改性環氧樹脂力學性能試驗研究★

陶亞文

(1.河南工業大學土木工程學院，河南 鄭州 450001； 2.洛陽理工學院土木工程學院，河南 洛陽 471023)

環氧樹脂作為一種最為常見的新型復合加固材料，具有高強、耐腐蝕、密度小、養護周期短、絕緣性好、可水下作業等優點，可用于金屬、玻璃、陶瓷、混凝土、木材、纖維等材料之間的黏結，在樁基接長、應急修復、軍事設施等工程中有著極佳表現，但環氧樹脂也存在脆性高，抗開裂性能差等缺點，導致環氧樹脂在工程建設領域難以普及推廣，通過摻雜外加填料實現對環氧樹脂的改性，是改善環氧樹脂力學性能的常用方法[1-2]。石學堂等[3]采用曼尼希對環氧樹脂進行改性，在加快環氧樹脂室溫固化速度的同時又提高了其抗剪強度。彭勃等[4]通過實驗發現固化劑復配法對樹脂材料抗老化能力提高顯著，有機蒙脫土可有效提高樹脂材料的強度。王安東等[5]通過在環氧樹脂中摻雜18%的增韌劑對其進行改性，當樹脂質量分數為33%以及袋壓為0.8 MPa時，環氧樹脂的拉伸強度為462 MPa，強度提高了78%，增韌效果明顯。李悅等[6]通過實驗發現固化劑和增韌劑對環氧樹脂固化物力學性質的影響存在一個臨界值，外加劑摻量大于臨界值時，將造成環氧樹脂固化物力學性質的降低。劉紀艷[7]通過摻雜納米碳酸鈣和硅微粉對環氧樹脂進行改性，實驗發現，當兩種填料按1∶1組合對環氧樹脂進行改性時，抗壓強度和抗拉強度較未改性的環氧樹脂分別提高了18%和14%，力學性能改善明顯。武德濤等[8]采用環氧基液體丁晴橡膠和MBS聚合物增韌樹脂作為環氧樹脂材料的增韌劑，取得顯著效果。雷臥龍等[9]通過實驗發現橡膠顆粒的摻入會提高環氧樹脂混凝土的變形能力，但將造成強度降低，1.5 mm粒徑的橡膠顆粒對兩種性能有較好的中和。曹國靜等[10]采用膨潤土和納米二氧化硅對環氧樹脂進行改性，實驗發現，膨潤土在增加材料拉伸強度的同時降低了材料的塑性，納米二氧化硅在提高材料抗剪強度的同時也降低了材料的拉伸強度，二者共同作用時會使材料的性能有一個很好的綜合。

綜上所述，目前相關學者對環氧樹脂改性的方法主要有3種，包括橡膠彈性體增韌方法、納米粒子增韌方法、互穿網絡結構增韌法。盡管目前有關改性環氧樹脂的研究已取得很大進步，但多數改性方法難以確保韌性和強度的同時提高。因此，本文將制備5種環氧樹脂并進行力學性能試驗，以期確定較為合適的工藝參數，達到其改性增強增韌的目的。

1 試驗

1.1 試驗原材料

環氧樹脂1型為山西省大同市生產的環氧基類有機材料；環氧樹脂2，3，4型分別為中科院廣州化灌工程有限公司生產的XT-A高滲透環氧樹脂、XT通用環氧樹脂裂縫修復材料、XT改性環氧灌漿材料(濃漿型)三種類型的有機材料；柔性固化劑采用低分子聚酰胺樹脂，安徽定遠縣丹寶樹脂有限公司生產；其余固化劑均為廠家配套提供；玄武巖纖維單絲直徑為9 μm～17 μm，長度為6 mm，密度為2 680 kg/m3，抗拉強度為4 120 MPa～4 820 MPa，彈性模量為95 GPa～110 GPa，山西晉投玄武巖開發有限公司生產；石英砂粒徑約為20目～40目；鋼纖維單絲直徑約為0.1 mm，長度為12 mm，密度為7 890 kg/m3，抗拉強度為400 GPa～1 200 GPa，彈性模量為200 GPa。

1.2 試驗設備

本次試驗采用YBZ2×2(1.5)-50(63)電動油泵配合YDC-650穿心千斤頂以及自制的反力支架進行試樣強度測試，實驗前，在中國人民解放軍總參謀部軍訓部防護工程計量測試站對加載設備進行了聯合標定。

1.3 試樣制備及測試

參考GB/T 2567—2008樹脂澆鑄體性能試驗方法進行試樣澆筑，本次實驗共設計了5種配合比，參考文獻[11]最佳纖維摻量設計的試驗配合比如表1所示，玄武巖纖維和鋼纖維摻量分別為體積的0.1%和2%?？紤]實際工程需要，將養護時間設定為7 d,14 d,28 d，脫模后運用雙端打磨機對試樣兩端面進行打磨處理，每種工況下試樣制備三塊，試樣制備完成后，參考GB/T 1041—2008塑料壓縮性能的測定進行單壓縮實驗。

表1 材料配合比設計

2 結果與討論

2.1 初步分析

環氧樹脂固化物密度測試結果見表2，單軸壓縮試驗結果見表3。

表2 環氧樹脂固化物密度

表3 環氧樹脂抗壓強度

由表2可知，環氧樹脂固化物密度在1 144 kg/m3～1 604 kg/m3之間。由表3可知，8種環氧樹脂28 d養護強度為24 MPa～123 MPa，7 d養護強度均在28 d養護強度的80%以上，7 d后強度隨時間增長不明顯，其中B-3型環氧樹脂28 d養護強度較第14天略有降低，分析其原因可能為改性環氧樹脂在固化過程中，會進行化學反應并釋放熱量和氣體，難以順利排出的氣體滯留在試樣內部造成試樣出現密閉氣泡，試樣自身出現缺陷，材料的非均質性增強，導致同類試樣的力學性能略有差異。

2.2 玄武巖纖維對環氧樹脂材料性能的影響

摻雜玄武巖纖維前后，環氧樹脂強度和固化物密度如表4所示。

表4 玄武巖纖維對環氧樹脂強度及密度的影響

由表4可知，實驗周期內A-1型環氧樹脂最大強度為24 MPa，固化物密度為1 220 kg/m3，但摻雜玄武巖纖維后，固化物密度降低5.9%，同時強度提高近3倍達63 MPa。

造成其密度降低的原因可能為玄武巖纖維與環氧樹脂(環氧樹脂漿體密度為1 000 kg/m3～1 100 kg/m3)比重相近并且摻量較少，玄武巖纖維自身質量對改性環氧樹脂固化物質量影響較小，并且纖維材料在環氧樹脂內部以大量三維亂向空間網絡體系存在，具有一定稠度的基質材料難以順利進入纖維空間網絡體系內部并完全填充整個體系，同時在混合料拌合過程中，纖維附近的基質材料易出現氣泡，上述原因共同導致A-2型環氧樹脂固化物中氣體體積比升高，從而使固化物密度降低。

造成強度大幅度提高的原因可能有以下幾點：1)試樣在壓縮過程中，纖維與基質材料間的界面吸附結合力會分散一部分外界傳遞的能量到纖維上。2)在改性環氧樹脂體系內部，纖維和裂隙存在兩種空間位置形式，如圖1所示，從圖1(a)可以看出，當纖維間距小于裂隙時，纖維跨越裂隙先后兩端面，起到“橋接”作用，接收并傳遞荷載，引起改性環氧樹脂體系內部應力重新分布并產生更加均勻的應力場，避免裂隙尖端應力集中，從而約束裂隙的發展；從圖1(b)可以看出，當纖維間距大于裂隙時，裂隙尖端的擴展方向受到纖維的阻撓而改變，使裂隙尖端的應力集中情況得到改善，或裂隙繼續跨越纖維形成模式，進而阻止裂隙的發展，提高了材料抵抗變形破壞的能力。玄武巖纖維改性前后，環氧樹脂破壞形態如圖1所示，由于玄武巖纖維的“橋接”作用，材料的韌性增加，試樣的破壞形式由脆性破壞轉變為塑性破壞，這與文獻[12]的研究結果相符。

同時由表3可知，A-1型環氧樹脂7 d養護強度為22 MPa，約為28 d強度的91%，14 d,28 d養護強度依次增加4.5%,4.3%。摻雜玄武巖纖維后，環氧樹脂7 d養護強度為59 MPa，約為28 d強度的94%，14 d,28 d養護強度依次增加1.7%,5%。兩者強度隨養護時間的變化趨勢基本一致，由此可見，是否摻雜玄武巖纖維對養護時間的影響較小。

2.3 鋼纖維對環氧樹脂材料性能的影響

摻雜鋼纖維后，環氧樹脂強度與固化物密度的變化規律如圖2所示。

由圖2可知，B-1型環氧樹脂28 d養護強度為37 MPa，固化物密度為1 402 kg/m3，B-2，B-3較B-1型環氧樹脂28 d養護強度分別增長48.6%,86.5%，固化物密度分別增長14.4%，15.9%。同時由前文表2可知，環氧樹脂經鋼纖維改性后，固化物密度明顯增加，這是由于混合料中鋼纖維比重約為基質材料的6倍，單位體積內質量增加，從而造成固化物密度升高。鋼纖維具有與玄武巖纖維相同的“橋接”作用，B-1,B-2,B-3 型改性環氧樹脂固化物均表現出較高的韌性，三種試樣均為塑性破壞。

3 結語

纖維材料的“橋接”作用可以顯著提高環氧樹脂的力學性質和變形能力，并有效降低固化物密度，摻雜玄武巖纖維后，環氧樹脂強度提高約3倍，且密度降低5.9%，變形能力增強；摻雜鋼纖維后，其變形能力增強，但比重增加。