微波固化環(huán)氧樹脂混凝土路面搶修材料的力學(xué)性能分析論文

　　摘要：研究了環(huán)氧樹脂混凝土試件在自制微波輻射裝置下的固化時間，發(fā)現(xiàn)其在該條件下10min即可實現(xiàn)基本固化，并達(dá)到較高強度；進(jìn)一步研究了微波固化環(huán)氧樹脂混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：該混凝土抗壓強度近50MPa,抗折強度可達(dá)10MPa以上，且與原結(jié)構(gòu)黏結(jié)強度高，同時具有良好的低溫性能。研究用微波固化環(huán)氧樹脂混凝土具有高強、快硬、施工方便及固化易于控制等優(yōu)點，可應(yīng)用于路面搶修搶建工程。

　　關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂混凝土；微波固化；力學(xué)性能；路面搶修

　　目前，國內(nèi)外路面搶修材料主要為硅酸鹽水泥類混凝土，其中水泥包括土聚水泥、磷酸鹽膠凝材料和快硬鋁酸鹽水泥。土聚水泥是Davidovits在深入研究古建筑材料的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種堿激活膠凝材料，具有早強快硬等優(yōu)良性能，目前已應(yīng)用于機場、港口、碼頭和道路橋梁等軍事工程的搶修搶建中，也能在防災(zāi)減災(zāi)等臨時工程中發(fā)揮重要作用。

　　磷酸鹽膠凝材料是新型氣硬性膠凝材料的一種，Sugama等研究了磷酸銨鎂水泥的水化產(chǎn)物及水化機理等，并實現(xiàn)了能用于實際工程的磷酸銨鎂水泥的生產(chǎn)。

　　因磷酸鹽膠凝材料具有早強、凝結(jié)時間可調(diào)等優(yōu)良性能，發(fā)達(dá)國家及地區(qū)的學(xué)者都曾致力于或正在對磷酸鹽類膠凝材料的水化機理及應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行研究。

　　近年來，國內(nèi)對磷酸鎂水泥用于搶修材料的研究越來越多，如丁鑄等對新型磷酸鎂水泥的制備和性能進(jìn)行了更加深入的研究，并以MgO含量較低的鎂砂和粉煤灰為主要原料成功制備出凝結(jié)快、早期強度高的磷硅酸鹽水泥�？煊蹭X酸鹽水泥是以鋁質(zhì)原料、石灰質(zhì)原料和石膏，經(jīng)適量配合后煅燒成含有無水硫酸鈣的熟料，再摻入適量石膏共同磨細(xì)而制成，是我國具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的水泥品種，它具有早期強度發(fā)展快、強度高、長期強度穩(wěn)定增長的特點，同時具有抗硫酸鹽侵蝕和抗凍融循環(huán)能力，一般在冬季施工，在水工工程及修補工程等特殊工程中應(yīng)用較多。

　　國內(nèi)外在上述搶修材料方面均取得了很多成果，搶修材料以其快硬高強、凝結(jié)時間可調(diào)、耐久性能好等優(yōu)點應(yīng)用于軍事工程搶修搶建和災(zāi)后快速修復(fù)中。但目前的搶修材料仍存在一些缺陷，如反應(yīng)時間可調(diào)而不可控且不能中斷施工，操作時間較短，施工質(zhì)量無法得到保證，另外膠凝材料多為單組分熟料，不易保存。

　　鑒于此，本文制備了一種綜合性能優(yōu)良的環(huán)氧樹脂混凝土快速修補材料，其前期操作時間長，易于控制，而后期可通過微波方式實現(xiàn)快速固化，本研究為搶修材料的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。環(huán)氧樹脂混凝土混合料試件制備原材料環(huán)氧樹脂：雙酚A型E51（中昊晨光化工研究院）；固化劑：聚酰胺V125（德國科寧V-125）；稀釋劑：環(huán)氧丙烷丁基醚（深圳恒豐化工有限公司）。儀器及設(shè)備自制微波輻射裝置示意圖如圖1所示。該裝置主要包括防護(hù)罩、主機箱、4個微波喇叭輻射口以及4個450W磁控管。每個輻射口的輻射尺寸為50cm×50cm,磁控管距輻射口平面的直線距離為30cm.

　　樣品制備按表1級配稱取混合料，將其加入拌和鍋中攪拌3min,然后按材料配比將環(huán)氧樹脂、固化劑和稀釋劑混合均勻后加入到拌和鍋中，繼續(xù)攪拌3min,取其適量分別放入10cm×10cm×10cm抗壓以及10cm×10cm×40cm抗折ABS塑料模具中，搗實刮平后分別在室溫、加熱及微波發(fā)射裝置中固化成型。

　　微波固化環(huán)氧樹脂混凝土性能試驗。不同固化條件下環(huán)氧樹脂混凝土抗壓強度成型5組立方體抗壓試件，每組3個，放置于微波喇叭口下，采用微波功率為3×450W,輻照不同時間后測試每組試件的抗壓強度，結(jié)果如表2所示。成型5組立方體抗壓試件，每組3個，分別在室溫（恒定溫度為（25±0.5）℃）和電子烘箱加熱條件下（溫度設(shè)定為100℃）進(jìn)行固化，經(jīng)過不同固化時間后測試每組試件的抗壓強度，結(jié)果如表3,4所示。

　　由表3,4可見，常溫下環(huán)氧樹脂混凝土初凝時間在4h以上，具有較長的操作時間，當(dāng)環(huán)氧樹脂混凝土抗壓強度達(dá)40MPa時，采用常溫固化方式需4d,采用100℃熱固化方式需1.5~2.0h,而采用微波固化方式僅需10min.

　　由此可見，微波固化方式可以很大程度地提高環(huán)氧樹脂混凝土的固化速率。對于普通道路水泥混凝土路面，其抗壓強度要求大于25MPa,而對變形能力并無具體要求。

　　試驗結(jié)果表明微波固化環(huán)氧樹脂混凝土能在很短時間內(nèi)實現(xiàn)快速固化，且固化物強度滿足路面材料抗壓強度要求。環(huán)氧樹脂混凝土室溫抗彎拉強度抗彎拉強度是路用材料最重要的性能指標(biāo)。試驗中在試件的下邊緣兩側(cè)對稱布置電子引伸計，用來連續(xù)測量試件的彎拉應(yīng)變，電子引伸計記錄的應(yīng)變突變值即為試件的彎曲極限應(yīng)變，結(jié)果取3次試驗的平均值。

　　試驗結(jié)果見表5.由表5可知，環(huán)氧樹脂混凝土的抗彎拉性能優(yōu)于普通混凝土，能滿足路用材料對抗彎拉強度的需求。環(huán)氧樹脂混凝土低溫抗彎拉強度高低溫性能是路面材料的重要使用性能。因環(huán)氧樹脂是熱固性膠黏材料，其固化條件及自身的結(jié)構(gòu)決定了環(huán)氧樹脂抵抗高溫性能較好，但其抵抗低溫破壞及低溫變形的能力需要通過試驗來進(jìn)行驗證。

　　試驗尺寸、固化條件及加載方式與2.2小節(jié)相同，試驗溫度控制在（-10±0.5）℃。同常溫抗折強度試驗一樣，計算出試件在低溫條件下的抗彎拉強度及彎曲極限應(yīng)變，見表6.

　　由表6可知，低溫條件下環(huán)氧樹脂混凝土的抗彎拉強度并未降低，但變形能力急劇下降，較室溫極限應(yīng)變值下降了40%左右，但仍能滿足路面材料的變形要求。環(huán)氧樹脂混凝土與原混凝土路面的黏結(jié)性能與原混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)質(zhì)量良好，是保證道路搶修質(zhì)量和耐久性能的關(guān)鍵。TJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》附錄A3.3.1規(guī)定：若新老混凝土連接強度好，則新舊混凝土結(jié)合處剪切強度應(yīng)達(dá)到混凝土整體強度的55%.為研究環(huán)氧樹脂混凝土與原結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能，參考尹健的測試方法進(jìn)行了試驗。

　　將齡期為60d的C30混凝土立方體試件（10cm×10cm×10cm）通過劈裂抗拉試驗劈開，清理掉表面松動的砂漿及骨料，將半立方體試件放入模具中制成水泥-環(huán)氧樹脂混凝土試件，在微波條件下輻射10min進(jìn)行固化，待試件溫度降為室溫后即對試件進(jìn)行劈拉試驗，見圖2.

　　水泥-環(huán)氧樹脂混凝土試件的劈拉強度值即為新老界面的黏結(jié)強度，試驗結(jié)果見表7.由表7可知，水泥-環(huán)氧樹脂混凝土試件的劈拉強度與原試件的劈拉強度基本相近。從劈裂破壞位置以及破壞斷面看，新的劈裂破壞面出現(xiàn)在水泥混凝土上而未發(fā)生在黏結(jié)界面處，可見微波固化環(huán)氧樹脂混凝土與原水泥混凝土界面黏結(jié)良好。

　　結(jié)論

　�。�1）采用E51和V125制備的環(huán)氧樹脂混凝土常溫下初凝時間約為4h,具有較長的施工操作時間；在微波條件下10min就可快速固化，其抗拉強度達(dá)10MPa以上，抗壓強度近50MPa.

　�。�2）室溫彎拉和低溫彎拉試驗結(jié)果表明環(huán)氧樹脂混凝土有較高的抗彎拉強度，低溫時環(huán)氧樹脂混凝土的抗彎拉強度未降低，變形能力卻急劇下降，其較室溫極限應(yīng)變值下降了40%左右。

　　（3）對水泥-環(huán)氧樹脂混凝土立方體試件進(jìn)行新老混凝土黏結(jié)性能試驗，其劈拉強度與原試件基本相近且破壞面未出現(xiàn)在界面處，表明微波固化環(huán)氧樹脂混凝土與原水泥混凝土截面黏結(jié)良好。

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