环氧树脂改性碱矿渣水泥砂浆路用修补性能研究

梁秋爽

(重庆电讯职业学院，重庆，402247)

伴随着经济不断发展，出现交通量增加和道路荷载增加等现象，而水泥混凝土路面被长时间碾压后难免会出现局部破损，这些破损部位经常采用水泥、聚合物、纤维增强等砂浆材料进行修补。

水泥砂浆的修补材料与水泥混凝土的原材料相似，两者的相容性较好，但是前者在修补过程中容易出现收缩开裂，尤其是干燥高热的环境中[1]。硅酸盐水泥的生产过程本身就是大量资源的消耗，对环境的污染也不容忽视，因此，节能环保材料的开发与应用需要广泛推广。近年来，粒化高炉矿渣之类废渣的研究应用得到了大力发展。聚合物砂浆(PM)可以改善结构，使强度、粘结性都有所提高，收缩率降低，但其弹性模量与热膨胀系数也会使修补效果大打折扣，纯丙、苯丙等乳液的使用较为广泛[2-4]。纤维增强砂浆虽然可以有效地改善其抗裂性，但是作为修补材料，它的粘结性不高，修补效果并不理想。

本文将工业废渣粒化高炉矿渣进行活性激发后，利用环氧树脂(EP)对其改性，制作成环氧树脂(EP)改性碱矿渣水泥砂浆(AAS)，将PM的优异特性与节能环保相结合，通过实验研究不同EP掺量的AAS的收缩性和黏结抗折强度(Rf)，并从微观结构分析其特性，以期找到可以有效改善碱矿渣水泥砂浆路用修补性能的较优掺量。

1 实验

1.1 实验原材料

矿渣为规格S95,比表面积为4 280 cm2/g，碱度M0为1.07，其化学成分见表1。水玻璃采用重庆茂阳化工有限公司生产，其模数(M)为3.21，实验时利用固体NaOH将其模数调整为1.0，其主要技术参数见表2。EP和固化剂的技术指标及参数见表3和表4。实验时，将环氧树脂与固化剂按质量比4∶1进行调配。

表1 矿渣化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of slag

表2 水玻璃主要技术参数Table 2 Specifications of sodium silicate

表3 环氧树脂的技术性能Table 3 Technical properties of epoxy resin

表4 水性环氧固化剂Table 4 Waterborne epoxy curing agent

1.2 配合比

EP改性AAS的配合比见表5。

表5 改性AAS的配合比Table 5 Mix proportion of modified AAS

1.3 实验方法

1.3.1 FL实验

AAS的FL的测定步骤，润湿设备，分两层装模捣压，启动跳桌，完成25次跳动后量取扩散直径D作为AAS的FL值。

1.3.2 收缩性能实验

按照相关标准制作及养护，在相应龄期用游标卡尺量取试件的长度Lt，试件的第一天拆模长度为L0，试件的自然干燥收缩ε的计算式如下：

式中：L0为试件1 d拆模的初始长度；Lt为相应龄期的试件长度。

1.3.3 粘结Rf实验

先将42.5的P·Ⅰ制备的胶砂试块养护到28 d，沿长度方向从中间锯断，使其长×宽×高为40 mm×40 mm×80 mm，磨平断面，并用相应配比的净浆抹平，将其放在长×宽×高为40 mm×40 mm×160 mm试模的一端[5]，另一端浇筑AAS，标准养护到相应时间进行Rf实验，测出其黏结强度Rf。

2 结果与讨论

2.1 AAS的流动度

EP改性AAS作为修补材料应具备较高的施工性能，用AAS的FL来表征其施工性能，其实验结果见图1。

图1 EP改性AAS的FLFig.1 FL of AAS modified by EP

由图1可知：变掺量EP改性AAS的FL逐渐升高，EP乳液会包裹住矿渣颗粒，颗粒之间存在相同的极性，并起到润滑的作用，有利于分散，释放水分，使其具有一定的减水效果[6]，从而使AAS的流动度提高，方便修补砂浆的施工。

2.2 EP改性AAS的收缩性能和粘结抗折强度

将0～15%的EP加入AAS中，对其自由收和黏结强度Rf缩进行实验研究，其结果见表6和图2。

表6 EP改性AAS收缩率及黏结强度RfTable 6 Shrinkage and bond Rf strength of modified AAS

由图2可知，当EP掺量逐渐升高时，改性AAS在7 d的ε随之降低，28 d和42 d的ε则呈凹形折线，在环氧树脂掺量为9%时最低，分别降低了47.8%和43.4%。由此可见，改性砂浆的自由收缩值是可以通过环氧树脂降低的，这是由于环氧树脂的掺入可以使砂浆内部各成分之间连接的更紧密，孔隙率下降，使砂浆内部水分在蒸发过程中不易离开，胶凝材料的水化反应进行得更充分；当环氧树脂含量达到一定值时，会在结构内部形成空间网络结构，使收缩进一步收到限制。“公路水泥混凝土路面施工技术细则”(JTGF30—2014)中规定水泥的28 d干缩率≤0.09%，当EP掺量为9%时，AAS的干缩值是满足要求的[7]。

图2 EP改性AAS的自由收缩值Fig.2 Free shrinkage values of AAS modified by EP

由图3可见：掺入EP后，改性AAS的黏结强度Rf先下降后上升再下降，并在掺量为12%时出现转折，尽管如此，其黏结强度Rf仍比空白组的低，其相较于空白组低32.7%，5.9%，3.7%和6.9%，由此可知，其降低幅度并不大，这是由于环氧树脂本身是一种有机高分子材料，其与无机材料的相溶性并不理想；当环氧树脂掺量较低时，修补砂浆与基块之间的连接主要靠无机水化产物进行黏连，而环氧树脂则以颗粒形式存在；随EP含量逐渐增多，这种黏连接触面减少，从而使黏结强度Rf出现下降，但是当EP开始形成网络结构，形成具有一定黏结强度的膜时，修补砂浆的黏结抗折强度得到了提高，而过量的环氧树脂会在结构内部和粘结面处出现乳液膜块和团块，将水化产物包裹起来，反而将整体结构分割，破坏其整体性，导致黏结抗折强度下降[8]。

图3 EP改性AAS的粘结Rf强度Fig.3 Bond strength Rf of AAS modified by EP

3 微观分析

3.1 SEM

对EP改性AAS进行扫描电镜微观结构分析，其结果见图4和图5。

图4 空白组AAS的SEMFig.4 SEM of AAS in the blank group

图5 9%环氧树脂改性AAS的SEMFig.5 SEM of AAS modified by 9% epoxy resin

分析图4可知，不掺环氧树脂乳液的砂浆表面存在微裂纹，这是由于在砂浆自身会存在一定的自由收缩，矿渣经过水玻璃的活性激发，在碱性环境中，-O-Si-O-Al-O-玻璃体结构溶于[SiO4]4-和[AlO4]5-中，并发生相应的收缩聚合反应，从而得到空间网络的键合材料[9]。由图5可见，掺入适量的EP，在AAS凝结硬化过程中，形成网络结构，相关文献表明EP会影响胶凝材料凝结硬化，环氧树脂会在AAS结构内部形成聚合物桥，穿插在各水化产物之间，起到粘结作用，不仅填充孔隙，改善改性砂浆内部结构，提高韧性。

3.2 XRD

对EP改性AAS进行X射线衍射进行分析，其结果见图6和图7。

图6 空白组的XRDFig.6 XRD of AAS in the blank group

图7 9%EP改性AAS的XRDFig.7 XRD of AAS modified by 9% EP

由图6可见：AAS的水化产物以方解石为主，还有一部分的CaCO3，根据物相分析得到的晶面间距d，得出该AAS的生成沸石类矿物、托勃莫来石、C-S-H，AFt等。分析图7得出，EP改性AAS的水化产物以Ca2SiO4为主[10]，根据晶面间距d发现，该AAS的生成物变为各类沸石矿物、托勃莫来石、C-S-H，C-A-H，并且以托勃莫来石为主。根据EP改性AAS水化产物的结构变化可以看出，EP可以改善AAS的内部结构，使其充分水化，从而改善AAS的干缩性能。

4 结论

EP改性AAS的FL随着EP溶液的增多而逐渐升高；其7 d自由收缩值逐渐降低，28 d和42 d自由收缩值在环氧树脂掺量为9%时最低，较空白组分别降低了47.8%和43.4%；其各龄期的黏结强度Rf先降低后升高，在环氧树脂掺量为12%时较高，但仍较空白组低32.7%,5.9%,3.7%和6.9%；从AAS的SEM和XRD发现EP在AAS凝结硬化过程中，形成网络结构，并生成了以托勃莫来石为主的水化产物，由此可见，环氧树脂的掺入可以改善改性砂浆内部结构，并形成空间网络结构，提高韧性，但其修补性能仍需进一步研究。