高强环氧树脂混凝土的制备及性能研究

左联，林锐，赵华宇，杨进超，蔡溪南

（西北核技术研究院，陕西 西安 710024）

0 前 言

环氧树脂混凝土是以环氧树脂部分或完全替代水泥，加入适量固化剂、稀释剂、增韧剂等助剂，与砂、石等骨料经混合、成型、固化而成的一种有机-无机复合材料[1]。与普通水泥混凝土相比，环氧树脂混凝土的力学性能和耐久性更加突出，具备高强、早强、耐水、耐化学腐蚀、抗冻等优异性能[2-3]，其3 d抗压强度可达50~100 MPa，3 d抗折强度大于11.7 MPa。另外，环氧树脂混凝土的体积稳定性好，固化前后体积基本不变，且在大多数基材表面具有很强的粘附性，特别适合作为快速修补材料[4-5]。经过数十年的研究发展，环氧树脂混凝土已经在建筑、机械、交通、水利、电气、化工等领域广泛应用，特别是在建筑修补加固、铁路轨枕及大型机床底座、道路抢修抢建、桥梁伸缩缝等方面有重要应用[6]。然而，我国在环氧树脂混凝土领域的研究还不够系统深入，相关理论体系还未系统形成，设计及施工经验有待积累提升。

本文从力学性能角度出发，研究胶砂比（环氧树脂E51与砂、石骨料的质量比）及固化剂掺量（乙二胺与环氧树脂E51的质量比）对环氧砂浆性能的影响，通过正交试验分析影响环氧树脂混凝土性能的因素及其主次顺序，为环氧树脂混凝土配合比设计提供参考。

1 试验

1.1 原材料

环氧树脂：凤凰牌环氧树脂WSR618（E51），双酚A型，环氧当量184~195 g/mol，密度1.158 g/cm3，南通星辰合成材料有限公司，工业品；固化剂：乙二胺，天津市北联精细化学品开发有限公司，分析纯；河砂：中砂，细度模数2.79，堆积密度1.697 g/cm3，粒径小于5 mm，空隙率16.98%；碎石：粒径5~16 mm。由于环氧树脂混凝土对砂、石含水率要求较高，一般要求含水率低于0.5%[7]，如果砂、石含水率较高，使用前应预先烘干。

1.2 试验设备

WEY-3000微机液压压力试验机，上海华龙测试仪器厂；JJ-5行星式水泥胶砂搅拌机，巨丰试验机沧州制造有限公司；BG/T 17671-40A水泥标准养护箱，北京际威试验仪器有限公司；DHG-9030（A）电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 试样的制备与养护

将环氧树脂、固化剂和骨料通过搅拌机充分搅拌后，分2~3次装入试模，每次装料后均用捣棒捣实，然后刮平，使试料与试模顶面平齐。在标准养护箱中[温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%]固化12 h后脱模，继续在养护箱中养护至3 d。抗压强度试样尺寸100 mm×100 mm×100 mm。

1.4 性能测试方法

参照GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采用微机液压压力试验机加载，加载速度为8.0 kN/s，每组配方至少测试3个试样，取其算术平均值作为立方体抗压强度测试结果。

2 结果与讨论

2.1 环氧砂浆的性能测试与分析

2.1.1 胶砂比对环氧砂浆抗压强度的影响

假设砂子颗粒之间的空隙恰好被环氧树脂全部填充，此时：

实际上环氧树脂不仅填充了砂子颗粒之间的空隙，还会对砂子颗粒进行包裹，故而环氧砂浆的合理胶砂比会较理论胶砂比大。当胶砂比小于0.15时，由于环氧树脂用量过少，环氧砂浆成型较为困难，固化后孔隙也较多，抗压强度低；当胶砂比大于0.30后，环氧砂浆表层“泌浆分层”严重，出现较厚“纯环氧层”，因此，环氧砂浆的合理胶砂比在0.15~0.30。当固化剂乙二胺掺量为E51质量的10%时，胶砂比对环氧砂浆3 d抗压强度的影响如表1所示。

表1 胶砂比对环氧砂浆抗压强度的影响

从表1可以看出，随着胶砂比的增大，环氧砂浆的抗压强度逐渐提高。当胶砂比在0.15~0.25时，胶砂比的提高能够显著提高环氧砂浆的抗压强度，当胶砂比在0.25~0.30内继续增大时，环氧砂浆的抗压强度增幅较小。这是因为当胶砂比较低时，环氧树脂的用量相对较少，还不足以将所有的砂子颗粒完全包裹，而环氧树脂与砂子之间的结合力远远大于砂子与砂子之间的结合力；同时，环氧树脂对砂子之间空隙的填充也提高了环氧砂浆的密实度，因此，随着胶砂比的增大，环氧砂浆的抗压强度提高较大；当胶砂比增大到0.25~0.30时，环氧树脂已经足够对所有的砂子颗粒进行包裹，多出的环氧树脂一部分用来增加包裹的厚度，一部分则是在成型过程中在试件顶部形成“纯环氧层”，因此，随着胶砂比进一步提高，环氧砂浆的抗压强度提高不大。

2.1.2 固化剂用量对环氧砂浆抗压强度的影响

固化剂用量对环氧树脂性能影响较大，通过计算得到E51完全固化需要的乙二胺理论用量为7.65%，而实际用量往往大于理论用量。通过试验得知，当乙二胺用量小于4.0%时，环氧树脂固化不完全，不具备强度；当乙二胺用量为4.5%时，环氧树脂的3 d抗压强度为24.71 MPa；当乙二胺用量增加到6.0%时，3 d抗压强度提高到42.64 MPa。这是因为乙二胺用量增加，提高了环氧树脂的固化程度，增强了环氧树脂的交联反应，因此抗压强度提高。当乙二胺用量超过10%后，固化速度过快，放热过多，环氧砂浆试块由于热应力集中、传热不均、局部过热等作用容易引起爆聚，出现发泡、局部断层等现象。选取7%、8%、9%、10%四个梯度的乙二胺用量进行试验，乙二胺用量及胶砂比对环氧砂浆抗压强度的影响见图1。

图1 乙二胺用量及胶砂比对环氧砂浆抗压强度的影响

从图1可以看出，在一定范围内，随着固化剂用量的增加，环氧砂浆的抗压强度随之提高；当固化剂用量在7%~8%时，胶砂比对环氧砂浆抗压强度的影响较小；当固化剂用量为9%~10%时，胶砂比的影响比较明显，随着胶砂比的增大，环氧砂浆的抗压强度提高；当固化剂掺量为10%、胶砂比为0.28时，环氧砂浆的抗压强度最高，为82.12 MPa。这可能是因为，当乙二胺用量在7%~8%时，环氧树脂固化不完全，强度相对较低，增加环氧树脂的用量对环氧砂浆强度的提高作用不明显；当乙二胺用量在9%~10%时，环氧树脂固化较为完全，此时提高环氧树脂的用量，能够增强环氧砂浆内部的粘结力，抗压强度也相应提高，故而，当乙二胺用量在9%~10%时，在一定范围内，随着胶砂比的增大，环氧砂浆的强度提高。

2.2 环氧树脂混凝土的性能测试与分析

通过正交试验研究固化剂、砂、石用量（均按占环氧树脂质量计）对环氧树脂混凝土抗压强度的影响，选择L16（45）正交试验方案，设置空列1和空列2，分别为D因素和E因素，每组配方中E51用量均为1250 g。正交试验因素水平见表2，结果及极差分析见表3。

表2 正交试验因素水平

表3 正交试验结果及极差分析

从表3可以看出，固化剂乙二胺用量是影响环氧树脂混凝土3 d抗压强度的主要因素，随乙二胺用量的增加，环氧树脂混凝土的3 d抗压强度逐渐提高；石用量是影响环氧树脂混凝土3 d抗压强度的次要因素，随石用量的增加，环氧树脂混凝土的3 d抗压强度先降低后提高；砂用量对环氧树脂混凝土3 d抗压强度影响最小，随砂用量的增加，环氧树脂混凝土的3 d抗压强度无明显的规律性。最佳试验条件为A4B3C4，即，乙二胺用量为环氧树脂质量的10%、砂用量为环氧树脂质量的240%、石用量环氧树脂质量的为260%。

空列项平均极差R=（2.22+4.18）/2=3.20，故试验误差为3.20 MPa，说明本次正交试验的误差很小。

按上述最佳试验条件制备环氧树脂混凝土，测得其1、3 d立方体抗压强度分别为86.04、95.88 MPa。此时乙二胺用量为10%，而胶砂比仅为0.2，相比同条件下的环氧砂浆，其3 d抗压强度仅有65.21 MPa，故而，环氧树脂混凝土较环氧砂浆成本更低，强度更高。

3 结 论

（1）对于环氧砂浆，合理胶砂比在0.15%~0.30，合理固化剂用量为7%~10%，且此范围内，胶砂比和固化剂掺量越大，环氧砂浆的抗压强度越高。当胶砂比为0.30、乙二胺用量为10%时，环氧砂浆的3 d抗压强度为86.60 MPa。

（2）对于环氧树脂混凝土，各因素对3 d抗压强度的影响顺序由大到小依次为乙二胺用量>石用量>砂用量，最佳试验条件为：乙二胺、砂、石用量分别为环氧树脂质量的10%、240%、260%，按此制备的环氧树脂混凝土1 d抗压强度为86.04 MPa，3 d 抗压强度为 95.88 MPa。

（3）环氧树脂混凝土通过配方优化后，较环氧砂浆成本更低、性能更好。