料[1]。與普通混凝土相比，樹脂混凝土具有高強度、耐腐蝕等優(yōu)點。樹脂混凝土作為新型結(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能優(yōu)化及耐久性能分析是當(dāng)前的研究熱點[2-4]。Haidar M等[5]進行了微聚合物混凝土配比優(yōu)化試驗，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂含量為13%時，力學(xué)性能表現(xiàn)最佳。B?rbut? M等[6]研究了不同摻量的廢棄物飛塵和硅粉對環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能的影響。試驗結(jié)果表明，隨著填料的增加，環(huán)氧樹脂混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度都有不同程度的增加，相較于硅粉，廢棄物飛塵對于環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能的提高有更大的優(yōu)勢。李智超等[7]分析了水泥、氧化鎂、氧化鋁和碳化硼4種填料對環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能的影響，認(rèn)為碳化硼提高環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能幅度最大。陳甜甜等[8]研究了不同長度的玄武巖短切纖維對環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能的影響，玄武巖短切纖維可以提高環(huán)氧樹脂混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度，一定范圍內(nèi)隨著纖維長度的增加，強度不斷增加。

上述研究多基于環(huán)氧樹脂混凝土，本文對性價比更高的不飽和聚酯樹脂混凝土（UPC）開展一系列試驗。分析了粉煤灰摻量對UPC力學(xué)性能的影響，通過微觀結(jié)構(gòu)對比分析影響機理；對UPC抵抗凍融破壞的能力進行了研究。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本次試驗選用不飽和聚酯樹脂，固化劑、偶聯(lián)劑分別采用V388型和KH-570型。本試驗所用粗骨料為3～5 mm的連續(xù)級配的石英砂，細(xì)骨料為0.125～0.85 mm粒徑的石英砂，試驗用粉煤灰為一級粉煤灰。

1.2 試件制備

將樹脂與固化劑偶聯(lián)劑混合攪拌5 min得到不飽和樹脂膠粘劑，將砂石等集料倒入不飽和樹脂膠粘劑混合攪拌8 min，灌入模具中，在振搗臺上振搗20 min，并不斷將表面浮漿抹去。拆模后將其放入80 ℃烘箱固化24 h，得到UPC。

1.3 試驗方法

本次研究依據(jù)GB/T 50081-2019[9]對UPC抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度進行測試。抗壓強度、劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100mm×100mm，抗折強度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。抗壓、劈裂抗拉強度測試采用壓力機進行加載測試，加載速度為1 kN/s。抗折強度采用萬能試驗機進行測試，加載方式為三分點加載，測試工裝如圖，將試件成型時的側(cè)面作為承壓面，支座間跨距為100 mm，加載速度為0.1 kN/min。

圖 1 UPC力學(xué)性能試驗

UPC抗凍性能測試依照GB/T50082-2009[10]，采用“快動法”進行試驗。試驗儀器采用DDR-27型電腦全自動砼快速凍融試驗儀，待試件達(dá)到養(yǎng)護齡期后將試件放入20 ℃±2 ℃水中浸泡4 d，取出試件將表面水分擦拭干凈，對其初始質(zhì)量進行測試。后將試塊放入凍融箱中進行試驗，設(shè)置中心最高溫度為5 ℃±2 ℃，最低溫度為-18 ℃±2 ℃，每次凍融循環(huán)在2 h～4 h內(nèi)完成，每50次循環(huán)對其進行質(zhì)量和力學(xué)性能測試。測試樹脂混凝土質(zhì)量損失率的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，測試抗壓強度、劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰摻量對UPC力學(xué)性能影響

將未摻粉煤灰、粉煤灰摻量為5%、10%、15%及20%的UPC力學(xué)性能測試結(jié)果列入表1并繪制成圖2。

表 1 不同粉煤灰摻量下UPC的力學(xué)性能

圖 2 不同粉煤灰摻量下UPC的力學(xué)性能

由試驗結(jié)果可知，隨粉煤灰摻量的增加UPC抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，粉煤灰摻量為10%時各強度達(dá)到峰值，與未摻入粉煤灰相比，抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度分別提高了15.59%，11.09%，10.53%。三個強度在超過峰值后的下降速度有所不同，抗折強度和劈裂抗拉強度相對于抗壓強度下降較多。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因為粉煤灰填料摻量在0%-10%范圍時，樹脂與粉煤灰填料混合形成顆粒膠體，包裹在骨料表面，增加膠體的有效粘結(jié)面積，降低了孔隙率、增強了骨料間的粘合作用。當(dāng)粉煤灰摻量過量時，UPC和易性變差，UPC內(nèi)部出現(xiàn)分層、離析現(xiàn)象，對其抗折、劈裂抗拉強度影響較大。

2.2 UPC微觀結(jié)構(gòu)

為探究粉煤灰對UPC結(jié)構(gòu)的影響，將未摻粉煤灰及粉煤灰摻量10%的UPC微觀結(jié)構(gòu)掃描(圖3)。

圖 3 不同粉煤灰摻量樹脂混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形貌

由圖3可知，未摻入粉煤灰時，UPC中樹脂與骨料交界處以及樹脂膠粘劑當(dāng)中存在大小不一的孔隙。摻入粉煤灰后可以看到UPC內(nèi)部孔隙因被粉煤灰填充明顯減少，UPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，進而表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。

2.3 UPC抗凍融性能

本次試驗對UPC進行了50、100、150、200及250次的凍融循環(huán)，對比分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)下UPC的外觀變化、質(zhì)量損傷率和力學(xué)性能衰退。

2.3.1 外觀變化

圖 4 UPC凍融循環(huán)前后外觀形態(tài)對比

Fig.4 Resin concrete before and after freezing-thawing cycle

圖4（a）、（b）分別為UPC未凍融和250次凍融循環(huán)下的外觀形態(tài)。由圖4可知，凍融循環(huán)次數(shù)對UPC外觀形態(tài)影響較小，UPC基本未出現(xiàn)任何形紋、碎裂或者集料脫落等現(xiàn)象。

2.3.2 質(zhì)量損失 將凍融循環(huán)對UPC質(zhì)量損失的影響試驗結(jié)果列入表2并繪制成圖5。UPC在經(jīng)歷了250次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量僅損失了0.37%，可見凍融循環(huán)對UPC質(zhì)量損失基本無影響。當(dāng)UPC受到凍脹作用時，樹脂基體網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生變形，吸收應(yīng)變能，因此凍融循環(huán)后UPC依然可以保持原有的外觀形態(tài)，質(zhì)量損失降低。

表 2 凍融循環(huán)對UPC的質(zhì)量損失率的影響

圖 5 凍融循環(huán)對UPC的質(zhì)量損失率的影響

2.3.3 力學(xué)性能將凍融循環(huán)次數(shù)對UPC力學(xué)性能影響列入表3，為便于觀察繪制成圖6。

表 3 凍融循環(huán)對UPC的力學(xué)性能的影響

圖 6 凍融循環(huán)后UPC力學(xué)性能變化

從圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，UPC抗壓、抗折、劈裂抗拉強度損失率逐漸增大。經(jīng)歷250次凍融循環(huán)作用UPC與未經(jīng)凍融循環(huán)UPC相比，抗壓、抗折、劈裂抗拉強度分別下降了9.77%、11.71%、28.44%。綜上可知，凍融循環(huán)作用對UPC劈裂抗拉強度的影響比對抗壓、抗折強度的影響要大。

UPC內(nèi)部孔隙當(dāng)中的水不斷的經(jīng)歷凍脹作用，導(dǎo)致樹脂膠粘劑與骨料的結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷，樹脂與骨料間的粘結(jié)作用下降，最終導(dǎo)致樹脂混凝土強度下降。凍融對劈裂抗拉強度影響較大的原因主要是UPC是一種脆性材料，在受拉過程中，往往出現(xiàn)很小的變形就要開裂，最終造成劈裂破壞。因此凍融循環(huán)作用對UPC劈裂抗拉強度影響要比抗壓強度、抗折強度影響大。

3 結(jié)論

（1）隨著粉煤灰摻量的增加，UPC強度先提高后降低的趨勢，當(dāng)摻量為10%時，抗壓強度、抗折強度及劈裂抗拉強度達(dá)到峰值，與未摻入粉煤灰相比分別提升15.59%、11.09%及10.53%；

（2）通過觀察UPC微觀結(jié)構(gòu)圖片發(fā)現(xiàn)，摻入適量的粉煤灰可以改善UPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低內(nèi)部孔隙，增加密實度；

（3）隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，UPC質(zhì)量損失逐漸增大，總體質(zhì)量損失很小。對其抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度都所有下降，對劈裂抗拉強度影響較大。

[1] 徐蘭洲.樹脂混凝土及其應(yīng)用[J].建筑技術(shù),1991(2):58-60

[2] 王赟,張波,張科強,等.樹脂混凝土制備及力學(xué)性能研究進展[J].硅酸鹽通報,2013,32(10):2079-2083

[3] 金玉杰,肖力光.環(huán)氧樹脂混凝土研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報,2011,28(1):37-40

[4] Hameed AM, Hamza MT. Characteristics of polymer concrete produced from wasted construction materials [J]. Energy Procedia, 2019,157:43-51

[5] Haidar M, Ghorbel E, Toutanji H. Optimization of the formulation of micro-polymer concretes [J]. Construction and Building Materials, 2011,25(4):1632-1644

[6] B?rbut? M, Harja M, Barab I. Comparison of mechanical properties for polymer concrete with different types of filler [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2010,22(7):696-701

[7] 李智超,黃張洪.填料對環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能影響[J].熱固性樹脂,2003(5):16-17,21

[8] 陳甜甜,王麗,王明明,等.短切玄武巖纖維環(huán)氧樹脂混凝土力學(xué)性能試驗研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,34(6):66-69

[9] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,國家市場監(jiān)督管理總局.GB/T50081-2019混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn) [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2019

[10] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性 能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009

Performance Optimization and Frost Resistance of the Unsaturated Polyester Resin Concrete

LIU Pei-xi1, LIU Heng-an2, LIU Fu-sheng2, LI Wen-chao3,2*, WEN Fu-sheng3

1.272100,2.271018,3.271000,

Compared with ordinary concrete, unsaturated polyester resin concrete (UPC) has the advantages of high strength, corrosion resistance and adaptability to complex service environment. However, there are only a few studies related to its mechanical properties and durability performance. This paper aims to explore the influence of fly ash content on the mechanical property and frost resistant performance. In this paper, fly ash content was set to 0%, 5%, 10%, 15% and 20% and compressive strength, flexural strength and splitting tensile strength were tested. According to the results, UPC with fly ash content of 10% showed the highest compressive strength, flexural strength and splitting tensile strength. Therefore, it is determined that 10% of fly ash is the optimal dosage for preparing UPC. SEM was applied to compare and analyze the microstructure of UPC without fly ash and fly ash content of 10% .The results of freeze-thaw test of 50, 100, 150, 200 and 250 cycles carried out on UPC with 10% fly ash content show that the mass loss of UPC gradually increased with the increase of freeze-thaw cycles, leading to decreased mechanical properties. The overall mass loss of UPC was small, and the mass loss was only 0.37% after 250 freeze-thaw cycles. For the mechanical strength, the splitting tensile strength decreased most obviously, reaching 28.44%, which was higher than the loss rate of compressive strength (9.77%) and flexural strength (11.71%).

Unsaturated Polyester Resin Concrete; performance optimization; frost resistance

TU532

A

1000-2324(2022)04-0651-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.023

2022-02-04

2022-04-24

山東省重點研發(fā)計劃(2019GHZ015);中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項目(YDZX20193700004703)

劉佩璽(1978-),男,碩士研究生,高級工程師,研究方向:水工混凝土結(jié)構(gòu). E-mail:43185363@qq.com

Author for correspondence. E-mail:liwch@tsu.edu.cn