改性环氧树脂力学性能试验研究★

2021-11-23陶亚文

山西建筑 2021年23期

陶亚文

(1.河南工业大学土木工程学院，河南郑州 450001； 2.洛阳理工学院土木工程学院，河南洛阳 471023)

环氧树脂作为一种最为常见的新型复合加固材料，具有高强、耐腐蚀、密度小、养护周期短、绝缘性好、可水下作业等优点，可用于金属、玻璃、陶瓷、混凝土、木材、纤维等材料之间的黏结，在桩基接长、应急修复、军事设施等工程中有着极佳表现，但环氧树脂也存在脆性高，抗开裂性能差等缺点，导致环氧树脂在工程建设领域难以普及推广，通过掺杂外加填料实现对环氧树脂的改性，是改善环氧树脂力学性能的常用方法[1-2]。石学堂等[3]采用曼尼希对环氧树脂进行改性，在加快环氧树脂室温固化速度的同时又提高了其抗剪强度。彭勃等[4]通过实验发现固化剂复配法对树脂材料抗老化能力提高显著，有机蒙脱土可有效提高树脂材料的强度。王安东等[5]通过在环氧树脂中掺杂18%的增韧剂对其进行改性，当树脂质量分数为33%以及袋压为0.8 MPa时，环氧树脂的拉伸强度为462 MPa，强度提高了78%，增韧效果明显。李悦等[6]通过实验发现固化剂和增韧剂对环氧树脂固化物力学性质的影响存在一个临界值，外加剂掺量大于临界值时，将造成环氧树脂固化物力学性质的降低。刘纪艳[7]通过掺杂纳米碳酸钙和硅微粉对环氧树脂进行改性，实验发现，当两种填料按1∶1组合对环氧树脂进行改性时，抗压强度和抗拉强度较未改性的环氧树脂分别提高了18%和14%，力学性能改善明显。武德涛等[8]采用环氧基液体丁晴橡胶和MBS聚合物增韧树脂作为环氧树脂材料的增韧剂，取得显著效果。雷卧龙等[9]通过实验发现橡胶颗粒的掺入会提高环氧树脂混凝土的变形能力，但将造成强度降低，1.5 mm粒径的橡胶颗粒对两种性能有较好的中和。曹国静等[10]采用膨润土和纳米二氧化硅对环氧树脂进行改性，实验发现，膨润土在增加材料拉伸强度的同时降低了材料的塑性，纳米二氧化硅在提高材料抗剪强度的同时也降低了材料的拉伸强度，二者共同作用时会使材料的性能有一个很好的综合。

综上所述，目前相关学者对环氧树脂改性的方法主要有3种，包括橡胶弹性体增韧方法、纳米粒子增韧方法、互穿网络结构增韧法。尽管目前有关改性环氧树脂的研究已取得很大进步，但多数改性方法难以确保韧性和强度的同时提高。因此，本文将制备5种环氧树脂并进行力学性能试验，以期确定较为合适的工艺参数，达到其改性增强增韧的目的。

1 试验

1.1 试验原材料

环氧树脂1型为山西省大同市生产的环氧基类有机材料；环氧树脂2，3，4型分别为中科院广州化灌工程有限公司生产的XT-A高渗透环氧树脂、XT通用环氧树脂裂缝修复材料、XT改性环氧灌浆材料(浓浆型)三种类型的有机材料；柔性固化剂采用低分子聚酰胺树脂，安徽定远县丹宝树脂有限公司生产；其余固化剂均为厂家配套提供；玄武岩纤维单丝直径为9 μm～17 μm，长度为6 mm，密度为2 680 kg/m3，抗拉强度为4 120 MPa～4 820 MPa，弹性模量为95 GPa～110 GPa，山西晋投玄武岩开发有限公司生产；石英砂粒径约为20目～40目；钢纤维单丝直径约为0.1 mm，长度为12 mm，密度为7 890 kg/m3，抗拉强度为400 GPa～1 200 GPa，弹性模量为200 GPa。

1.2 试验设备

本次试验采用YBZ2×2(1.5)-50(63)电动油泵配合YDC-650穿心千斤顶以及自制的反力支架进行试样强度测试，实验前，在中国人民解放军总参谋部军训部防护工程计量测试站对加载设备进行了联合标定。

1.3 试样制备及测试

参考GB/T 2567—2008树脂浇铸体性能试验方法进行试样浇筑，本次实验共设计了5种配合比，参考文献[11]最佳纤维掺量设计的试验配合比如表1所示，玄武岩纤维和钢纤维掺量分别为体积的0.1%和2%。考虑实际工程需要，将养护时间设定为7 d,14 d,28 d，脱模后运用双端打磨机对试样两端面进行打磨处理，每种工况下试样制备三块，试样制备完成后，参考GB/T 1041—2008塑料压缩性能的测定进行单压缩实验。

表1 材料配合比设计

2 结果与讨论

2.1 初步分析

环氧树脂固化物密度测试结果见表2，单轴压缩试验结果见表3。

表2 环氧树脂固化物密度

表3 环氧树脂抗压强度

由表2可知，环氧树脂固化物密度在1 144 kg/m3～1 604 kg/m3之间。由表3可知，8种环氧树脂28 d养护强度为24 MPa～123 MPa，7 d养护强度均在28 d养护强度的80%以上，7 d后强度随时间增长不明显，其中B-3型环氧树脂28 d养护强度较第14天略有降低，分析其原因可能为改性环氧树脂在固化过程中，会进行化学反应并释放热量和气体，难以顺利排出的气体滞留在试样内部造成试样出现密闭气泡，试样自身出现缺陷，材料的非均质性增强，导致同类试样的力学性能略有差异。

2.2 玄武岩纤维对环氧树脂材料性能的影响

掺杂玄武岩纤维前后，环氧树脂强度和固化物密度如表4所示。

表4 玄武岩纤维对环氧树脂强度及密度的影响

由表4可知，实验周期内A-1型环氧树脂最大强度为24 MPa，固化物密度为1 220 kg/m3，但掺杂玄武岩纤维后，固化物密度降低5.9%，同时强度提高近3倍达63 MPa。

造成其密度降低的原因可能为玄武岩纤维与环氧树脂(环氧树脂浆体密度为1 000 kg/m3～1 100 kg/m3)比重相近并且掺量较少，玄武岩纤维自身质量对改性环氧树脂固化物质量影响较小，并且纤维材料在环氧树脂内部以大量三维乱向空间网络体系存在，具有一定稠度的基质材料难以顺利进入纤维空间网络体系内部并完全填充整个体系，同时在混合料拌合过程中，纤维附近的基质材料易出现气泡，上述原因共同导致A-2型环氧树脂固化物中气体体积比升高，从而使固化物密度降低。

造成强度大幅度提高的原因可能有以下几点：1)试样在压缩过程中，纤维与基质材料间的界面吸附结合力会分散一部分外界传递的能量到纤维上。2)在改性环氧树脂体系内部，纤维和裂隙存在两种空间位置形式，如图1所示，从图1(a)可以看出，当纤维间距小于裂隙时，纤维跨越裂隙先后两端面，起到“桥接”作用，接收并传递荷载，引起改性环氧树脂体系内部应力重新分布并产生更加均匀的应力场，避免裂隙尖端应力集中，从而约束裂隙的发展；从图1(b)可以看出，当纤维间距大于裂隙时，裂隙尖端的扩展方向受到纤维的阻挠而改变，使裂隙尖端的应力集中情况得到改善，或裂隙继续跨越纤维形成模式，进而阻止裂隙的发展，提高了材料抵抗变形破坏的能力。玄武岩纤维改性前后，环氧树脂破坏形态如图1所示，由于玄武岩纤维的“桥接”作用，材料的韧性增加，试样的破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，这与文献[12]的研究结果相符。

同时由表3可知，A-1型环氧树脂7 d养护强度为22 MPa，约为28 d强度的91%，14 d,28 d养护强度依次增加4.5%,4.3%。掺杂玄武岩纤维后，环氧树脂7 d养护强度为59 MPa，约为28 d强度的94%，14 d,28 d养护强度依次增加1.7%,5%。两者强度随养护时间的变化趋势基本一致，由此可见，是否掺杂玄武岩纤维对养护时间的影响较小。

2.3 钢纤维对环氧树脂材料性能的影响

掺杂钢纤维后，环氧树脂强度与固化物密度的变化规律如图2所示。

由图2可知，B-1型环氧树脂28 d养护强度为37 MPa，固化物密度为1 402 kg/m3，B-2，B-3较B-1型环氧树脂28 d养护强度分别增长48.6%,86.5%，固化物密度分别增长14.4%，15.9%。同时由前文表2可知，环氧树脂经钢纤维改性后，固化物密度明显增加，这是由于混合料中钢纤维比重约为基质材料的6倍，单位体积内质量增加，从而造成固化物密度升高。钢纤维具有与玄武岩纤维相同的“桥接”作用，B-1,B-2,B-3 型改性环氧树脂固化物均表现出较高的韧性，三种试样均为塑性破坏。