环氧树脂掺量对聚合物改性混凝土性能的影响

2018-10-19刘芝敏刘志杭李侠于晓晴张爱勤王彦敏

山东交通学院学报 2018年3期

刘芝敏，刘志杭，李侠，于晓晴，张爱勤，王彦敏

(1.山东交通学院交通土建工程学院山东济南 250357；2.山东省高校路面结构与材料重点实验室山东济南 250357；3.威海市公路勘察设计院山东威海 264200)

通常，普通混凝土存在抗压强度较高而抗折强度较低、耐久性较差的问题。针对普通混凝土这一特性，通常在混凝土中掺入聚合物来改善其脆性过大及耐久性较差的缺陷[1-3]。聚合物改性混凝土是在水泥混合时加入分散在水中或者可以分散在水中的聚合物材料，以砂、石为骨料,经拌和成型、固化而成的一种复合材料[4-5]。胶凝材料中聚合物的质量分数(以下简称聚合物的掺量)一般为5%～20%，混凝土改性用聚合物种类较多，且不同种类聚合物的性能也有所不同。如王培铭等[6]对丁苯乳液改性水泥砂浆力学性能进行了研究，研究表明丁苯乳液对提高水泥砂浆抗折强度和粘结强度有显著作用；徐雅君等[7]认为苯-丙乳液降低了水泥混凝土的抗压强度；Pascal S等[8]研究表明，当水灰比一定时，当胶凝材中SBR乳液的质量分数大于10%时，水泥混凝土抗压强度不断下降，而抗折强度会则有一定提高。因此，利用不同种类聚合物改性的混凝土性能及聚合物的最佳掺量也不尽相同。

本研究选用环氧树脂作为水泥混凝土改性用聚合物，研究在不同环氧树脂掺量条件下聚合物改性混凝土性能的变化规律，并对其影响机理进行分析。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

原材料主要有环氧树脂、水泥、碎石及河砂。环氧树脂是一种水泥改性用聚合物材料，与其他聚合物材料相比具有良好的机械性能和耐腐蚀性。试验研究采用的环氧树脂为双酚A型，环氧值为0.45，其化学分子结构式见图1；固化剂采用胺类固化剂，并与稀释剂配合使用。水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，粗集料采用石灰岩碎石，颗粒粒径为5～20 mm，连续级配；细集料采用河砂，细度模数为3.2。

1.2 聚合物改性混凝土试验配合比

聚合物改性混凝土设计强度等级为C40，设计坍落度为60 mm，水灰比0.45，m(环氧树脂):m(稀释剂):m(固化剂)=1:0.3:0.12。当胶凝材料中环氧树脂的质量分数(以下简称环氧树脂掺量)分别为0、5%、10%、15%、20%[9]，并在配制不同环氧树脂掺量的聚合物改性混凝土时保持水灰比不变。聚合物改性混凝土所用基准混凝土的配合比见表1。本研究参照文献[10]进行聚合物改性混凝土坍落度、力学性能及抗渗性试验。

图1 双酚A型环氧树脂化学分子结构式

表1 聚合物改性用基准混凝土配合比 kg/m3

2 聚合物改性混凝土试验研究

2.1 工作性

图2 聚合物改性混凝土坍落度随环氧树脂掺量的变化

采用坍落度筒法对聚合物改性混凝土新拌和物进行和易性测定，对比5组不同环氧树脂掺量的聚合物改性混凝土拌和物的坍落度，得出聚合物改性混凝土坍落度与环氧树脂掺量变化规律，如图2所示。由图2可知：随环氧树脂掺量的增加，聚合物改性混凝土坍落度呈下降趋势。当环氧树脂掺量≤5%时，聚合物改性混凝土的坍落度为60 mm,与普通水泥混凝土相同，说明当环氧树脂掺量较低时，对混凝土的坍落度无影响；当环氧树脂掺量大于5%时，聚合物改性水泥混凝土的坍落度随环氧树脂掺量的增加呈下降趋势，且环氧树脂掺量每增加5%其坍落度平均下降4 mm；当环氧树脂掺量达到20%时，聚合物改性混凝土的坍落度较普通水泥混凝土下降了近20%，但并未影响其装模成型，且保水性与黏聚性均良好。

2.2 力学性能

聚合物改性混凝土的力学性能主要研究其抗压强度与抗折强度。抗压与抗折强度试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×550 mm，采用标准养护条件，对7、28 d龄期不同环氧树脂掺量的聚合物改性混凝土抗压强度与抗折强度进行测定。环氧树脂掺量与聚合物改性混凝土力学强度之间存在一定的关系，其变化规律如图3所示。

a)抗压强度 b)抗折强度图3 不同掺量环氧树脂聚合物改性混凝土的力学性能

由图3可知，养护龄期为7、28 d时，聚合物改性混凝土抗压与抗折强度均随环氧树脂掺量的增加呈先增大后减小的趋势。其中，聚合物改性混凝土抗压强度在环氧树脂掺量为5%时达到最大，此后随环氧树脂掺量的增大呈下降趋势，且下降梯度较大，当环氧树脂掺量达到10%时已低于普通水泥混凝土；聚合物改性混凝土抗折强度则在环氧树脂掺量为10%时达到最大，之后随环氧树脂掺量的增加呈缓慢下降趋势，且其28 d抗折强度在环氧树脂掺量为20%时略低于普通水泥混凝土。

2.3 抗渗性

图4 聚合物改性混凝土最大水压力及抗渗等级与环氧树脂掺量关系图

聚合物改性混凝土抗渗试验采用抗渗标号试验法，利用混凝土抗渗测定仪对标准养护28 d的不同环氧树脂掺量的聚合物改性混凝土进行抗渗性试验。试件上口直径为175 mm，下口直径为185 mm，高150 mm的截头圆锥体,聚合物改性混凝土所能承受最大水压力及抗渗等级试验结果见图4。

由图4可知：随环氧树脂掺量的增加，聚合物改性混凝土所能承受的最大水压力呈先增加后减小的趋势，当环氧树脂掺量小于10%时，环氧树脂改性混凝土所能承受的最大水压力随环氧树脂掺量的增加而增大，且增长幅度显著；当环氧树脂掺量为10%时，最大水压力可达到1.4 MPa，与之对应的抗渗等级为13级，较普通水泥混凝土抗渗等级提高4级。随着环氧树脂掺量继续增加，聚合物改性混凝土承受水压力能力开始下降，当环氧树脂掺量超过15%时，抗渗等级不再下降，维持在10级水平，仍高于普通水泥混凝土。与普通混凝土相比，经过环氧树脂改性的混凝土抗渗等级得到了较大提高，其中，明显改善聚合物改性混凝土抗渗等级的环氧树脂最优掺量为5%～10%。

3 环氧树脂对混凝土性能改性机理分析

在混凝土中加入环氧树脂，可减小水泥石内部的孔隙尺寸，增强其内部的密实度[11]，有利于混凝土抗压强度的提高。当环氧树脂掺量为0～5%时，混凝土的抗压强度逐渐提高；随着环氧树脂掺量的继续增加，环氧树脂改性混凝土的弹性模量远低于普通水泥混凝土，在混凝土承受压应力时起不到刚性支撑作用，因此当环氧树脂掺量大于5%时，混凝土的抗压强度下降，当环氧树脂掺量增至20%时，聚合物改性混凝土抗压强度较普通水泥混凝土下降约33%；当环氧树脂掺量增加到一定比例时，聚合物在水泥水化产物中出现凝聚，经失水后形成聚合物网状结构，且与水泥石相互交错缠绕[12-14]，增加了水泥水化结晶产物中的接触点，从而增强了水泥石内部结晶体之间的黏结力，使得混凝土承受拉应力的能力得到提高[15]，因此聚合物改性混凝土抗折强度有所提高[16]。且在环氧树脂掺量为10%时，聚合物改性混凝土抗折强度提升效果最为明显。

水泥石内部抗压破坏形式一般为剪切破坏，由于环氧树脂受到较大的剪切应力，因其剪切强度较低而成为剪切面上的软弱夹层，降低了水泥石整体的抗剪切强度，也在一定程度上使聚合物改性混凝土的抗压强度有所降低[17-18]。此外，聚合物改性混凝土的力学强度还与所掺加的聚合物性质有关。掺加的聚合物不同与之对应的改性混凝土力学性能也有一定的差别[19]。

由于环氧树脂减少了聚合物改性混凝土的孔隙量，且随环氧树脂掺量的增加在水泥水化产物中形成的网状膜结构越完善，提高了混凝土结构的密实度，从而使经环氧树脂改性后的混凝土抗渗性能有明显提高[20-22]。