关于微波固化环氧树脂混凝土路面抢修材料的力学性能分析

    摘要：研究了环氧树脂混凝土试件在自制微波辐射装置下的固化时间，发现其在该条件下10min即可实现基本固化，并达到较高强度；进一步研究了微波固化环氧树脂混凝土的力学性能，结果表明：该混凝土抗压强度近50MPa,抗折强度可达10MPa以上，且与原结构黏结强度高，同时具有良好的低温性能。研究用微波固化环氧树脂混凝土具有高强、快硬、施工方便及固化易于控制等优点，可应用于路面抢修抢建工程。
   
    关键词：环氧树脂混凝土；微波固化；力学性能；路面抢修
   
    目前，国内外路面抢修材料主要为硅酸盐水泥类混凝土，其中水泥包括土聚水泥、磷酸盐胶凝材料和快硬铝酸盐水泥。土聚水泥是Davidovits在深入研究古建筑材料的基础上开发出的一种碱激活胶凝材料，具有早强快硬等优良性能，目前已应用于机场、港口、码头和道路桥梁等军事工程的抢修抢建中，也能在防灾减灾等临时工程中发挥重要作用。
   
    磷酸盐胶凝材料是新型气硬性胶凝材料的一种，Sugama等研究了磷酸铵镁水泥的水化产物及水化机理等，并实现了能用于实际工程的磷酸铵镁水泥的生产。
   
    因磷酸盐胶凝材料具有早强、凝结时间可调等优良性能，发达国家及地区的学者都曾致力于或正在对磷酸盐类胶凝材料的水化机理及应用开发进行研究。
   
    近年来，国内对磷酸镁水泥用于抢修材料的研究越来越多，如丁铸等对新型磷酸镁水泥的制备和性能进行了更加深入的研究，并以MgO含量较低的镁砂和粉煤灰为主要原料成功制备出凝结快、早期强度高的磷硅酸盐水泥。快硬铝酸盐水泥是以铝质原料、石灰质原料和石膏，经适量配合后煅烧成含有无水硫酸钙的熟料，再掺入适量石膏共同磨细而制成，是我国具有独立知识产权的水泥品种，它具有早期强度发展快、强度高、长期强度稳定增长的特点，同时具有抗硫酸盐侵蚀和抗冻融循环能力，一般在冬季施工，在水工工程及修补工程等特殊工程中应用较多。
   
    国内外在上述抢修材料方面均取得了很多成果，抢修材料以其快硬高强、凝结时间可调、耐久性能好等优点应用于军事工程抢修抢建和灾后快速修复中。但目前的抢修材料仍存在一些缺陷，如反应时间可调而不可控且不能中断施工，操作时间较短，施工质量无法得到保证，另外胶凝材料多为单组分熟料，不易保存。
   
    鉴于此，本文制备了一种综合性能优良的环氧树脂混凝土快速修补材料，其前期操作时间长，易于控制，而后期可通过微波方式实现快速固化，本研究为抢修材料的应用提供指导和借鉴。环氧树脂混凝土混合料试件制备原材料环氧树脂：双酚A型E51（中昊晨光化工研究院）；固化剂：聚酰胺V125（德国科宁V-125）；稀释剂：环氧丙烷丁基醚（深圳恒丰化工有限公司）。仪器及设备自制微波辐射装置示意图如图1所示。该装置主要包括防护罩、主机箱、4个微波喇叭辐射口以及4个450W磁控管。每个辐射口的辐射尺寸为50cm×50cm,磁控管距辐射口平面的直线距离为30cm.
   
    样品制备按表1级配称取混合料，将其加入拌和锅中搅拌3min,然后按材料配比将环氧树脂、固化剂和稀释剂混合均匀后加入到拌和锅中，继续搅拌3min,取其适量分别放入10cm×10cm×10cm抗压以及10cm×10cm×40cm抗折ABS塑料模具中，捣实刮平后分别在室温、加热及微波发射装置中固化成型。
   
    微波固化环氧树脂混凝土性能试验。不同固化条件下环氧树脂混凝土抗压强度成型5组立方体抗压试件，每组3个，放置于微波喇叭口下，采用微波功率为3×450W,辐照不同时间后测试每组试件的抗压强度，结果如表2所示。成型5组立方体抗压试件，每组3个，分别在室温（恒定温度为（25±0.5）℃）和电子烘箱加热条件下（温度设定为100℃）进行固化，经过不同固化时间后测试每组试件的抗压强度，结果如表3,4所示。
   
    由表3,4可见，常温下环氧树脂混凝土初凝时间在4h以上，具有较长的操作时间，当环氧树脂混凝土抗压强度达40MPa时，采用常温固化方式需4d,采用100℃热固化方式需1.5~2.0h,而采用微波固化方式仅需10min.
   
    由此可见，微波固化方式可以很大程度地提高环氧树脂混凝土的固化速率。对于普通道路水泥混凝土路面，其抗压强度要求大于25MPa,而对变形能力并无具体要求。
   
    试验结果表明微波固化环氧树脂混凝土能在很短时间内实现快速固化，且固化物强度满足路面材料抗压强度要求。环氧树脂混凝土室温抗弯拉强度抗弯拉强度是路用材料最重要的性能指标。试验中在试件的下边缘两侧对称布置电子引伸计，用来连续测量试件的弯拉应变，电子引伸计记录的应变突变值即为试件的弯曲极限应变，结果取3次试验的平均值。
   
    试验结果见表5.由表5可知，环氧树脂混凝土的抗弯拉性能优于普通混凝土，能满足路用材料对抗弯拉强度的需求。环氧树脂混凝土低温抗弯拉强度高低温性能是路面材料的重要使用性能。因环氧树脂是热固性胶黏材料，其固化条件及自身的结构决定了环氧树脂抵抗高温性能较好，但其抵抗低温破坏及低温变形的能力需要通过试验来进行验证。
   
    试验尺寸、固化条件及加载方式与2.2小节相同，试验温度控制在（-10±0.5）℃。同常温抗折强度试验一样，计算出试件在低温条件下的抗弯拉强度及弯曲极限应变，见表6.
   
    由表6可知，低温条件下环氧树脂混凝土的抗弯拉强度并未降低，但变形能力急剧下降，较室温极限应变值下降了40%左右，但仍能满足路面材料的变形要求。环氧树脂混凝土与原混凝土路面的黏结性能与原混凝土结构黏结质量良好，是保证道路抢修质量和耐久性能的关键。TJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面养护技术规范》附录A3.3.1规定：若新老混凝土连接强度好，则新旧混凝土结合处剪切强度应达到混凝土整体强度的55%.为研究环氧树脂混凝土与原结构的黏结性能，参考尹健的测试方法进行了试验。
   
    将龄期为60d的C30混凝土立方体试件（10cm×10cm×10cm）通过劈裂抗拉试验劈开，清理掉表面松动的砂浆及骨料，将半立方体试件放入模具中制成水泥-环氧树脂混凝土试件，在微波条件下辐射10min进行固化，待试件温度降为室温后即对试件进行劈拉试验，见图2.
   
    水泥-环氧树脂混凝土试件的劈拉强度值即为新老界面的黏结强度，试验结果见表7.由表7可知，水泥-环氧树脂混凝土试件的劈拉强度与原试件的劈拉强度基本相近。从劈裂破坏位置以及破坏断面看，新的劈裂破坏面出现在水泥混凝土上而未发生在黏结界面处，可见微波固化环氧树脂混凝土与原水泥混凝土界面黏结良好。
   
    结论（1）采用E51和V125制备的环氧树脂混凝土常温下初凝时间约为4h,具有较长的施工操作时间；在微波条件下10min就可快速固化，其抗拉强度达10MPa以上，抗压强度近50MPa.
   
    （2）室温弯拉和低温弯拉试验结果表明环氧树脂混凝土有较高的抗弯拉强度，低温时环氧树脂混凝土的抗弯拉强度未降低，变形能力却急剧下降，其较室温极限应变值下降了40%左右。
   
    （3）对水泥-环氧树脂混凝土立方体试件进行新老混凝土黏结性能试验，其劈拉强度与原试件基本相近且破坏面未出现在界面处，表明微波固化环氧树脂混凝土与原水泥混凝土截面黏结良好。
   
    参考文献：
   
    [1]DAVIDOVITSJ.The ancient Egyptianpy ramids-concret eorrock[J]. Concrete Int,1987,9（12）：28.   
    [2]DAVIDOVITSJ.Geopolymers: Man-maderockgeosynthesis and the resulting development of very early high strengthce-ment[J].J Materials Education,1994,16（2-3）：91.   
    [3]张程博，石宗利，王顺花。土聚水泥的研究现状与展望[J].硅酸盐通报，2008,27（1）：127-131.   
    [4]段瑜芳。土聚水泥基材料研究[D].唐山：河北理工学院，2004.   
    [5]施惠生，吴敏。土聚水泥的聚合反应与研究现状[J].材料导报，2007,21（8）：88-91.   
    [6]王爱国，孙道胜，胡普华，等。土聚水泥的物理力学性能研究[J].混凝土，2009（7）：77-80.