不同类型改性剂对环氧砂浆性能的影响

宋鸽　李光辉

摘 要：试验研究了5种不同类型改性剂对环氧树脂固化体性能的影响，测试了改性后环氧砂浆的力学性能。结果表明，不同类型改性剂对环氧树脂固化体力学性能存在显著影响，改性剂可以有效降低环氧树脂胶黏体系粘度，显著改善环氧砂浆的工作性能，在一定程度上提高环氧砂浆的韧性。

关键词：环氧砂浆;改性剂;工作性能;力学性能

中图分类号：U444文献标识码：A文章编号：2096-6903（2022）08-0050-03

1 试验

1.1 原材料

胶结体系：基础树脂为E-51环氧树脂;固化剂选用二乙烯三胺;改性剂选择丙三醇三缩水甘油醚（简称GGE）、乙二醇二缩水甘油醚（简称EDGE）、正丁基缩水甘油醚（简称BGE）、丙酮及改性剂A等五种改性剂，其中改性剂A为武汉某公司研发产品，为含有聚丙二醇二缩水甘油醚的长链脂肪族化合物。

填料：一级粉煤灰，石英砂细度模数为2.6，石英粉细度400目。

1.2 测试方法

环氧树脂性能试验按照《树脂浇铸体性能试验方法》（GB/T 2567-2008）、《胶黏剂黏度的测定》（GB/T 2794-2013）等规范要求进行;环氧砂浆力学性能试验按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-2021）标准规定进行。

2结果与讨论

2.1 改性剂对环氧固化体系性能的影响

2.1.1 改性剂对环氧固化体系力学性能的影响

在环氧固化体系中分别加入等质量的不同类型改性剂，测试改性后环氧固化胶体的拉伸强度及模量、压缩强度、弯曲强度及模量。材料用量及28 d龄期力学性能测试结果见表1。

由表1可以得到：不同类型改性剂对环氧固化体系的力学性能影响显著，掺加改性剂A的环氧树脂的各项力学性能指标最优。改性剂A的拉伸强度为70 MPa，比其他四种提高了7.7%～20.7%;拉伸模量为3.3 GPa，提高了26.9%～43.5%;压缩强度为108 MPa，提高了13.7%～35.0%;弯曲强度为98 MPa，提高了11.0%～30.7%;彎曲模量为3.3 GPa，提高了22.2%～37.5%。

分析原因，丙酮为非活性稀释剂，属于稀释性溶剂，分子结构中没有活性环氧基团，自身没有反应活性，只起物理稀释降黏的作用，且易挥发，固化反应时容易在固结体中留下空隙，造成固化体内部产生缺陷，进而影响力学性能。GGE、EDGE、BGE和改性剂A等4种属于活性改性剂，具有1个以上带反应活性官能团的化合物，与环氧树脂具有良好的相容性，不易发生分离现象，并且可以参与固化交联反应，成为树脂胶结体交联网络结构中的一部分，对固化产物的性能几乎无不利影响，甚至还能增加固化体系的韧性[1]。鉴于改性剂A比GGE、EDGE、BGE三种改性剂对环氧树脂的力学性能改善更显著，下步试验中，仅测试改性剂A的固化体系粘度。

2.1.2 改性剂A对环氧固化体系粘度的影响

改性剂A的粘度很低，添加到环氧体系中可极大降低体系粘度，改善施工性能。加改性剂A的体系凝结时间延长，固化反应平稳，利于浸润、渗透结合面并与之紧密连接。由图1可看出，改性剂A可以显著降低环氧树脂的粘度，最高降幅达85%以上。在0%～40%的范围内，随着掺量的增加，体系粘度成指数下降趋势;当改性剂A掺量大于40%时，随着掺量的增加体系粘度变化趋于平缓。

改性剂A既是环氧树脂良好的稀释剂，又是高性能增韧改性剂。改性剂A为支化、带有多个活性端基的低粘度液态聚合物，分子内部空穴导致固化物产生大量剪切形变而耗散冲击能量，因而具有良好的增韧性能和反应活性，可大幅度改善环氧树脂固化物的耐冲击、耐压缩等机械性能[2]。添加于环氧树脂固化体系中，可显著延长其可使用时间和降低固化放热峰值，使环氧树脂固化反应平稳，最终使固化胶体具有良好的使用性能。具体结果见表2及图1。

2.1.3 改性剂A对环氧固化体性能的影响

从图2可看出，随着改性剂A掺量的增加，环氧固化体的压缩强度呈现明显的先增加后降低趋势，当改性剂掺量为20%时，压缩强度达到峰值。从图3可以得到，随着改性剂A掺量的增加，环氧固化体的冲击韧性逐渐提高，当改性剂掺量为30%时，抗冲击韧性达到峰值。改性剂A并不是掺量越高对环氧固化体改性效果越好，而是在适当掺量比例范围内，改性效果达到最优。因此，在选择改性剂A掺量时，应综合协调体系粘度和力学性能的关系，根据目标性能合理选择掺量。具体结果见表3及图2、图3。

2.2 环氧砂浆的力学性能

环氧砂浆中添加石英砂等填料，可以降低砂浆的收缩率和热膨胀系数，增加导热率和物理强度，提高材料的粘结力、耐磨性，改善材料的老化性能等;还可以降低环氧树脂的用量，降低环氧砂浆的使用成本，环氧砂浆配合比与砂浆稠度见表4。按表4配比制作试件，尺寸为40 mm×40 mm×160 mm ，每组3个，测试稠度后装模，砂浆终凝后拆模，标准条件下养护1 d、3 d、7 d 、28 d 后，抗折和抗压强度[3]测试结果见表5、表6。

由表4、表5和表6可得到：丙酮和改性剂A加入环氧砂浆后可提高其工作性能，环氧砂浆稠度分别增大25 mm和20 mm;添加丙酮改性剂与未加改性剂环氧砂浆相比各龄期抗压强、抗折强度均有所下降，抗压强度最大下降8 MPa，抗折强度最大下降5.5 MPa;添加改性剂A前后的环氧砂浆各龄期抗压强度基本相当，抗折强度大于23 MPa，28 d抗压强度达90 MPa以上，且3 d和7 d的抗压、抗折强度均高于不加改性剂环氧砂浆，具有早强特性。可见，改性剂A的加入不会降低环氧砂浆抗压和抗折强度。主要因改性剂A分子链中含有多个极性键，与环氧树脂、环氧固化剂及助剂都有良好的相容性，不分层、不析出、基本不分相，且对粉煤灰、石英砂和石英粉等各种无机填料具有良好的表面浸润性，能很大程度上缓解其沉降问题。因此改性剂在改善拌合物和易性的同时参与固化反应，最终成为结构的组成部分。而丙酮作为稀释性溶剂，具有较高的饱和蒸气压，挥发性和迁移性决定其在环氧砂浆固化过程中会逐渐溢出，导致胶体致密性降低，有较高的孔隙率，进而毛细孔缺陷引起宏观上力学性能的衰减，抗折和抗压强度均低于未加改性剂环氧砂浆。

3改性机理分析

高交联密度的环氧树脂基体三维网络结构可视为“均相结构”，致密度高，脆性较大，冲击韧度和延伸率较低，其特有的形态特点决定了在吸收冲击能量和抵抗裂纹扩展能力的欠缺。采用含端活性基的改性剂来改性，使基体的屈服变形潜力变大，降低其玻璃化温度和模量，可取得较好的增韧效果。与在交联后形成分子量呈双峰分布的环氧树脂交联网络的增韧机理不同，通过引入分子链中含有多个活性端基的分子结构参与环氧树脂的固化反应，形成稳固的交联网状结构，并利用其分子中的支化结构和特殊的物理化学机理产生非致密有序结构，当基体受到外力作用时，非致密结构中的“缺陷”诱发应力集中，使环氧树脂固化物内部产生大量的剪切形变，从而吸收并耗散冲击能量，达到提高环氧树脂固化物韧性的目的，改善综合性能[4]。通过改性剂引入分布均匀的增韧结构能够显著地分散和吸收破坏能量，可以缓解裂纹尖端累积的三向应力，诱发基体树脂局部剪切屈服，使主裂纹扩展阻力增大，从而提高环氧固化体韧性。

4结语

首先，多活性端基类改性剂对环氧树脂固化体系的拉伸强度、压缩强度和弯曲强度等力学性能具有显著改善作用。

其次，多活性端基类改性剂可以显著降低环氧树脂的粘度，且在一定范围内，随着掺量的增加粘度逐渐降低，最高降幅达到85%。

最后，多活性端基改性剂可以改善环氧砂浆的稠度，提高工作性能，且能够保持优异的力学性能。

参考文献

[1] 肖扬国，陈海生.新型增韧固化剂固化环氧结构胶的性能及应用研究[J].新型建筑材料，2010（3）：71-74+87.

[2] 胡玉明.环氧固化剂及添加剂[M].北京：化学工业出版社，2011.

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5193-2004环氧树脂砂浆技术规程[S].北京：中国电力出版社，2004.

[4] 买淑芳，方文时，杨伟才，等.海岛结构环氧树脂材料的抗冲磨试验研究[J].水利学报，2005，36（12）：1498-1502.