聚合物混凝土性能的影响因素分析

杨礼明　徐龙旺　龙雪峰　苏晓波

摘要：为研究固化剂掺量、水泥掺量及环境温度对新型聚合物混凝土性能的影响，文章通过优化配合比设计，制备聚合物混凝土并开展强度试验，对不同龄期聚合物混凝土的抗压强度、抗折强度进行对比分析。结果表明：随着固化剂掺量的变化，聚合物混凝土的强度呈先上升后下降的趋势;掺加水泥对聚合物混凝土强度的提升有显著效果;聚合物混凝土固化和施工的最佳温度范围为25 ℃～40 ℃。

关键词：聚合物混凝土;固化剂掺量;水泥掺量;环境温度

中国分类号：U414文献标识码：A

0 引言

普通水泥混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度、抗折强度、抗冲击、防水及防腐蚀性能都相对较差，导致其在建筑领域应用中受到限制。随着科学技术的不断发展，学者们逐渐转向研究聚合物混凝土（polymer concrete，简称PC）这种新型材料[1-7]。聚合物水泥混凝土采用聚合物（一般为环氧树脂）与水泥混凝土复合而成，与普通混凝土相比，其在具有良好抗压强度的同时，抗拉性能、抗弯性能及抗冲击性能均有显著提高，且在防水、抗腐蚀方面还有了质的提升[8]。本文通过优化配合比设计制备PC，开展抗压强度和抗折强度试验，对影响PC性能的固化剂掺量、水泥掺量及环境温度等因素进行分析。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，各项指标符合国家现行标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）。细集料为广西天然河砂，中砂，细度模数为2.7。粗集料为广西辉绿岩，5～20 mm连续级配。环氧树脂采用WSR6101（E-44）双酚A型环氧树脂。固化剂采用项目组与某化工公司合作研发的改性芳香胺类固化剂，型号为R16和R17，其性能指标如下页表1所示。

1.2 试验配比

根据以往配制经验，固化剂与环氧树脂的最佳比例为0.5∶1。本次选用的PC基本配合比为环氧树脂：固化剂∶细集料∶粗集料∶水泥=1∶0.5∶3.6∶5.4∶1.25。

1.3 試验方法

因为国内尚未有PC方面的标准，所以PC的试件制备和成型、抗压强度和抗折强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行。试件的养护采用室外常温养护。

2 试验结果分析

2.1 固化剂掺量对聚合物混凝土性能的影响

根据配制经验，固化剂与环氧树脂的最佳比例为0.5∶1。在保持掺加固化剂总量与环氧树脂比例不变的情况下，通过调节固化剂R16和R17的混合比例来制备聚合物混凝土，并进行12 h、1 d及3 d等不同龄期的抗压强度试验和抗折强度试验，以此来分析固化剂掺量对聚合物混凝土性能的影响。两种固化剂的混合比例及试验编号如表2所示。

根据不同龄期的聚合物混凝土力学性能试验结果，绘制抗压强度、抗折强度变化规律曲线图，如图1、图2所示。

从图1、图2可知，随着固化剂中R16掺量逐渐降低和R17掺量逐渐增加，聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度均经历了先上升后下降的过程。在固化剂掺量比例R16∶R17=5∶5时，抗压强度和抗折强度为最大值，其中3 d龄期的抗压强度为83.4 [HTSS]MPa[HTXH]，抗折强度为13.2 MPa。HC1～HC4强度形成相对较慢，HC1～HC3到3 d龄期时才形成早期强度，HC4在1 d时形成早期强度，且抗压强度和抗折强度均比HC5～HC11偏低。

上述试验结果是两种固化剂优缺点融合的表现：R16的特点是低黏度、操作时间长、放热低，但胶化时间比较长;R17的特点是固化物韧性高且耐化学药品性优良，但胶化时间短，难操作。HC1～HC4早期强度形成慢就是由于R16的掺量较多，环氧树脂的固化反应较慢，从而使得混凝土的强度形成变慢。抗压强度和抗折强度总体趋势为先上升后下降，这是由于随着R16掺量减少，R17掺量增加，使得环氧树脂的固化速度加快，从而出现了抗压强度和抗折强度上升的情况，但是到达平衡点（固化剂掺量比例R16∶R17=5∶5）之后，随着R17掺量继续增加而R16的掺量不断减少，环氧树脂固化速度不断加快，混凝土制备时的操作时间越来越短，当固化剂掺量比例R16∶R17=0∶10时，操作时间仅有25～35 min左右，这就使得环氧树脂基液与各种原材料的融合时间大大减少，未能够完全发挥其良好的粘结性能，可能导致一些水泥颗粒未被完全包裹，砂、石的界面亦未完全被环氧基液所粘接，从而导致了强度的降低。

综上所述，两种固化剂的混合掺配可以有效地发挥自身的优点，抵消或降低彼此的缺点。当固化剂掺量比例达到R16∶R17=5∶5时为最佳，能很好地发挥两种固化剂的优点，同时最大化地消除缺点。

2.2 水泥掺量对聚合物混凝土性能的影响

水泥掺量以环氧树脂的用量为基数进行掺量比例计算。在基本配合比“环氧树脂∶固化剂∶砂∶石∶水泥=1∶0.5∶3.6∶5.4∶1.25”的基础上改变水泥掺量，通过简单的试配发现：水泥掺量达150%以上时，聚合物混凝土拌和困难，在施工操作时间内很难完成均匀拌和，除非另外添加稀释剂来调节拌和物的和易性。本次研究不添加稀释剂，设计水泥掺量分别为：0、50%、75%、100%、125%及150%。

考虑聚合物混凝土硬化和强度发展的速度，试验以HC1、HC6和HC11室内自然养护3 d后，对比其抗压强度和抗折强度变化规律来分析水泥掺量对聚合物混凝土的影响。依据试验结果，绘制水泥掺量-抗压强度曲线图、水泥掺量-抗折强度曲线图（见图3、图4）。

从图3、图4可知，随着水泥掺量的增加，聚合物混凝土的抗压强度和抗折强度的变化总体趋势为先上升后下降。当水泥掺量为125%时，与未掺加水泥相比，HC1、HC6和HC11的抗压强度分别提高了42%、67%和54%，抗折强度分别提高了41%、44%和43%。而随着水泥掺量的继续增加，到150%时，与水泥掺量125%时相比，HC1、HC6和HC11的抗压强度和抗折强度都出现了不同程度的降低。