钢渣微粉对环氧树脂结构胶力学性能的影响研究

崔东霞

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我国是世界钢铁产量第一大国，在钢铁的制造过程中产生了大量的钢渣。2021年我国粗钢产量为10.3亿t，全球占比52.8%，居全球首位，但是利用率却很低[1-2]。大量的钢渣堆弃造成了严重的空气、水、土地等环境污染，也增加了企业的处置负担。如何高效、大量利用钢渣，降低其堆存量是从业者们面临的严峻问题。钢渣是炼钢工业的废渣，含有一定量的C3S、C2S等熟料矿物，是一种类似于水泥、粉煤灰等材料。但由于特殊的高温烧结制备工艺，使钢渣中含有大量的f-CaO、f-MgO等不安定成分。f-CaO、f-MgO在后期有水环境作用下，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，体积分别增加98%、148%，引起膨胀开裂现象，具有较大的危害性[3-4]。现阶段对于钢渣的处理主要为利用冷弃法、水淬法、风淬法、热泼法、浅盘法、滚筒法、粒化轮法和热焖法等提高钢渣的安定性、均匀性、粒度和活性[5]。但无论何种处理方法，钢渣中仍含有一定量的f-CaO和f-MgO，在没有完全消解的情况下，直接使用仍具有引起安定性不良等隐患。如果在钢渣的后期使用过程中，避免水分子的介入，也是一种降低不安定性的有效措施。

桥梁加固用环氧树脂结构胶，其主要材料为环氧树脂、固化剂、稀释剂、偶联剂等非水体系，可对钢渣粉体实施有效包裹、浸润，有效切断钢渣粉与水分子的水化反应，避免造成安定性不良等隐患。现有环氧树脂类结构胶体系中填料主要为氧化镁、氧化铝、碳酸钙、无水石膏、石英粉等。以钢渣部分作为环氧树脂体系中的填料，是一种有效利用钢渣的新思路。本文就钢渣作为环氧树脂结构胶填料时的各项力学性能进行研究。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

环氧树脂：E-51，环氧值 0.49～0.51，无锡蓝星石油化工有限责任公司产；固化剂：CP-970，大连凯华新技术工程有限公司产；增韧剂：KH-07B，大连凯华新技术工程有限公司产；偶联剂：KH-550，常州山峰化工有限公司产；钢渣粉：山西太钢哈斯科科技有限公司产，比表面积400～500 m2/kg，其主要矿物成分见表1；硅微粉：400目，河南郑州市金石耐材有限公司产。

表1 钢渣粉的化学成分 %

1.2 配合比设计

钢渣粉的表面改性：a）分别制备浓度为0、0.2%、0.5%、1%、2%的偶联剂-无水乙醇溶液100 mL；b）称取20 g钢渣微粉，分别加入上述溶液搅拌均匀，超声波振动源 15～20 kHz，分散 10 min；c）将分散后的样品置于烘箱中，100℃下烘干至恒重。

表2为试验所需配合比，其中环氧树脂、固化剂、增韧剂、填料等均为质量份数。

表2 试验配合比

1.3 试样制备

按照《树脂浇铸体性能试验方法》GB/T2567—2008制备拉伸、剪切、压缩等测试试样，于（20±2）℃环境下养护7 d，测试其性能。

2 结果与分析

2.1 钢渣填料对环氧结构胶压缩性能的影响

对比图1中1号样品与其他样品，可以发现，填料的掺入可以有效提高环氧结构胶的压缩强度。2号、3号、4号、5号、6号样品中填料为钢渣粉。钢渣粉体中含有较高的Fe2O3，属于无机粒子，相较于环氧树脂等高分子聚合物，其刚度较强，有助于提升结构胶体系的抗压强度。随着偶联剂的改性浓度提高，结构胶的压缩强度先增长后降低，在1%浓度时，获得最大值。偶联剂对钢渣填料表面处理时，一端以化学键与钢渣表面结合，一端溶解扩散于树脂中，可形成柔性的有利于应力松弛的界面层，改善胶体的耐破坏性能。

图1 钢渣对环氧结构胶压缩性能的影响

2.2 钢渣填料对环氧结构胶剪切性能的影响

由图2可以看出，随着钢渣改性浓度的增加，结构胶的剪切强度逐渐提高，剪切性能逐渐优化。环氧树脂与填料是以氢键结合起来的，用偶联剂处理后，这种结合状态就变成以醚键为中介的共价键合，提高了胶体的剪切韧性。

图2 钢渣对环氧结构胶剪切性能的影响

2.3 钢渣填料对环氧结构胶弯曲性能的影响

图3 钢渣对环氧结构胶弯曲性能的影响

2.4 钢渣填料对环氧结构胶拉伸性能的影响

由图3～图5可以看出，钢渣粉及其改性浓度对弯曲强度、拉伸强度、伸长率的影响规律是相似的。钢渣粉、硅微粉等填料的引入，大幅度降低了胶体的弯曲强度、拉伸强度与伸长率。偶联剂对于钢渣微粉的改性作用对弯曲强度、拉伸强度、伸长率的影响是一致的，均在偶联剂浓度为0.2%时，达到最高值。拉伸强度是由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，表征其在静拉伸条件下的最大承载能力。环氧树脂类高分子材料强度的影响因素主要为主链化学键力和分子链作用力，钢渣填料的掺入，降低了单位胶体体积内的环氧树脂高分子材料所占的比例，形成的有效化学键与化学交联逐渐减少，拉伸强度逐渐降低。就拉伸强度而言，偶联剂对于钢渣的改性基本没有优化作用。

图4 钢渣对环氧结构胶拉伸强度的影响

图5 钢渣对环氧结构胶伸长率的影响

由图5、图6可以看出，钢渣填料对环氧树脂胶黏剂拉伸弹性模量与伸长率的影响是相反的。钢渣填料和硅微粉填料的引入降低了结构胶体系的伸长率，而且随着偶联剂改性浓度的提高，伸长率逐渐降低。伸长率指材料在外力作用下，其几何径向尺寸上所发生的变化。钢渣和硅微粉填料的加入，减弱了环氧树脂的分子交联，分子之间的空隙逐渐被填料填充。在受到外力作用时，分子的交联刚性增加，变形能力减弱，因此伸长率逐渐降低。偶联剂改性浓度的增加对伸长率没有优化作用。

图6 钢渣对环氧结构胶拉伸模量的影响

图6为钢渣填料与硅微粉填料对于环氧结构胶拉伸模量的影响。可以看出，钢渣粉与硅微粉的引入提高了胶体的模量。钢渣粉体中含有较高的Fe2O3，硅微粉主要成分为SiO2，二者都属于无机类刚性粒子。随着刚性粒子的加入填充了环氧树脂固化物的交联空间，增加其对变形的抵抗能力，使其模量逐渐增大。但是偶联剂的浓度增加没有提高胶体的拉伸模量。掺入硅微粉时，其模量明显优于钢渣微粉，分析原因有可能为钢渣粉与硅微粉二者之间的密度差异大。硅微粉的相对密度为2.3，钢渣微粉的相对密度为3.2。同样质量份数下，硅微粉与钢渣微粉二者的粒子数量差异近12.3%，单位质量下的硅微粉的粒子明显多于钢渣粉粒子，对于模量的提升作用明显。

3 结语

本文采用偶联剂对钢渣微粉进行表面改性，并对其在桥梁加固用环氧树脂结构胶体系中的应用进行了研究，得出如下结论：

a）钢渣填料的引入有助于提高环氧树脂结构胶胶体的压缩性能，当偶联剂浓度为0.2%～0.5%时，其压缩性能与硅微粉填料接近，明显高于不使用填料体系。

b）偶联剂对于钢渣粉的改性有效提高体系的剪切性能，远远优于不掺填料与硅微粉体系。

c）钢渣粉与硅微粉等填料的引入均降低了环氧树脂固化物的拉伸强度、弯曲强度与伸长率。钢渣填料和硅微粉填料的引入有助于改善环氧树脂胶体的拉伸模量，但是改善程度不具有规律性。