不饱和聚酯树脂混凝土性能优化及抗冻性

刘佩玺,刘恒安,刘福胜,李文超,*,温福胜

不饱和聚酯树脂混凝土性能优化及抗冻性

刘佩玺1,刘恒安2,刘福胜2,李文超3,2*,温福胜3

1. 济宁市水利事业发展中心, 山东 济宁 272100 2. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 3. 泰山学院机械与建筑工程学院, 山东 泰安 271000

不饱和聚酯树脂混凝土（UPC）较普通混凝土具有强度高、耐腐蚀等优点，适用于复杂服役环境，其力学性能及耐久性研究较少。本文旨在探究粉煤灰掺量对UPC力学性能的影响及UPC的抗冻性能。本文共设置五种粉煤灰掺量（0%、5%、10%、15%及20%），分别进行了不同粉煤灰掺量下UPC的抗压强度试验、抗折强度试验及劈裂抗拉强度试验。试验结果表明粉煤灰掺量为10%时，UPC抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均达到最大值，因此确定粉煤灰掺量为10%是最优掺量。利用SEM对比分析了未掺粉煤灰和煤灰掺量为10%时UPC的微观结构。对粉煤灰掺量为10%的UPC进行了50次、100次、150次、200次和250次的冻融循环试验，结果表明随冻融循环次数的增加，UPC质量损失逐渐增大，力学性能降低。UPC质量损失总体较小，250次的冻融循环后质量仅损失0.37%。力学性能以劈裂抗拉强度下降最为明显达到28.44%，高于抗压强度（9.77%）和抗折强度（11.71%）的损失率。

混凝土; 性能优化; 抗冻性

普通混凝土具有抗拉强度低、抗裂性差、脆性大等缺点，在复杂、多变的服役环境中，应用受到限制。树脂混凝土是以树脂全部或部分替代水泥作为胶粘剂，掺入适量固化剂、偶联剂及填料，以砂、石作为骨料，经混合、成型、固化而成的一种新型复合材料[1]。与普通混凝土相比，树脂混凝土具有高强度、耐腐蚀等优点。树脂混凝土作为新型结构材料，其力学性能优化及耐久性能分析是当前的研究热点[2-4]。Haidar M等[5]进行了微聚合物混凝土配比优化试验，结果表明环氧树脂含量为13%时，力学性能表现最佳。Bărbută M等[6]研究了不同掺量的废弃物飞尘和硅粉对环氧树脂混凝土力学性能的影响。试验结果表明，随着填料的增加，环氧树脂混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度都有不同程度的增加，相较于硅粉，废弃物飞尘对于环氧树脂混凝土力学性能的提高有更大的优势。李智超等[7]分析了水泥、氧化镁、氧化铝和碳化硼4种填料对环氧树脂混凝土力学性能的影响，认为碳化硼提高环氧树脂混凝土力学性能幅度最大。陈甜甜等[8]研究了不同长度的玄武岩短切纤维对环氧树脂混凝土力学性能的影响，玄武岩短切纤维可以提高环氧树脂混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度，一定范围内随着纤维长度的增加，强度不断增加。

上述研究多基于环氧树脂混凝土，本文对性价比更高的不饱和聚酯树脂混凝土（UPC）开展一系列试验。分析了粉煤灰掺量对UPC力学性能的影响，通过微观结构对比分析影响机理；对UPC抵抗冻融破坏的能力进行了研究。

1 试验方法

1.1 试验材料

本次试验选用不饱和聚酯树脂，固化剂、偶联剂分别采用V388型和KH-570型。本试验所用粗骨料为3～5 mm的连续级配的石英砂，细骨料为0.125～0.85 mm粒径的石英砂，试验用粉煤灰为一级粉煤灰。

1.2 试件制备

将树脂与固化剂偶联剂混合搅拌5 min得到不饱和树脂胶粘剂，将砂石等集料倒入不饱和树脂胶粘剂混合搅拌8 min，灌入模具中，在振捣台上振捣20 min，并不断将表面浮浆抹去。拆模后将其放入80 ℃烘箱固化24 h，得到UPC。

1.3 试验方法

本次研究依据GB/T 50081-2019[9]对UPC抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度进行测试。抗压强度、劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100mm×100mm，抗折强度试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。抗压、劈裂抗拉强度测试采用压力机进行加载测试，加载速度为1 kN/s。抗折强度采用万能试验机进行测试，加载方式为三分点加载，测试工装如图，将试件成型时的侧面作为承压面，支座间跨距为100 mm，加载速度为0.1 kN/min。

图 1 UPC力学性能试验

UPC抗冻性能测试依照GB/T50082-2009[10]，采用“快动法”进行试验。试验仪器采用DDR-27型电脑全自动砼快速冻融试验仪，待试件达到养护龄期后将试件放入20 ℃±2 ℃水中浸泡4 d，取出试件将表面水分擦拭干净，对其初始质量进行测试。后将试块放入冻融箱中进行试验，设置中心最高温度为5 ℃±2 ℃，最低温度为-18 ℃±2 ℃，每次冻融循环在2 h～4 h内完成，每50次循环对其进行质量和力学性能测试。测试树脂混凝土质量损失率的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的标准试块，测试抗压强度、劈裂抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对UPC力学性能影响

将未掺粉煤灰、粉煤灰掺量为5%、10%、15%及20%的UPC力学性能测试结果列入表1并绘制成图2。

表 1 不同粉煤灰掺量下UPC的力学性能

图 2 不同粉煤灰掺量下UPC的力学性能

由试验结果可知，随粉煤灰掺量的增加UPC抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度均呈现出先上升后下降的趋势，粉煤灰掺量为10%时各强度达到峰值，与未掺入粉煤灰相比，抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度分别提高了15.59%，11.09%，10.53%。三个强度在超过峰值后的下降速度有所不同，抗折强度和劈裂抗拉强度相对于抗压强度下降较多。产生此现象的主要原因为粉煤灰填料掺量在0%-10%范围时，树脂与粉煤灰填料混合形成颗粒胶体，包裹在骨料表面，增加胶体的有效粘结面积，降低了孔隙率、增强了骨料间的粘合作用。当粉煤灰掺量过量时，UPC和易性变差，UPC内部出现分层、离析现象，对其抗折、劈裂抗拉强度影响较大。

2.2 UPC微观结构

为探究粉煤灰对UPC结构的影响，将未掺粉煤灰及粉煤灰掺量10%的UPC微观结构扫描(图3)。

图 3 不同粉煤灰掺量树脂混凝土的微观结构形貌

由图3可知，未掺入粉煤灰时，UPC中树脂与骨料交界处以及树脂胶粘剂当中存在大小不一的孔隙。掺入粉煤灰后可以看到UPC内部孔隙因被粉煤灰填充明显减少，UPC内部结构更加密实，进而表现出更好的力学性能。

2.3 UPC抗冻融性能

本次试验对UPC进行了50、100、150、200及250次的冻融循环，对比分析了不同冻融循环次数下UPC的外观变化、质量损伤率和力学性能衰退。

2.3.1 外观变化

图 4 UPC冻融循环前后外观形态对比

Fig.4 Resin concrete before and after freezing-thawing cycle

图4（a）、（b）分别为UPC未冻融和250次冻融循环下的外观形态。由图4可知，冻融循环次数对UPC外观形态影响较小，UPC基本未出现任何形纹、碎裂或者集料脱落等现象。

2.3.2 质量损失 将冻融循环对UPC质量损失的影响试验结果列入表2并绘制成图5。UPC在经历了250次冻融循环后，其质量仅损失了0.37%，可见冻融循环对UPC质量损失基本无影响。当UPC受到冻胀作用时，树脂基体网络可以产生变形，吸收应变能，因此冻融循环后UPC依然可以保持原有的外观形态，质量损失降低。

表 2 冻融循环对UPC的质量损失率的影响

图 5 冻融循环对UPC的质量损失率的影响

2.3.3 力学性能将冻融循环次数对UPC力学性能影响列入表3，为便于观察绘制成图6。

表 3 冻融循环对UPC的力学性能的影响

图 6 冻融循环后UPC力学性能变化

从图6可知，随着冻融循环次数的增加，UPC抗压、抗折、劈裂抗拉强度损失率逐渐增大。经历250次冻融循环作用UPC与未经冻融循环UPC相比，抗压、抗折、劈裂抗拉强度分别下降了9.77%、11.71%、28.44%。综上可知，冻融循环作用对UPC劈裂抗拉强度的影响比对抗压、抗折强度的影响要大。

UPC内部孔隙当中的水不断的经历冻胀作用，导致树脂胶粘剂与骨料的结构发生疲劳损伤，树脂与骨料间的粘结作用下降，最终导致树脂混凝土强度下降。冻融对劈裂抗拉强度影响较大的原因主要是UPC是一种脆性材料，在受拉过程中，往往出现很小的变形就要开裂，最终造成劈裂破坏。因此冻融循环作用对UPC劈裂抗拉强度影响要比抗压强度、抗折强度影响大。

3 结论

（1）随着粉煤灰掺量的增加，UPC强度先提高后降低的趋势，当掺量为10%时，抗压强度、抗折强度及劈裂抗拉强度达到峰值，与未掺入粉煤灰相比分别提升15.59%、11.09%及10.53%；

（2）通过观察UPC微观结构图片发现，掺入适量的粉煤灰可以改善UPC内部结构，降低内部孔隙，增加密实度；

（3）随冻融循环次数增加，UPC质量损失逐渐增大，总体质量损失很小。对其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度都所有下降，对劈裂抗拉强度影响较大。

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[2] 王赟,张波,张科强,等.树脂混凝土制备及力学性能研究进展[J].硅酸盐通报,2013,32(10):2079-2083

[3] 金玉杰,肖力光.环氧树脂混凝土研究现状及其应用[J].吉林建筑工程学院学报,2011,28(1):37-40

[4] Hameed AM, Hamza MT. Characteristics of polymer concrete produced from wasted construction materials [J]. Energy Procedia, 2019,157:43-51

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[6] Bărbută M, Harja M, Barab I. Comparison of mechanical properties for polymer concrete with different types of filler [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2010,22(7):696-701

[7] 李智超,黄张洪.填料对环氧树脂混凝土力学性能影响[J].热固性树脂,2003(5):16-17,21

[8] 陈甜甜,王丽,王明明,等.短切玄武岩纤维环氧树脂混凝土力学性能试验研究[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2018,34(6):66-69

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[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局.GB/T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2009

Performance Optimization and Frost Resistance of the Unsaturated Polyester Resin Concrete

LIU Pei-xi1, LIU Heng-an2, LIU Fu-sheng2, LI Wen-chao3,2*, WEN Fu-sheng3

1.272100,2.271018,3.271000,

Compared with ordinary concrete, unsaturated polyester resin concrete (UPC) has the advantages of high strength, corrosion resistance and adaptability to complex service environment. However, there are only a few studies related to its mechanical properties and durability performance. This paper aims to explore the influence of fly ash content on the mechanical property and frost resistant performance. In this paper, fly ash content was set to 0%, 5%, 10%, 15% and 20% and compressive strength, flexural strength and splitting tensile strength were tested. According to the results, UPC with fly ash content of 10% showed the highest compressive strength, flexural strength and splitting tensile strength. Therefore, it is determined that 10% of fly ash is the optimal dosage for preparing UPC. SEM was applied to compare and analyze the microstructure of UPC without fly ash and fly ash content of 10% .The results of freeze-thaw test of 50, 100, 150, 200 and 250 cycles carried out on UPC with 10% fly ash content show that the mass loss of UPC gradually increased with the increase of freeze-thaw cycles, leading to decreased mechanical properties. The overall mass loss of UPC was small, and the mass loss was only 0.37% after 250 freeze-thaw cycles. For the mechanical strength, the splitting tensile strength decreased most obviously, reaching 28.44%, which was higher than the loss rate of compressive strength (9.77%) and flexural strength (11.71%).

Unsaturated Polyester Resin Concrete; performance optimization; frost resistance

TU532

A

1000-2324(2022)04-0651-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.023

2022-02-04

2022-04-24

山东省重点研发计划(2019GHZ015);中央引导地方科技发展资金项目(YDZX20193700004703)

刘佩玺(1978-),男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:水工混凝土结构. E-mail:43185363@qq.com

Author for correspondence. E-mail:liwch@tsu.edu.cn