环氧树脂快速修复材料的组成设计研究

刘国平

( 中铁十一集团 第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

0 引言

由于自然灾害及人为因素，可导致公路、铁路桥梁破坏，造成交通中断，从而对国民经济或战争结局造成重大不良影响;同时某些重大施工缺陷也可导致后继施工困难、工期拖后，造成经济损失。因此平时自然灾害、战争原因所造成的重要结构物破坏及施工缺陷均需快速修复，以最大程度降低其不良影响。快速修复材料是快速修复施工的物质基础，只有在短时间内能够硬化或固化，并能够充分发展强度的材料，才能保证结构修复后能够尽快承载并在短时间恢复交通。修复材料的组成，可以影响修复材料的结构进而影响其强度发展、强度及弹性模量等重要性能，通过科学方法研究快速修复材料的组成意义重大。

1 试验原材料

(1) 骨料。①粗骨料:4．75 ～9．5 mm、9．5 ～19 mm 单粒级石子( 石灰岩) ，产地:河北石家庄;②细骨料:河砂，筛除大于4．75 mm 及小于0．15 mm 颗粒，细度模数2．4，表观密度2．610 kg/m3，松堆密度1 430 kg/m3，紧堆密度1 550 kg/m3，产地:河北石家庄;③填料: P·I42．5 水泥，各项性能合格，密度3．1 kg/l，河北石家庄鹿泉水泥股份有限公司生产。

(2) 胶结材料。①环氧树脂:双酚A 型，济南天茂树脂化工公司生产;②固化剂:天津市凯通化学试剂有限公司生产;③稀释剂:丙酮，天津市美琳工贸有限公司生产生产。

2 试验安排

2．1 骨料组成设计

破损结构修复施工时，需尽可能降低胶结材料用量以降低修复成本。骨料致密堆积，可使其空隙率最低，胶结材料用量最少。根据致密堆积理论［1］，调整填料与细骨料用量比例α( 见式(1) ) ，混合均匀后，测试混合细集料( 含细集料与填料) 的紧密堆积密度ρf，最大混合堆积密度ρf0对应的掺配比例 即为填料的最佳掺配比例α0。由填料及砂按最佳掺配比例α0搅拌均匀而得的混合物称混合细集料。

式中，wc为测试过程中填料的质量;ws为测试过程中细集料的质量。

调整细石子(4．75 ～9．5 mm) 的掺加比例β( 即4．75 ～9．5 mm 石子占混合后石子总质量的百分比，见式(2) ) ，测试混合后粗集料的紧密堆积密度ρg。取混合后最大紧密堆积密度ρg0对应的掺量作为细石子最佳掺配比例β0。如粗集料为混合级配，不需要测试β0。式中，wxi为混合测试过程中，细石子(4．75 ～9．5 mm) 的质量; wcu为混合测试过程中，粗石子(9．5 ～19 mm) 的质量。

改变混合细集料的掺配比例γ( 混合细集料占集料总质量的百分比，见式(3) ) ，测定混合集料的紧密堆积密度ρ，最大紧密堆积密度ρmax对应的掺配比例即为混合细集料的最佳掺配比例γ0。

式中，wf为混合细集料掺配用量;wg为粗集料掺配用量。

1 m3混合集料( 含粗集料、细集料、填料) 中，各组分用量以下述方法确定。混合细集料用量

混合细集料中填料用量

混合细集料中细集料( 砂) 用量

混合集料中粗集料用量

4．75 ～9．5 mm 石子用量

9．5 ～19 mm 石子用量

根据上述程序，即可确定填料、砂、石子用量比例关系。

2．2 快速修复材料的组成设计

确定集料及填料各组分用量比例关系后，进一步确定环氧树脂基液用量。

式中，w基为填充集料、填料剩余空隙及用于润滑的基液总用量;V基为环氧树脂基液体积;ρ基为基液密度;n 为考虑润滑，基液用量扩大系数;V混为混合集料( 含粗、细集料及填料) 堆积体积;P混为混合集料残余空隙率。

式中，ρc为填料的表观密度;ρs为细集料的表观密度;ρg为粗集料的表观密度。需注意的是，此处计算所得的基液用量w基不是每立方米快速修复材料中基液用量，因为上述计算过程中均以致密堆积1 m3混合集料为准计算，基液用量计算过程中除填充混合集料残余空隙外进行了扩大，致使快速修复材料总体积超过了1 m3。每立方米快速修复材料各组分用量修正如下:

式中，wc′、ws′、wg1′、wg2′、w基′ 分别为修正后每立方米快速修复材料中的填料、细集料、4．75 ～9．5 mm 石子、9．5 ～19 mm 石子及环氧树脂基液用量; α 为快速修复材料拌合物中的含气量( 由搅拌过程引入拌合物中) 。

2．3 环氧树脂基液的优化组成设计

考虑到胶结料固化速度与稀释剂用量( 稀释剂与环氧树脂质量之比) 、固化剂掺量( 固化剂用量与环氧树脂质量之比) 及固化温度三因素有关，且三因素间可能存在交互作用，利用L273正交表 安排试验。为便于进行方差分析，安排正交表中每个试验重复3 次。因素选定水平见表1。各因素及交互作用在正交表中安排如下:列号1 ～13 对应的因素或交互作用分别为A、B、A×B、A×B、C、A×C、A×C、B ×C、A×B×C、A×B×C、B×C、A×B×C、A×B×C。

表1 基液组成设计因素水平表

采用正交表所确定的比例组合，均匀混合环氧树脂、固化剂及稀释剂，所得的混合液称环氧树脂基液。将基液与致密堆积的集料按2．2 中所确定的比例混合并搅拌均匀，得到的混合物称快速修复材料混合料，混合料成型后在正交表所规定的温度条件下固化4 h，以固化后的快速修复材料强度作为考核指标。

3 试验结果与分析

3．1 骨料组成设计试验结果与分析

填料、细石子、混合细集料的最佳掺配比例试验结果分别如下:①不同掺配比例的混合细集料料紧密堆积密度，掺配比例α 为19．0%、22．0%、25．0%、28．0%、31．0%，对应紧堆密度分别为1 885、1 898、1 917、1 889、1 876 kg/m3;②不同掺配比例的混合粗集料紧密堆积密度，掺配比例β 为10．0%、15．0%、20．0%、25．0%、30．0%，对应紧堆密度分别为1 590、1 590、1 606、1 592、1 580 kg/m3;③不同掺配比例的混合集料料紧密堆积密度，掺配比例γ 为29%、31%、33%、35%、37%、39%、41%，对应紧堆密度分别为2 060、2 078、2 105、2 125、2 117、2 110、2 098 kg/m3。

由上述试验结果可知，填料、细石子及混合细集料的最佳掺配比例分别为: α0= 25%，β0= 20%，γ0=35% 。

根据混合集料最大紧密堆积密度(2 125 kg/m3) 及式(4) ～式(9) ，计算1 m3混合集料中填料、细集料、细石子及粗石子用量，其用量分别为:填料186 kg，细集料( 砂)558 kg，细石子276 kg，粗石子1 105 kg。

各组分混合后致密堆积残余空隙率为21．5%。由于本试验所采用的环氧树脂粘度较大，为保证快速修复材料混合料的流动性，确定基液用量富余系数为1．92，计算而得与1 m3致密堆积集料相对应的基液用量为375 kg。

经圆整后，快速修复材料中各组分用量比例为( 质量比) :粗石子∶ 细石子∶ 砂∶ 填料∶ 环氧树脂基液=3∶ 0．75∶ 1．5∶ 0．5∶ 1。

3．2 环氧树脂基液优化组成设计结果

严格按照因素安排及正交表L27313的因素水平组合称量环氧树脂、固化剂及稀释剂，混合均匀，拌制环氧树脂基液2 kg，将基液与按比例计量的粗石子、细石子、砂、填料均匀混合，拌制快速修复材料混合料，成型后在各试验要求的温度条件下固化4 h，测试快速修复材料的强度。试验结果见表2，对试验结果进行方差分析，结果分别见表3。

方差分析结果表明，交互作用均特别显著。因此在确定最佳因素水平组合时，不能只依据指标和的大小。

由正交设计试验结果看，4 h 强度最高的因素水平组合为A2B3C3( 第18 号试验) ，最高强度为104 MPa;次好因素水平组合为A1B1C3( 第3 号试验) ，4 h 强度为104 MPa。上述二种组合养护温度均为45℃，一般现场施工较难达到这一条件要求，且成本较高;采用35 ℃进行养护时，4 h 能满足快速修复的强度要求，同时从正交试验中看出固化剂用量取7%时，快速修复材料也能满足最终强度要求，且能减少固化剂用量，降低成本。所以经综合考虑，最优条件选为A1B2C2，即稀释剂用量为0%，固化剂用量为7%，固化温度35 ℃。

表2 基液优化组成设计试验结果

表3 正交设计方差分析结果

对A1B2C2组合进行验证试验，各组分用量见表4，固化温度35 ℃。试验结果表明，按A1B2C2组合，修复材料强度为86．2 MPa，满足一般结构修复要求。

表4 快速修复材料验证试验强度(4 h 固化)

4 结论

(1) 致密堆积方法可以用于快速修复材料组成设计;(2) 稀释剂、固化剂及固化温度间存在交互作用;(3) 采用3．0∶ 0．75∶ 1．5∶ 0．5∶ 1∶ 0．07( 粗石子∶ 细石子∶ 砂∶ 填料∶ 环氧树脂∶ 固化剂) 的质量比配制的快速修复材料在45 ℃条件下固化4 h 最高强度100 MPa 以上，35 ℃条件下固化4h 强度达80 MPa以上。

［1］黄兆龙．混凝土性质与行为［M］．台北:詹氏书局，2001:292-303．

［2］刘朝荣．工业技术应用数理统计方法［M］．武汉:湖北科学技术出版社，1985:495．