建筑用环氧树脂-混凝土材料的耐老化性能分析

陈瑞芳，张琰鑫

（1 郑州城市职业学院,河南郑州452370；2 郑州大学土木工程学院,河南郑州450000）

混凝土是工程建设中用量最大的材料之一,为提升建筑用混凝土的高强高韧属性,环氧树脂-混凝土材料开始在建筑领域推广[1]。随着环氧树脂-混凝土市场前景的拓展,该材料的力学性能和耐老化性能研究也成为众多研究人员关注的重点[2]。文献[3]针对不同掺量的材料,进行抗紫外老化性能研究。通过熔融共混技术制备多份材料,将其放置于不同温度条件下,记录材料性能变化,从而获取材料抗老化性能分析结果。但是,该方法得到的结果准确性还有待提高。文献[4]以研究混合材料的老化性能为核心,提出依托于室内模拟试验的分析方法。设计黏度测试、冻融劈裂测试以及浸水马歇尔测试等多种方案,获取材料老化模拟后的性能变化。但是,该分析结果不够完整。文献[5]模拟多种气候环境特征,分析不同实验环境下材料耐老化性能,并以此为基础分析未来老化性能研究方向。但是,该性能分析结果受到外观因素的影响较大。

文中参考上述分析方法,针对建筑用环氧树脂-混凝土材料,提出一种新的耐老化性能分析方法。强紫外线照射引起的老化问题,是材料遭到破坏的主要途径之一。文中利用实验材料制作环氧树脂-混凝土材料试块,再通过紫外光加速材料老化,分析老化后材料性能变化。

1 材料与方法

1.1 实验材料

制作建筑用环氧树脂-混凝土材料所需的实验材料,除了混凝土骨料外,需要在基础材料中添加环氧树脂与固化剂。为了便于后续搅拌处理,环氧树脂选用常温液态环氧树脂,而固化剂选用常规的胺类固化剂,将环氧树脂与固化剂混合得到环氧树脂胶粘剂[6]。本次实验树脂按照2:1的比例固化剂混合。

此外,选用砂石为混凝土骨料,通过按级配比的方式筛选实验所需的骨料,提升制作完成后的混凝土试块材料强度,根据材料的耐老化性能的分析要求,设置混凝土骨料级配方案见表1。

表1 环氧树脂-混凝土骨料级配方案Table 1 Epoxy resin-concrete aggregate gradation scheme

续表1

1.2 制备工艺

利用上述实验材料,按照固定比例混合制作混凝土试块。具体流程如下：（1）根据表1所示的混凝土骨料级配方案,选取多个粒径的石料,将其搅拌均匀得到实验骨料；（2）确定环氧树脂和固化剂的质量,并将二者均匀混合。再将环氧树脂胶粘剂倒入石料中,进行15 min以上的搅拌,为了便于后续实验,将充分搅拌后的混合物倒入30cm×30cm×30cm模具内；（3）将夯实后的模具放入烘箱内进行为期三天的养护,脱模后得到所需材料试块。

为了便于混凝土试块的成形,将试块养护的温度设置为25℃[7]。考虑到季节变化特点和环氧树脂胶粘剂的流动性,将环氧树脂-混凝土制作环境设置为5℃以上。当环境无法达到制作要求时,预先加热环氧树脂胶粘剂再进行后续制备步骤[8]。

1.3 实验方法

考虑到引起建筑用环氧树脂基混凝土老化的主要因素是紫外线的照射[9],实验过程中应用紫外光实验箱进行试块的加速老化处理。

根据环氧树脂-混凝土材料试块的大小,设置实验箱的尺寸为120cm×120cm×700cm ,并在实验箱内安装放置试块的架子、紫外光灯管、喷淋水管和水槽。

实验箱内紫外光灯管数量为8根,并且每根灯管的短波光谱范围为300～350 nm,紫外光加速老化处理过程中,设置灯管的额定功率和紫外光发射功率分别为40W、12W。为了保证紫外光照的均匀,设置实验箱内灯管中心与材料试块之间的距离大于10cm。考虑到建筑用混凝土材料的平均阳光照射温度,将实验箱内温度设置为（50±5）℃,湿度设置为45%。考虑到实际日、夜时间分布情况,设置实验箱内紫外光暴露和冷凝处理每4h一交替。在实验箱内安装12个喷嘴,模拟雨水冲刷环境,对试块进行老化处理。

按照上述实验环境进行加速老化处理,试块表面紫外光平均强度计算公式为：

式（1）中,x表示紫外光平均强度,A表示发射紫外光的功率,C表示试验箱内灯管数量,ε表示灯管距试块的平均距离,P表示灯管额定功率。

经过计算可知,环氧树脂-混凝土材料时间紫外光的平均强度达到了1560W/m2。考虑到我国大部分区域的日太阳辐射为98MJ/m2,年紫外线辐射总量为263.898MJ/m2。综上所述模拟1年环氧树脂-混凝土材料老化,需要进行95h左右紫外老化试验,3年为285h左右,6年为570h左右。通过调查可知[10],混凝土建筑第一次病害的平均出现时间为6年,文中将最长老化时间设置为6年。为了提高耐老化性能分析结果的准确性,经由实验箱获取模拟1年、3年与6年老化试验处理的试块,进行后续混凝土性能分析。

1.4 性能测试

1.4.1 抗冲击力测试

根据分离式Hopkinson压杆测试装置,测试不同老化时间的试块在应力条件下,抗冲击性能变化情况。实际操作过程中,在空杆状态下进行3次装置测试,确保实验装置操作正常,并调整杆件轴线高度统一。将环氧树脂-混凝土材料试块放在入射杆和透射杆间,设置触发电压为0.9MPa,发射冲击速率为12.4m/s的子弹,获取试块破坏形态。为了对比试块的耐老化性能,针对1年、3年与6年老化时间的试块进行冲击力测试时,触发电压和子弹发射冲击速率保持不变。

1.4.2 抗弯拉性能测试

利用四点弯曲方法测试试块的抗弯拉性能。按照试块尺度,设置跨径为30cm,在跨径两侧预留5cm。将中间部分划分为3个10cm的部分,并利用电子万能材料试验机在试块三分点处施加等值荷载,在2cm/min加载速率条件下,计算试块的抗拉伸强度。

1.4.3 吸水率测试

材料吸水率测试之前,将老化处理后的试块从实验箱取出进行烘干,并在正常室温条件下自动冷却,针对冷却后的试块进行称重。再将试块完全浸泡在水中24h,对泡水后的试块再次称重。利用烘干后质量和泡水后质量计算混凝土试块的吸水率。

式中,ω表示吸水率,c表示浸泡后试块质量,c0表示烘干状态下试块质量。

为了提高吸水率测试结果的准确性,本次实验过程中以6块材料为一组,分别计算每块材料的吸水率,最终取平均值。

1.4.4 表面接触角测试

表面接触角的变化情况反映出混凝土材料憎水性能。将试块水平放置在桌面,利用滴管在表面滴―滴水滴,等待两分钟后,采用数字显微镜采集试块表面图像,再结合计算机处理软件获取接触角数据。材料的憎水性能会随着接触角的增大而提升,根据憎水性能的变化情况,可判断环氧树脂-混凝土材料的耐老化性能。

2 实验结果分析

2.1 抗冲击性

将未经过老化处理、模拟1年老化、3年老化、6年老化处理的试块,采用分离式Hopkinson压杆测试装置进行抗冲击性能测试。结果显示,4种试块的材料破坏形态较为相似,试块表面均出现开裂情况,但并未完全碎裂。表明环氧树脂基混凝土材料的抗冲击性能并未因为老化时间的增加而降低。

2.2 抗弯拉性

记录四点弯曲实验的测试结果,获取试块载荷位移曲线,从而获取试块底层的应力应变曲线,生成图1所示老化后材料的应力应变对比曲线。

图1 老化后材料的应力应变曲线Fig. 1 Stress-strain curve of aged material

根据图1所示的应力应变曲线可知,未老化试件的应力应变值较高,在应变为0.0086的时候,弯曲应力达到了18.4MPa。且整体分析可以发现环氧树脂-混凝土材料的加速老化,并未引起应力应变曲线形状的较大改变。

考虑到应力应变峰值的降低会引起载荷直线下降,导致材料发生断裂,引起材料抗弯拉强度的降低。虽然试件应力应变曲线峰值和材料抗弯拉强度有所关联,但是图1所示的不同老化时间的应力应变峰值并未表现出规律。为了深入分析试块抗弯拉性能随着老化时间增加的变化情况,应用试验机压头进行材料压缩处理。其中,以压头位移为基础获取应变位移,得到不同老化时间的抗弯拉强度对比结果,如图2所示。

图2 紫外加速老化后试块抗弯拉强度变化Fig. 2 Variation of flexural tensile strength of test block after UV accelerated aging

针对图2所示的抗弯拉强度数据可知,材料老化时间的增长导致抗弯拉强度的降低,未经过老化处理的试块抗弯拉强度为33.5MPa,模拟1年老化试块、3年老化试块、6年老化试块的抗弯拉强度分别为31.2MPa、30.1MPa、28.6MPa。通过计算试块的抗弯拉强度衰减比例可知,环氧树脂-混凝土材料经过模拟6年的老化处理,抗弯拉强度有所降低,但依旧保持在85%以上。表明材料的耐老化性能较好。

2.3 吸水率

针对不同老化时间的试块进行烘干称重和泡水称重,得到吸水量统计数据：未老化试块的烘干后质量为296.54 g,泡水后质量为297.34 g；模拟1年老化试块烘干后质量为284.35g,泡水后质量为285.40g；模拟3年老化试块烘干后质量为263.14g,泡水后质量为266.00 g；模拟6年老化试块烘干后质量为250.29g,泡水后质量为258.99g。

由以上数据可知,随着老化时间的增加试块的烘干后质量、泡水后质量均处于不断降低的状态,结合公式计算可知,未经过老化处理的试块吸水率为0.2%,随着老化时间的变化,1年、3年、6年后试块的吸水率分别增加至0.4%、1.1%、3.5%。

2.4 表面接触角

试块表面接触角直接反映了材料吸水性能,对比不同老化时间试块的接触角,可以直观描述材料的耐老化性能。根据实验结果,未经老化、模拟1年老化、3年老化、6年老化试块的表面接触角分别为141°、141°、100°、82°。第1年试块的表面接触角基本不会发生变化,此后会出现下降的趋势。结果表明,混凝土材料受到紫外光加速老化的影响,表面会发生一定程度的风化,但是经过表面打磨处理,试块的憎水性就可以得到良好恢复,这表明紫外光加速老化并未破坏材料内部结构,该混凝土材料具有较强的耐老化性能。

3 结束语

文中采用实验测试的方法,分析环氧树脂基混凝土材料的耐老化性能。利用紫外光加速老化处理的方式分析不同老化时间条件下抗弯拉强度、抗冲击性能、吸水率以及表面接触角的变化,明确材料的耐老化能力。根据试验结果可知,环氧树脂-混凝土作为一种新型材料,具有良好的耐老化性能,将其应用在建筑领域可以发挥良好的应用效果。文中得出的分析结果,为环氧树脂-混凝土材料的后续推广应用提供理论参考,但受到研究时间的限制,部分问题研究还不够深入,未来可以根据复杂应力状态下材料的适用性进行分析,获取符合实际建筑要求的建筑材料。