環氧乳液摻量對UHTCC修復材料不同性能的影響研究

楊元鄭,焦曉東

(1.廣西桂通工程管理集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

“十三五”以來,隨著國家交通強國、西部陸海新通道等戰略的實施,廣西區內的交通基礎設施建設迎來大發展,尤其是公路建設領域,截至目前廣西公路總里程已>14.5萬km,其中高速公路總里程已突破8 000 km,實現了“縣縣通高速”。廣西多山的地勢導致在公路的建設過程中橋梁占比較高,橋梁伸縮縫作為連接橋梁結構的重要組成部分,其在運營過程中因汽車荷載、氣候等因素的復雜性經常會出現錨固區混凝土損壞的情況,大大降低了伸縮縫的服役壽命[1]。伸縮縫錨固區的混凝土通常為C50等級的普通水泥混凝土,具有抗壓性能優異但抗拉性能差、脆性大的特點,這使其在溫度應力和動載荷作用下容易發生開裂,同時研究發現隨著混凝土抗壓強度的提升,混凝土的脆性也隨之增大,這為高強混凝土在橋梁結構領域的應用帶來了局限[2]。

1993年美國密歇根大學Li Victor C開發的工程水泥基復合材料(Engineered cementitious composites,ECC),在我國被稱為超高韌性水泥基復合材料(Ultra-high toughness cementitious composites,UHTCC)[3]。其由水泥、細硅砂、粉煤灰、聚合纖維、水和高效減水劑組成,其優異的拉伸性能主要是通過纖維和基體之間的相互作用來實現的,是一種基于微觀力學調控的高性能纖維增強水泥基復合材料[4-6]。近年來研究者發現使用聚合物改性的新型混凝土和砂漿用作修補材料,同普通水泥砂漿相比,具有優異的力學性能和抗凍融、抗氯離子、抗碳化和抗化學腐蝕性能等耐久性能,因此各類聚合物被引入混凝土材料體系作為性能增強材料[7-10]。部分學者研究發現[11-13],環氧類物質可以有效改善材料的粘結性能,以提高纖維與基體之間的界面結合力。但是,相關報道多集中于單一環氧乳液作用下UHTCC的拉伸性能,且不同文獻結果存在差異。因此,需要更為廣泛的研究工作,以探索聚合物在UHTCC中的作用機制。

本文通過引入不同類型的環氧乳液,并調整環氧乳液的摻量,研究環氧乳液對UHTCC不同性能的影響,以期為此類材料在橋梁伸縮縫維修養護方面提供新的應用思路。

1 試驗

1.1 原材料

(1)水泥等級為P.O42.5R,密度為3.1 g/cm3,其基本性能見表1。

表1 水泥性能表

(2)粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰,比表面積為3 850 cm2/g,密度為2.8 g/cm3;微珠為粉煤灰微珠,比表面積為4 030 cm2/g;硅灰為重慶某公司生產,SiO2占比>94%,比表面積為10 900 cm2/g。

(3)細骨料為南寧某石英砂廠生產的38μm(400目)石英粉。

(4)外加劑為廣西某公司生產的ZJ13型減水劑,減水率為27%。環氧乳液為盛禧奧聚合物有限公司生產的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型環氧乳液,固含量(質量分數)為47%。

(5)聚乙烯醇(PVA)纖維為重慶川維石化有限公司生產,其性能如表2所示。

表2 PVA纖維性能表

1.2 試驗的配合比設計

試樣的基準配合比設計如表3所示,環氧乳液改性UHTCC修復材料的配合比設計如表4所示,K1、K2、K3試樣分別代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型環氧乳液摻量為2%;K3、K4、K5、K6、K7試樣代表Ⅲ型環氧乳液摻量分別為2%、3%、4%、5%、6%。其中,PVA纖維的摻量為混合料體積的占比,其他材料摻量均以水泥的質量為基準,改性UHTCC的水膠比、砂膠比、粉煤灰、硅灰、微珠、減水劑以及PVA用量與基準配合比相同。

表3 UHTCC修復材料基準配合比表

表4 改性UHTCC修復材料的配合比表

1.3 試樣的制備與測試方法

將水泥、粉煤灰、微珠以及石英砂按照順序依次加入攪拌機中,攪拌120 s至干粉混合均勻,然后加入水、減水劑和環氧乳液,拌和180 s后加入PVA,高速攪拌240 s至拌和均勻,成型不同尺寸的試件,24 h后脫模,放入標準養護箱中養護至相應測試齡期。

性能測試:(1)拌和物的工作性能測試依據為《普通混凝土拌和物性能試驗方法》(GB/T 50080-2016)測試;(2)試件的抗壓強度測試依據為《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002);(3)試樣的彈性模量與軸向拉伸強度測試依據為《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019);(4)試樣的抗滲性能測試依據為《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)。

2 結果分析

2.1 工作性能

圖1所示為拌和漿體的工作性能測試結果,橋梁伸縮縫錨固區混凝土修復材料施工中的坍落度通常要求>120 mm,從圖1可以看出,所有配合比修復材料的坍落度均>200 mm,能夠達到自密實自流動的效果,滿足其施工要求。同時K1試樣(Ⅰ型環氧乳液)和K2試樣(Ⅱ型環氧乳液)相比基準K0(未添加環氧乳液)試樣,UHTCC修復材料的坍落度略有提升,而K3試樣(Ⅲ型環氧乳液)會明顯降低拌和物的工作性能,2%摻量下的坍落度和擴展度僅有245 mm、500 mm,遠低于基準K0(未添加環氧乳液),但隨著Ⅲ型環氧乳液摻量(K3～K7試樣)從2%增加至6%,材料的坍落度和擴展度均在增加,這表明不同類型的環氧乳液對UHTCC修復材料工作性能有著不同的作用效果,其中Ⅰ型和Ⅱ型環氧乳液兩種環氧乳液可以降低拌和物的黏度,在較低摻量下改善拌和物的工作性能,而Ⅲ型環氧乳液則會增加拌和物的稠度,降低其工作性能,但隨著其摻量的增加,拌和物的工作性能也得到改善。

圖1 UHTCC修復材料的工作性能對比柱狀圖

2.2 抗壓強度

下頁圖2所示為養護至不同齡期時試樣的抗壓強度。抗壓強度是橋梁伸縮縫錨固區混凝土設計時的重要指標。《公路橋梁伸縮裝置》(JT/T 327-2004)中規定橋梁伸縮縫錨固區普通混凝土的強度等級通常為C50以上,即混凝土材料28 d抗壓強度要求為50 MPa以上。從圖2可以看出,所有配合比的UHTCC修復材料的28 d抗壓強度均>60 MPa,滿足設計使用要求。

圖2 UHTCC修復材料試樣的抗壓強度對比柱狀圖

從圖2還可以看出,添加環氧乳液的UHTCC修復材料抗壓強度隨著養護齡期的延長而增加,但是與基準試樣K0(未添加環氧乳液)相比,其抗壓強度大幅度下降。這可能是在引入環氧乳液的同時,增大了膠凝材料體系的水膠比,同時破壞了試樣整體結構的均一性。當Ⅲ型環氧乳液摻量(K3～K7試樣)從2%增加至6%時,材料在各個齡期的抗壓強度均呈現出先降低后增加的趨勢,當摻量為4%時,試樣(K5)的抗壓強度最低,這說明Ⅲ型環氧乳液對于材料抗壓強度的影響存在一個閥值。而在環氧乳液摻量均為2%的條件下,當養護齡期為3 d時,添加Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三種環氧乳液試樣(K1～K3)的抗壓強度相比基準試樣K0(未添加環氧乳液)分別降低為11.6%、14.3%、16.1%。而在養護至7 d及28 d齡期時,三種試樣的變化趨勢發生了改變,K3試樣(Ⅲ型環氧乳液)的抗壓強度高于K1試樣(Ⅰ型環氧乳液)與K2試樣(Ⅱ型環氧乳液)。表明不同類型的環氧乳液對UHTCC的抗壓強度的作用效果存在差異,可能是因為環氧乳液與膠凝材料形成了包覆體系,導致被包覆的顆粒水化延緩或者終止,增加了水化產物之間的微觀距離,從而使試樣的抗壓強度降低,而Ⅲ型環氧乳液其作用機理同Ⅰ型、Ⅱ型存在差異,作用效果減弱,使后期的強度發展較快[14-15]。

2.3 彈性模量

彈性模量是UHTCC修復材料作為橋梁伸縮縫錨固區病害修復研究的重要內容之一,是模擬實際道路車輛荷載下錨固區材料抵抗破壞的重要參數。其彈性模量測試結果如圖3所示。與基準組試樣K0(未添加環氧乳液)相比,添加不同種類和摻量的環氧乳液后,各組(K1～K7)試樣的彈性模量均出現不同程度的增加,這主要是因為有機-無機交聯結構的形成,試樣中吸收能量的機制增多,試樣在彈性變形階段所能承載的載荷增加,從而使得試樣的彈性模量增大,抵抗破壞的能力增強。

圖3 UHTCC修復材料試樣的彈性模量對比柱狀圖

2.4 抗滲性

采用電通量法進行混凝土抗氯離子滲透性評價,電通量越小,說明材料的抗滲能力越優異。如圖4所示為養護至28 d時試樣的電通量,分析試驗結果發現,與基準組K0(未添加環氧乳液)試樣相比,在添加環氧乳液后試樣的電通量下降明顯,這說明環氧乳液的添加增強了UHTCC修復材料的抗滲性能。主要是由于隨著環氧乳液的添加,UHTCC修復材料體系中的有機-無機交聯結構以及乳液形成的膜結構降低了內部水分的蒸發,抑制了部分有害毛細孔的產生,從而減少了氯離子在材料內部的遷移通道,增強了材料抗氯離子滲透的能力。同時還可以發現添加三種環氧乳液試樣的電通量相差較小,表明三種環氧乳液的作用效果相當。增加Ⅲ型環氧乳液的摻量,發現K4、K5、K6以及K7試樣的電通量在141 C左右,并無明顯的變化趨勢,這表明在6%摻量范圍內,增加Ⅲ型環氧乳液的摻量對試樣的抗氯離子滲透性能影響較小。

圖4 UHTCC修復材料試樣的電通量對比柱狀圖

3 結語

通過添加環氧乳液對UHTCC性能影響的系列研究,得到以下結論:

(1)不同類型的環氧乳液對UHTCC性能的影響存在差異,2%摻量的Ⅰ型、Ⅱ型環氧乳液均可以提升UHTCC的工作性能,而Ⅲ型環氧乳液在摻量較高時才對UHTCC工作性能起到提升效果。

(2)在UHTCC中添加環氧乳液會引起其抗壓強度不同幅度的下降,但是可增強UHTCC的彈性模量,提高其抵抗外界荷載破壞的能力。同時,適宜摻量的環氧乳液可以改善材料的抗氯離子滲透性能。

(3)選擇合適類型和摻量的環氧乳液會對UHTCC的力學性能以及耐久性能起到改善作用,可大大提升伸縮縫錨固區混凝土病害的修復效果,提升其運營期間的壽命。