高強環氧樹脂混凝土的制備及性能研究

左聯，林銳，趙華宇，楊進超，蔡溪南

（西北核技術研究院，陜西 西安 710024）

0 前 言

環氧樹脂混凝土是以環氧樹脂部分或完全替代水泥，加入適量固化劑、稀釋劑、增韌劑等助劑，與砂、石等骨料經混合、成型、固化而成的一種有機-無機復合材料[1]。與普通水泥混凝土相比，環氧樹脂混凝土的力學性能和耐久性更加突出，具備高強、早強、耐水、耐化學腐蝕、抗凍等優異性能[2-3]，其3 d抗壓強度可達50~100 MPa，3 d抗折強度大于11.7 MPa。另外，環氧樹脂混凝土的體積穩定性好，固化前后體積基本不變，且在大多數基材表面具有很強的粘附性，特別適合作為快速修補材料[4-5]。經過數十年的研究發展，環氧樹脂混凝土已經在建筑、機械、交通、水利、電氣、化工等領域廣泛應用，特別是在建筑修補加固、鐵路軌枕及大型機床底座、道路搶修搶建、橋梁伸縮縫等方面有重要應用[6]。然而，我國在環氧樹脂混凝土領域的研究還不夠系統深入，相關理論體系還未系統形成，設計及施工經驗有待積累提升。

本文從力學性能角度出發，研究膠砂比（環氧樹脂E51與砂、石骨料的質量比）及固化劑摻量（乙二胺與環氧樹脂E51的質量比）對環氧砂漿性能的影響，通過正交試驗分析影響環氧樹脂混凝土性能的因素及其主次順序，為環氧樹脂混凝土配合比設計提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

環氧樹脂：鳳凰牌環氧樹脂WSR618（E51），雙酚A型，環氧當量184~195 g/mol，密度1.158 g/cm3，南通星辰合成材料有限公司，工業品；固化劑：乙二胺，天津市北聯精細化學品開發有限公司，分析純；河砂：中砂，細度模數2.79，堆積密度1.697 g/cm3，粒徑小于5 mm，空隙率16.98%；碎石：粒徑5~16 mm。由于環氧樹脂混凝土對砂、石含水率要求較高，一般要求含水率低于0.5%[7]，如果砂、石含水率較高，使用前應預先烘干。

1.2 試驗設備

WEY-3000微機液壓壓力試驗機，上海華龍測試儀器廠；JJ-5行星式水泥膠砂攪拌機，巨豐試驗機滄州制造有限公司；BG/T 17671-40A水泥標準養護箱，北京際威試驗儀器有限公司；DHG-9030（A）電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 試樣的制備與養護

將環氧樹脂、固化劑和骨料通過攪拌機充分攪拌后，分2~3次裝入試模，每次裝料后均用搗棒搗實，然后刮平，使試料與試模頂面平齊。在標準養護箱中[溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%]固化12 h后脫模，繼續在養護箱中養護至3 d?？箟簭姸仍嚇映叽?00 mm×100 mm×100 mm。

1.4 性能測試方法

參照GB/T50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，采用微機液壓壓力試驗機加載，加載速度為8.0 kN/s，每組配方至少測試3個試樣，取其算術平均值作為立方體抗壓強度測試結果。

2 結果與討論

2.1 環氧砂漿的性能測試與分析

2.1.1 膠砂比對環氧砂漿抗壓強度的影響

假設砂子顆粒之間的空隙恰好被環氧樹脂全部填充，此時：

實際上環氧樹脂不僅填充了砂子顆粒之間的空隙，還會對砂子顆粒進行包裹，故而環氧砂漿的合理膠砂比會較理論膠砂比大。當膠砂比小于0.15時，由于環氧樹脂用量過少，環氧砂漿成型較為困難，固化后孔隙也較多，抗壓強度低；當膠砂比大于0.30后，環氧砂漿表層“泌漿分層”嚴重，出現較厚“純環氧層”，因此，環氧砂漿的合理膠砂比在0.15~0.30。當固化劑乙二胺摻量為E51質量的10%時，膠砂比對環氧砂漿3 d抗壓強度的影響如表1所示。

表1 膠砂比對環氧砂漿抗壓強度的影響

從表1可以看出，隨著膠砂比的增大，環氧砂漿的抗壓強度逐漸提高。當膠砂比在0.15~0.25時，膠砂比的提高能夠顯著提高環氧砂漿的抗壓強度，當膠砂比在0.25~0.30內繼續增大時，環氧砂漿的抗壓強度增幅較小。這是因為當膠砂比較低時，環氧樹脂的用量相對較少，還不足以將所有的砂子顆粒完全包裹，而環氧樹脂與砂子之間的結合力遠遠大于砂子與砂子之間的結合力；同時，環氧樹脂對砂子之間空隙的填充也提高了環氧砂漿的密實度，因此，隨著膠砂比的增大，環氧砂漿的抗壓強度提高較大；當膠砂比增大到0.25~0.30時，環氧樹脂已經足夠對所有的砂子顆粒進行包裹，多出的環氧樹脂一部分用來增加包裹的厚度，一部分則是在成型過程中在試件頂部形成“純環氧層”，因此，隨著膠砂比進一步提高，環氧砂漿的抗壓強度提高不大。

2.1.2 固化劑用量對環氧砂漿抗壓強度的影響

固化劑用量對環氧樹脂性能影響較大，通過計算得到E51完全固化需要的乙二胺理論用量為7.65%，而實際用量往往大于理論用量。通過試驗得知，當乙二胺用量小于4.0%時，環氧樹脂固化不完全，不具備強度；當乙二胺用量為4.5%時，環氧樹脂的3 d抗壓強度為24.71 MPa；當乙二胺用量增加到6.0%時，3 d抗壓強度提高到42.64 MPa。這是因為乙二胺用量增加，提高了環氧樹脂的固化程度，增強了環氧樹脂的交聯反應，因此抗壓強度提高。當乙二胺用量超過10%后，固化速度過快，放熱過多，環氧砂漿試塊由于熱應力集中、傳熱不均、局部過熱等作用容易引起爆聚，出現發泡、局部斷層等現象。選取7%、8%、9%、10%四個梯度的乙二胺用量進行試驗，乙二胺用量及膠砂比對環氧砂漿抗壓強度的影響見圖1。

圖1 乙二胺用量及膠砂比對環氧砂漿抗壓強度的影響

從圖1可以看出，在一定范圍內，隨著固化劑用量的增加，環氧砂漿的抗壓強度隨之提高；當固化劑用量在7%~8%時，膠砂比對環氧砂漿抗壓強度的影響較小；當固化劑用量為9%~10%時，膠砂比的影響比較明顯，隨著膠砂比的增大，環氧砂漿的抗壓強度提高；當固化劑摻量為10%、膠砂比為0.28時，環氧砂漿的抗壓強度最高，為82.12 MPa。這可能是因為，當乙二胺用量在7%~8%時，環氧樹脂固化不完全，強度相對較低，增加環氧樹脂的用量對環氧砂漿強度的提高作用不明顯；當乙二胺用量在9%~10%時，環氧樹脂固化較為完全，此時提高環氧樹脂的用量，能夠增強環氧砂漿內部的粘結力，抗壓強度也相應提高，故而，當乙二胺用量在9%~10%時，在一定范圍內，隨著膠砂比的增大，環氧砂漿的強度提高。

2.2 環氧樹脂混凝土的性能測試與分析

通過正交試驗研究固化劑、砂、石用量（均按占環氧樹脂質量計）對環氧樹脂混凝土抗壓強度的影響，選擇L16（45）正交試驗方案，設置空列1和空列2，分別為D因素和E因素，每組配方中E51用量均為1250 g。正交試驗因素水平見表2，結果及極差分析見表3。

表2 正交試驗因素水平

表3 正交試驗結果及極差分析

從表3可以看出，固化劑乙二胺用量是影響環氧樹脂混凝土3 d抗壓強度的主要因素，隨乙二胺用量的增加，環氧樹脂混凝土的3 d抗壓強度逐漸提高；石用量是影響環氧樹脂混凝土3 d抗壓強度的次要因素，隨石用量的增加，環氧樹脂混凝土的3 d抗壓強度先降低后提高；砂用量對環氧樹脂混凝土3 d抗壓強度影響最小，隨砂用量的增加，環氧樹脂混凝土的3 d抗壓強度無明顯的規律性。最佳試驗條件為A4B3C4，即，乙二胺用量為環氧樹脂質量的10%、砂用量為環氧樹脂質量的240%、石用量環氧樹脂質量的為260%。

空列項平均極差R=（2.22+4.18）/2=3.20，故試驗誤差為3.20 MPa，說明本次正交試驗的誤差很小。

按上述最佳試驗條件制備環氧樹脂混凝土，測得其1、3 d立方體抗壓強度分別為86.04、95.88 MPa。此時乙二胺用量為10%，而膠砂比僅為0.2，相比同條件下的環氧砂漿，其3 d抗壓強度僅有65.21 MPa，故而，環氧樹脂混凝土較環氧砂漿成本更低，強度更高。

3 結 論

（1）對于環氧砂漿，合理膠砂比在0.15%~0.30，合理固化劑用量為7%~10%，且此范圍內，膠砂比和固化劑摻量越大，環氧砂漿的抗壓強度越高。當膠砂比為0.30、乙二胺用量為10%時，環氧砂漿的3 d抗壓強度為86.60 MPa。

（2）對于環氧樹脂混凝土，各因素對3 d抗壓強度的影響順序由大到小依次為乙二胺用量>石用量>砂用量，最佳試驗條件為：乙二胺、砂、石用量分別為環氧樹脂質量的10%、240%、260%，按此制備的環氧樹脂混凝土1 d抗壓強度為86.04 MPa，3 d 抗壓強度為 95.88 MPa。

（3）環氧樹脂混凝土通過配方優化后，較環氧砂漿成本更低、性能更好。