新型环氧注浆材料的制备与性能研究

李　娜　高小红　刘　茜　姬乔娜　曾　洁

(武汉理工大学华夏学院化学与制药工程系，武汉 430223)

新型环氧注浆材料的制备与性能研究

李娜高小红刘茜姬乔娜曾洁

(武汉理工大学华夏学院化学与制药工程系，武汉 430223)

摘要:考察了固化剂、稀释剂、固化促进剂等对环氧树脂体系注浆材料的固化特性和力学性能的影响，确定了新型注浆材料最佳的组成体系与配比。结果表明：固化剂T-31体系比固化剂593具有更好的综合性能，固化剂T-31、稀释剂AGE和固化促进剂DMP-30的最佳用量分别为70pHr，20pHr和3pHr。经注浆模拟实验证实，该注浆材料可明显改善其力学性能，抗弯拉强度可达4.51MPa，抗压强度可达14.7kN。

关键词:注浆；环氧树脂；固化；力学性能

随着高速公路交通流量的迅速增加、汽车荷重的增大以及公路使用年限的增加，路面病害日益显现，尤其是路面唧浆病害尤为严重[1]。然而，仅仅修复破损的路面并不能使病害得到根治，修复后的路面使用一段时间后，唧浆等病害会再次出现，因此必须对软弱的地基进行加固。注浆法(或称灌浆法)是常用的地基处理方法。选用合适的注浆材料对地基进行注浆加固，可大大提高地基的承载能力和使用耐久性，有望解决高速公路路面唧浆等病害。

目前用于地基加固的注浆材料主要是水泥类无机材料、水泥-水玻璃等有机-无机复合注浆材料、聚氨酯以及脲醛树脂类有机材料，但这些注浆材料均存在明显的不足[1]。然而，水性环氧树脂高聚物材料可起到充填和在潮湿表面粘接的作用，能将潮湿松散的泥沙、碎石等粘接成牢固的整体，有望提高道路的使用耐久性。因此，相比传统的地基加固材料，水性环氧树脂高聚物材料具有明显的优势与良好的应用前景。

本文以环氧树指CYD-128为主要树脂，讨论了固化剂、稀释剂、固化促进剂的种类和用量对注浆材料固化时间和力学性能影响，探讨了该环氧注浆材料在道路维修养护中的应用。

1实验

1.1　实验药品和仪器

实验药品：环氧树脂CYD-128(巴陵石化)，环氧固化剂T-31(武汉汉海合成树脂有限公司)，环氧固化剂593(武汉汉海合成树脂有限公司)，活性稀释剂AGE-748(安徽新远化工有限公司)，固化促进剂DMP-30(武汉宏大化学试剂厂)。

实验仪器：电子精密天平(MP2002型，上海联华仪器厂)，电子能试验机(CMT6104型，深圳市新三思材料检测有限公司)，路面材料强度试验仪(MQS-2型，南京宁曦土壤仪器有限公司)，水泥抗折强度仪(KZ-5000型，无锡建筑材料仪器机械厂)。

1.2　实验方法

(1)环氧组分A的制备：将双酚A型环氧树脂和活性稀释剂按一定比例混合，在常温下搅拌3~10min，拌匀即得环氧组分A；

(2)固化剂组分B的制备：将改性脂肪族多元胺和固化促进剂DMP-30按一定比例混合，在常温下搅拌3~10min，拌匀即得固化剂组分B；

(3)混合配制：使用时，将步骤(1)制得的环氧组分A与步骤(2)制得的固化剂组分B在常温下混合，搅拌3~10min，即得环氧树脂注浆材料。

1.3　材料的测试

将CYD-128,T-31,AGE,DMP-30用分析天平准确称量后依次加入一次性塑料杯中，搅拌混合均匀后，分别测试浆液的凝胶时间和固化时间。按照GB/T 7124-86胶粘剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)测试材料的拉伸剪切强度。参照DL/T 5150-2001水工混凝土试验规程中4.5所述的方法测试材料的抗弯拉强度和抗压强度。

2结果与讨论

2.1　固化剂种类的影响

选用不同类型的固化剂与环氧树脂配合，对比CYD-128/T-31和CYD-128/593 两种固化体系在不同温度下注浆材料的固化速度，其实验结果见图1。可见，固化反应温度越高，凝胶时间和固化时间越短，反应速度越快。CYD-128/T-31和CYD-128/593两体系在常温条件下固化速度差别不大，但在10℃以下的低温条件下固化速度差别明显增大。CYD-128/593固化体系的固化时间-温度曲线较为陡峭，固化速度随温度变化幅度较大；CYD-128/T-31固化体系固化时间-温度曲线较为平坦，固化速度随温度变化幅度不大，并且在5~25℃的温度范围内固化速度比CYD-128/593体系快。可见，固化剂T-31反应活性较固化剂593大，并且在低温条件下更能体现其优越性。这是因为593是改性脂肪胺类固化剂，而T-31是酚醛改性胺类固化剂，分子结构中含有羟基和羟甲基，对环氧树脂的固化有促进作用[2]。

图1　不同固化剂在不同温度下对固化时间的影响

2.2　环氧树脂和固化剂T-31配比的影响

以环氧树脂CYD-128作为主体树脂，固化促进剂DMP-30的用量为3pHr，活性稀释剂AGE的用量为20pHr，研究25℃下环氧树脂与T-31配比对注浆材料的固化速度和拉伸剪切强度的影响，实验结果见图2和图3。可以看出，固化剂用量越大，凝胶时间和固化时间越短，拉伸剪切强度先上升后下降。这是因为固化反应主要是固化剂中的氨基与环氧基反应，氨基含量的高低决定固化速度和固化物的交联密度。固化剂用量越大，氨基含量越高，固化速度越快，形成的固化物交联密度越高，因此拉伸剪切强度就越大。当固化剂用量超过60pHr时，拉伸剪切强度变化不大甚至有所下降，原因可能是此时交联密度过大，脆性较大，导致固化试样在受到拉力作用时容易断裂。当固化剂用量超过70pHr时，固化剂用量增加固化速度加快不明显，原因可能是此时T-31相对于环氧树脂过量，多余的T-31不参加固化反应。综合考虑固化速度和力学性能，T-31固化剂的最佳用量为70pHr。

图2　T-31用量对凝胶时间和固化时间的影响

图3　T-31用量对拉伸剪切强度的影响

2.3　稀释剂的影响

以环氧树脂CYD-128作为主体树脂，固化剂T-31用量为70pHr，固化促进剂DMP-30用量为3pHr，研究25℃下活性稀释剂用量对注浆材料的凝胶时间、固化时间和拉伸剪切强度的影响，其实验结果见图4和图5。

图4　AGE用量对凝胶时间和固化时间的影响

图5　AGE用量对拉伸剪切强度的影响

由图可见，加入活性稀释剂稀释后，凝胶时间和固化时间均延长，固化速度变慢，拉伸剪切强度开始上升然后下降。可能的原因是：AGE是一种单环氧化合物，会与环氧固化剂反应，消耗部分固化剂，使得体系固化剂用量相对不足，从而导致固化体系最终固化不完全。未经稀释的环氧固化体系粘度较大，流动性差，两组份难于混合均匀，形成的固化物均质性差，在受拉伸剪切力作用是时容易应力集中，从而导致强度下降。加入适量的AGE(20pHr时)可以降低体系粘度，两组份容易混合均匀，固化后形成均质的固化物，有利于消除应力集中，从而使固化物拉伸剪切强度提高。但随着AGE用量的增加(大于20pHr时)，AGE消耗了部分固化剂，使得体系固化剂用量相对不足，导致固化体系最终固化不完全，交联密度较低，因此固化物拉伸剪切强度下降。上述结果表明，稀释剂用量不宜过大，其中CYD-128∶AGE=100∶20时达到浆液可灌性和固化性能的要求。

2.4　固化促进剂的影响

以环氧树脂CYD-128作为主体树脂，固化剂T-31用量为70pHr，活性稀释剂用量为20pHr，研究不同实验温度下DMP-30对注浆材料固化时间和拉伸剪切强度的影响，其结果见图6。可以看出，随着促进剂DMP-30用量增加，体系固化时间均缩短，但当促进剂用量大于3pHr时，曲线趋于平缓，其固化时间影响不大。原因是用量为3pHr时所有的环氧基几乎全部开环，此时固化反应速度很快，继续增加DMP-30用量不能明显增加环氧基开环的数量，从而对固化速度没有显著影响。从图中还可以看出，随着促进剂DMP-30用量增加，拉伸强度先增大后减小，在用量为3pHr时，拉伸剪切强度达到最大值。这是因为注浆材料的交联密度随DMP-30用量的增加而增大，使固化物的拉伸剪切强度上升；继续增加DMP-30用量，交联密度过大，固化物脆性增加，在受到拉伸力作用时容易断裂，从而导致拉伸剪切强度下降。因此，DMP-30的合适用量为3pHr。

图6　DMP-30用量对固化时间和拉伸剪切强度的影响

2.5　注浆模拟实验

根据高速公路路面受力的特点，主要通过抗压强度和抗弯拉强度评价材料性能。分别测试水泥稳定碎石试样和用环氧树脂浇注水泥稳定碎石试样后得到的环氧树脂-碎石固结物的抗压强度和抗弯拉强度，通过对比验证经环氧树脂注浆材料修补后的路基对路面载荷的承载能力是否有明显改善。实验用注浆材料以环氧树脂CYD-128作为主体树脂，固化剂T-31用量为70pHr，稀释剂AGE用量为20pHr，固化促进剂DMP-30用量为3pHr。

表1　水泥稳定碎石试样及环氧树脂-碎石固结物抗弯拉强度及抗压强度

由表1可见，环氧树脂浇注碎石后固化的固结物抗弯拉强度和抗压强度远远大于用水泥固化的碎石，分别由0.46MPa和2.1kN提高到4.51MPa和14.7kN，可见该环氧树脂注浆材料能起到明显的加固作用，并且固化时间可调节为两个小时以内，而水泥浇注碎石试样须固化养护28天。

3结论

研究了固化剂、稀释剂、固化促进剂等对环氧树脂体系注浆材料的固化作用和力学性能的影响，确定了新型注浆材料最佳的组成体系与配比。结果表明：与固化剂593相比，固化剂T-31的反应活性大，其粘度和固化时间均满足使用要求。当固化剂T-31、稀释剂AGE和固化促进剂DMP-30的用量分别为70pHr,20pHr和3pHr时，注浆材料具有最佳的固化性能和力学性能。经注浆材料浇注的碎石固结物较水泥稳定碎石实验证实，该注浆材料可明显改善其力学性能，环氧树脂浇注碎石后固化的固结物抗弯拉强度和抗压强度分别由0.46MPa和2.1kN提高到4.51MPa和14.7kN，可满足道路维修养护的应用。

参考文献

[1]魏新江. 地基处理. 浙江大学出版社，2007.

[2]刘登良. 涂料工艺(第四版). 化学工业出版社，2010.

[3]杨晓鸿，郭晓军，段韶明，等. 水下用防腐蚀涂料及固化机理研究. 涂料工业，1998(10):3-5

[4]王正烈，周亚平，李松林，等. 物理化学(下册). 高等教育出版社，2003.

Study on Preparation and Performance of Epoxy Resin Grouting Materials

Li NaGao XiaohongLiu QianJi QiaonaZeng Jie

(Department of chemical and pHarmaceutical engineering,Wuhan University of Technology Huaxia College,Wuhan 430223)

Abstract：The influences of curing agent, diluent and curing agent on curing characteristics and mechanical properties of epoxy resin grouting materials were investigated, the new grouting material system with the optimal ratio was determined. The results showed that the performance of curing agent T-31 is better than curing agent 593, and the optimum contents of curing agent T-31, diluent AGE and accelerator DMP-30 are 70pHr, 20pHr and 3pHr respectively. The results indicated that this grouting materials can significantly improve the mechanical properties with flexural strength of 4.51MPa and compressive strength of 14.7kN.

Keywords:grouting; epoxy resin; curing;, mechanical property

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.002

作者简介：李娜(1984~)，女，硕士.从事化学合成与功能材料的研究.