乳液对水性环氧树脂砂浆力学性能的影响

俞 亮张 雷

(1.河海大学 水利水电学院,南京210098；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院,郑州450003)

环氧树脂砂浆是以环氧树脂为胶凝材料与砂配制而成的砂浆,其用于水工混凝土磨蚀防护已有40多年的历史[1],但传统环氧砂浆存在粘性大、对人体健康和环境不利、在潮湿有水环境下与基底材料粘结效果大幅降低的缺点.随着对环氧树脂研究的不断深入,水性环氧树脂应运而生,成为代替传统环氧树脂的最佳材料.水性环氧树脂继承了传统环氧树脂的诸多优点[2],此外其表现为亲水性,可以与水泥、硅粉、粉煤灰等水性体系配合使用,使不同材料能够相互弥补并充分发挥各自性能.目前有关水性环氧树脂改性砂浆的研究较少且主要集中在建筑领域,不同类型和不同厂家生产的水性环氧树脂对砂浆的改性效果不尽相同[3-5].因此,在应用水性环氧树脂制备砂浆前需要通过试验研究乳液对改性砂浆性能的影响.本文采用一种水性环氧树脂制备环氧树脂改性砂浆,研究聚灰比对新拌砂浆性能的影响和不同养护方式对不同聚灰比改性砂浆力学性能的影响,为水性环氧树脂砂浆在水利工程中的应用提供参考.

1 试验原料和方法

1.1 试验原材料

1)水性环氧树脂:上海汉中化工有限公司生产的固化剂乳化型水性环氧树脂体系,技术指标见表1.

表1水性环氧树脂体系技术指标

2)水泥:郑州天瑞水泥生产的P·O32.5R 复合硅酸盐水泥.

3)砂:白鸽集团生产的绿碳化硅,分36目和46目两种规格.

1.2 试验方法

1.2.1 水性环氧砂浆制备

1)根据配合比称取一定量的水泥和砂搅拌均匀待用,称取一定量的水性环氧树脂和固化剂混合搅拌均匀待用.水性环氧树脂乳液掺量以聚灰比表示,即水性环氧树脂掺量与水泥掺量的比值.

2)根据水灰比及固化剂中已含水量称取实际需要的水量,将水少量多次地加入搅拌好的水性环氧树脂体系中,每次的加水量以搅拌后水性环氧树脂体系能够均匀分散在水中形成乳液为宜.

3)将水性环氧乳液倒入填料中并采用手动搅拌的方式进行搅拌.

1.2.2 改性砂浆密度测定

按下式计算砂浆密度:

式中:ρu为砂浆表观密度(g/cm3)；mm为容器与砂浆的总质量(g)；ma为容器质量(g)；V为容器体积(cm3).

1.2.3 改性砂浆稠度试验

按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009),采用砂浆稠度仪测定砂浆稠度,按聚合物水泥抹面砂浆工作性相同(稠度为50～60 mm)的原则,确定改性砂浆水灰比,并求得相应的减水率.

1.2.4 改性砂浆凝结时间测定

按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009),采用贯入阻力法测定砂浆凝结时间.

1.2.5 改性砂浆抗压和抗折强度测定

按照《环氧树脂砂浆技术规程》(DL/T 5193—2004)测试试件抗压和抗折强度,试件养护方式见表2.

表2改性砂浆养护方式

压折比定义为:

式中:T为压折比；Rc为抗压强度(MPa)；Rf为 抗 折强度(MPa).

2 结果与讨论

2.1 乳液对改性砂浆新拌性能影响

乳液对砂浆新拌性能影响见表3.

表3改性砂浆配合比

由表3可以看出,乳液对砂浆的减水率随聚灰比增大呈现先增大后减小的趋势.当聚灰比为8%时,乳液对砂浆的减水效果较为明显,继续增大聚灰比后乳液减水效果减弱.原因可能为,当聚灰比较小时,填料之间具有一定的粘结力,虽然水灰比比水泥砂浆低,但填料粘聚在一起具有一定蠕动性,此时聚灰比对砂浆稠度的影响较大,最终表现为水灰比减小而稠度增大.当聚灰比进一步增大时,固化剂用量增大,固化剂中的含水量增大,导致实际加水量减小,砂浆填料间粘聚力虽增大但砂浆较干而不易发生流动.

改性砂浆的新拌性能见表4.

表4改性砂浆新拌性能

由表4可以看出,水灰比一定,改性砂浆密度随聚灰比增大而减小.乳液中表面活性剂的作用使得乳液具有一定的引气性,并且水灰比一定,改性砂浆液相粘度随聚灰比增大而增大,使得砂浆中产生的气泡增多,密度下降.水灰比一定,改性砂浆凝结时间大于水泥砂浆,这表明加入乳液对其改性砂浆具有缓凝作用.原因为在水泥砂浆中加入乳液后,水性环氧树脂中的亲水基包裹住水泥颗粒,水性环氧树脂体系在水泥表面成膜使得水泥水化层变厚,水泥颗粒不能凝聚而延缓了水泥水化反应进行[4].

不同聚灰比改性砂浆贯入阻力随时间的变化如图1所示.从图1可看出,水泥砂浆贯入阻力与时间基本呈线性关系,改性砂浆贯入阻力与时间呈抛物线关系.随着聚灰比增大,乳液对砂浆的缓凝效果减弱,虽然砂浆前期凝结速率减小,但后期凝结速率增大.这表明随着聚灰比增大,改性砂浆中乳液的成膜速度成为影响砂浆凝结的主导因素,而不是由水泥水化速度决定.

图1不同聚灰比改性砂浆贯入阻力随时间的变化

2.2 养护方式对改性砂浆力学性能的影响

表5为未掺水性环氧树脂乳液的水泥砂浆力学性能,图2和图3 为不同养护方式下聚灰比分别为8%、10%、12%和14%时,改性砂浆7 d和28 d龄期的抗压强度和抗折强度.

表5 PO32.5R 水泥砂浆力学性能

图2不同养护方式下改性砂浆抗压强度

图3不同养护方式下改性砂浆抗折强度

由图2和图3可以看出,不同聚灰比改性砂浆抗压和抗折强度都要大于相同龄期的未掺水性环氧树脂乳液的水泥砂浆.由图2(a)可以看出,当聚灰比在8%～12%范围内,C养护方式最利于改性砂浆7 d龄期抗压强度增长,其次为A养护方式,D 养护方式最不利于改性砂浆7 d龄期抗压强度增长.当聚灰比为14%时,A 养护方式最利于改性砂浆7 d龄期抗压强度增长,其次为C 养护方式,B 养护方式最不利于改性砂浆7 d龄期抗压强度增长.这表明早期经历干养护的养护方式更利于改性砂浆早期强度增长,并且随着聚灰比增大,改性砂浆达到7 d龄期最佳抗压强度所需要水中养护的时间逐渐减少甚至无需进行水中养护.由图2(b)可以看出,C 养护方式最利于改性砂浆28 d龄期抗压强度增长,其次为B养护方式,A 养护方式最不利于改性砂浆28 d龄期抗压强度增长,这表明前期水中养护虽然延缓了乳液成膜但有利于水泥水化,后期经过一段时间的干养护乳液能够继续成膜,干湿交替的养护方式更利于砂浆28 d龄期抗压强度增长.在D 养护方式下,改性砂浆28 d龄期抗压强度超过了A养护方式下改性砂浆28 d龄期抗压强度,但低于C和B 养护方式下改性砂浆28 d龄期抗压强度,这表明前期先干养后水中养护的方式对水泥水化仍有一定的促进作用,但水泥水化反应又不如先进行水中养护时充分.由图3可以看出,养护方式对不同聚灰比改性砂浆抗折强度的影响与抗压强度一致,干湿交替养护更利于改性砂浆抗折强度增长.

改性砂浆由水泥和水性环氧树脂乳液复合而成,其强度由水泥水化和水性环氧树脂乳液成膜程度共同决定,而水性环氧树脂乳液成膜和水泥水化过程矛盾.水泥水化需要一定湿度或者进行水中养护,水性环氧乳液成膜需要干燥条件,无论单纯满足两者中的哪一方面,都不利于砂浆强度增长.由试验结果可以看出,改性砂浆强度要想达到最佳,不仅要进行干湿交替养护,而且干、湿养护天数和次序也是关键.

压折比指材料抗压强度和抗折强度的比值,是材料柔性的衡量指标.压折比越小,材料柔性越好,抗裂性越好.如图4所示,在4种养护方式下,不同聚灰比改性砂浆的压折比都要低于水泥砂浆,并且随着聚灰比增大有进一步减小的趋势.这表明在水泥砂浆中掺入乳液能对砂浆起到增韧作用,使砂浆脆性降低.

图4不同养护方式下改性砂浆压折比

3 结论

本文采用一种水性环氧树脂乳液制备改性砂浆,研究了聚灰比对改性砂浆新拌性能以及养护方式对不同聚灰比改性砂浆力学性能的影响,得到结论如下:

1)该水性环氧乳液能够明显改善砂浆和易性,随着聚灰比增大,乳液对改性砂浆的减水率先增大后减小,当聚灰比为12%时,减水率达到18.6%,减水效果明显.

2)水灰比一定,改性砂浆密度随聚灰比增大而减小.在工程应用中提高改性砂浆聚灰比时,应适当增大水灰比或者添加减水剂,以免孔隙增多导致砂浆密实度下降.

3)该水性环氧乳液对改性砂浆具有缓凝作用,水灰比一定,随着聚灰比增大,改性砂浆前期凝结速率减小,后期凝结速率增大.

4)先水中养护后自然养护的养护方式更利于改性砂浆强度增长.在工程应用时,可先对改性砂浆进行3 d湿养护,后自然养护至规定龄期.相比水泥砂浆,聚灰比14%的改性砂浆抗压强度增长了54.8%,抗折强度增长了121.8%,压折比降低了30.2%,表明该水性环氧树脂体系能够显著提高砂浆强度和韧性,适用于制备有抗冲磨要求的水工混凝土修复砂浆.