凍融循環下環氧砂漿材料力學性能試驗研究

萬慶玲

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330200)

1 概述

在自然環境和運行年限等多重因素的影響下，水利工程混凝土結構容易產生結構疲勞甚至破壞[1- 3]。環氧砂漿作為常用的水工混凝土修補材料，其能夠有效解決混凝土裂縫問題并快速修補。李鵬等[4]制備了一種水性環氧砂漿并對其展開了試驗研究，最后指出環氧水泥砂漿的最佳施工厚度為1～3mm，此時防護效果最好。此外，部分學者也提出采用環氧樹脂改良堿性礦渣水泥砂漿或纖維增強砂漿等手段，能夠有效提升環氧砂漿材料的修復效果和力學性能[5- 7]。

此外，凍融循環影響下，環氧砂漿修補材料的工程性能會產生一定的劣化效應。混凝土結構和修補材料的力學性能、穩定性在凍融循環的影響下不斷變差，對其工程性能影響較大[8- 10]。然而，現有關于凍融循環影響下環氧砂漿材料力學性能的研究較少。因此，為研究凍融循環影響下環氧砂漿材料的工程力學性質，本文對不同凍融循環次數下的環氧砂漿材料開展了質量損失率、抗壓強度及抗折強度試驗，以期研究成果為我國水利工程混凝土修復工作提供一定的指導作用。

2 試驗設計

2.1 原材料

本次試驗所用環氧砂漿材料的制備涉及到的原材料主要包括：①E- 44型環氧樹脂，材料的環氧當量為210～230g/mol，軟化點為14～23℃；②稀釋劑，主要成分為環氧氯丙烷；③石英砂，密度約為1.48g/cm3；④固化劑；⑤增韌劑，添加量為2%～5%。

2.2 材料制備

環氧砂漿材料的制備工序復雜，主要涉及到以下流程：①將環氧樹脂、稀釋劑和石英砂混合制備為環氧砂漿組分A，再將固化劑、增韌劑、稀釋劑及其他助劑混合得到組分B；②將砂漿A和B按照15∶1的質量比混合，再以30rpm的速率混勻攪拌10min，直至漿液顏色均勻且無凝結塊體；③將拌制好的環氧砂漿分2次裝填入模具中，每次都用振搗棒振實，刮去高于模具邊緣的砂漿，并用抹刀將試件表面壓平抹光，在室溫條件下進行養護28d直至凝結、結石；④利用凍融循環試驗機對養護成型后的環氧砂漿材料試樣進行凍融循環處理，凍融循環次數分別為0、50、100、150、200次。凍融試驗過程中，凍結溫度下限為-20℃，解凍溫度為室溫，每次凍結時間為30min。

2.3 試驗設計

為研究凍融循環試驗條件下環氧砂漿材料的綜合工程性質，本次研究室內制備了不同凍融循環次數下(n=0、50、100、150、200)環氧砂漿養護成型試樣，并對其展開了質量測試、抗壓強度測試以及抗折強度試驗。其中，質量測試的研究對象為凍融循環次數為200次的環氧砂漿成型試樣，在其分別經歷0、50、100、150、200次凍融循環后及時展開質量測試。抗壓強度試驗和抗折強度試驗則是分別針對不同循環次數下的環氧砂漿養護成型試樣展開，試驗設備為萬能試驗機。抗壓強度試驗所用試樣為150mm×150mm×150mm的立方體標準試樣，抗折強度試驗則采用150mm×150mm×600mm的棱柱標準試樣。

3 試驗結果分析

3.1 質量損失率

根據凍融循環200次環氧砂漿試樣的質量測試結果，得到其試樣的質量和質量損失率隨凍融循環次數變化關系如圖1所示。由圖1可知，環氧砂漿試樣的質量逐漸減小、質量損失率逐漸增大。結合試樣表面觀測結果進行分析，筆者認為，在凍融循環的影響下，環氧砂漿材料表面出現了小范圍的局部損失現象，且這種情況隨著凍融循環次數的增加而不斷變得明顯，因此環氧砂漿材料的質量逐漸減小。進一步分析可以發現，經過50次凍融循環處理的環氧砂漿質量損失率為2.14%，而經過200次凍融循環處理的環氧砂漿試樣的質量損失率也僅有5.64%。上述研究結果表明，即使在200次-20℃～常溫的凍融循環影響下，環氧砂漿材料也能保持較好的穩定性，材料的質量損失很小。

圖1 環氧砂漿材料質量隨凍融循環次數變化關系

3.2 抗壓強度

室內對不同凍融循環次數下(n=0、50、100、150、200)的環氧砂漿成型試樣展開了抗壓強度試驗，得到其抗壓強度隨凍融循環次數變化關系見表1。由表1可知，隨著凍融循環次數的增加，環氧砂漿成型試樣的抗壓強度呈現出先增大后減小的變化趨勢。初始條件下(n=0)，養護28d后的環氧砂漿試樣的抗壓強度為86.43MPa。隨后，材料的抗壓強度逐漸增大，并且在凍融循環次數為100次時取得最大值，此時其立方體抗壓強度為95.09MPa，較EM- 1試樣強度提升10.02%。此后，材料的抗壓強度逐漸減小，當凍融循環次數為200次時，材料的抗壓強度為82.11MPa。分析認為，相較于水泥基材料，環氧砂漿材料具有韌性高、密實等特殊優勢。在凍融循環過程中，水分很難滲入到環氧砂漿材料內部，因此凍融循環并不會導致內部出現大范圍的凍漲損傷。此外，凍融循環在一定程度上會引起環氧樹脂材料的凍結硬化，因此，在100次凍融循環下，材料的抗壓能力得到了很好的加強，因此其抗壓強度出現了增大現象。

表1 不同凍融循環次數下環氧砂漿材料抗壓強度

3.3 抗折強度

不同凍融循環次數下環氧砂漿材料的抗折強度如圖2所示。由圖2可知，當凍融循環次數為0時，環氧砂漿材料的抗折強度為27.14MPa，此后，材料的抗折強度分別為26.33、25.20、23.88、23.01MPa，較初始條件下分別降低2.98%、7.15%、12.01%、15.22%。進一步對環氧砂漿材料抗折強度和凍融循環次數之間的關系進行擬合，發現二者之間符合負線性函數關系，即，材料的抗折強度隨凍融循環次數成線性逐漸降低的變化趨勢。線性相關系數為0.9919，擬合效果良好。

圖2 環氧砂漿材料抗折強度隨凍融循環次數變化關系

4 結論

(1)隨著凍融循環次數的不斷增加，環氧砂漿試樣的質量和抗折強度逐漸減小。經過200次凍融循環處理的環氧砂漿試樣，其質量損失率為5.64%，抗折強度則相對降低15.22%。

(2)隨著凍融循環次數的增大，材料的抗壓強度呈現出先增大后見效的變化趨勢。n=0時，環氧砂漿試樣的抗壓強度為86.43MPa；此后材料的抗壓強度逐漸增大，并且在凍融循環次數為100次時取得最大值，此時其立方體抗壓強度為95.09MPa，較EM- 1試樣強度提升10.02%。

(3)本次研究僅從物理參數和力學性質角度分析凍融循環次數對材料性質的影響，缺乏微觀結構分析，下一步應當開展電鏡掃描試驗展開相關研究。