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        水性環(huán)氧樹脂改性UHPC 的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)研究

        2019-12-21 02:57:46陳嘉奇陳定文
        廣東建材 2019年11期

        陳嘉奇 陳定文

        (中山市武漢理工大學(xué)先進(jìn)工程技術(shù)研究院)

        1 前言

        水性環(huán)氧樹脂是指環(huán)氧樹脂以微?;蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而配得的穩(wěn)定分散體系,在室溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),顯示出優(yōu)異的性能。湖南大學(xué)的田甜[1]研究了兩種環(huán)氧當(dāng)量不同的水性環(huán)氧樹脂對(duì)水泥砂漿的影響。結(jié)果表明,水性環(huán)氧樹脂具有引氣和減水的作用,且縮短凝結(jié)時(shí)間;摻入水性環(huán)氧樹脂的砂漿早期的力學(xué)強(qiáng)度要低于空白水泥砂漿,但是后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。重慶交通大學(xué)的徐奎生[2]研究了環(huán)氧樹脂對(duì)水泥砂漿性能的影響。結(jié)果表明,隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加,水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度單調(diào)遞減,抗折強(qiáng)度先增加后降低,在摻量為9%時(shí),抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。武漢理工大學(xué)陳友治[3,4]研究了在水乳環(huán)氧和礦渣微粉共同作用下,發(fā)現(xiàn)改性后的水泥石具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,水泥水化產(chǎn)物主要為CSH 凝膠和水化鋁酸鈣,Ca(OH)2特征峰消失,環(huán)氧樹脂固化后呈網(wǎng)絡(luò)膠狀體。武漢理工大學(xué)的黃展魏[5]研究了水性環(huán)氧樹脂對(duì)水泥砂漿的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)影響,結(jié)果表明,水性環(huán)氧樹脂可形成聚合物膜會(huì)延遲水泥水化;水性環(huán)氧樹脂的加入會(huì)降低 水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度;當(dāng)聚灰比在2%范圍以內(nèi),水性環(huán)氧樹脂可以提高水泥砂漿的抗折強(qiáng)度。

        不同于傳統(tǒng)的混凝土和水泥砂漿,超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,簡(jiǎn)稱UHPC)是一類水膠比低(<0.2)、膠凝材料和超細(xì)礦物摻合料用量高(>900kg/m3)高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的新型建筑材料[6-8],UHPC 體系下?lián)饺胨原h(huán)氧樹脂的改性材料研究較少。本文主要研究不透水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)UHPC 力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1 原材料

        水泥:廣東江門華潤(rùn)水泥投資有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ42.5R 水泥,實(shí)測(cè)28d 抗壓強(qiáng)度60.7MPa,抗折強(qiáng)度8.3MPa;硅灰由成都東南星科技發(fā)展有限公司生產(chǎn),粉煤灰珠海高欄電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰。試驗(yàn)用砂分兩種:粒徑范圍分別在0~0.6mm、0.6mm~1.25mm 之間的天然河砂;減水劑為聚羧酸高效減水劑,固含量為25%,減水率為40%,并可降低漿體粘聚性;拌和用水為潔凈自來水。水性環(huán)氧樹脂由E51 環(huán)氧樹脂、武漢森茂牌WZH-155G 水性環(huán)氧固化劑、武漢森茂牌CYH-277-S 水性增韌稀釋改性劑、DMP-30 促進(jìn)劑按一定比例混合而成,其中,CYH-277-S 為超支化聚合物多功能改性化合物,提升環(huán)氧樹脂增韌增強(qiáng)、耐候、水性化等方面性能。水性環(huán)氧樹脂各組分的比例如表1 所示,試驗(yàn)時(shí)先按比例制備A,B 組分,靜置2 小時(shí)以上,水性環(huán)氧樹脂的各組分均不含有水;主要膠凝材料和礦物摻合料的化學(xué)組成如表2 所示。

        表1 水性環(huán)氧樹脂各組分的配合比

        表2 膠凝材料的化學(xué)成分組成

        表3 試驗(yàn)配合比 (kg/m3)

        圖1 拉伸試驗(yàn)示意圖

        2.2 試驗(yàn)方法

        依據(jù) GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》,成型40mm×40mm×160mm 棱柱試體進(jìn)行水泥抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的測(cè)定。抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用美國MTS810 材料試驗(yàn)機(jī),如圖1 所示。加載采用位移控制模式,速度為0.0025mm/s,采集數(shù)據(jù)包括時(shí)間、位移、承載力和應(yīng)變。28 天的標(biāo)準(zhǔn)砂漿試件,通過德國ATM 薄片切割打磨系統(tǒng),切割打磨成2cm×2cm 的光滑平面塊,通過荷蘭Phenom ProX 電鏡-能譜一體機(jī)進(jìn)行微觀分析。試驗(yàn)配比如表3 所示。漿體的攪拌工藝包括以下五個(gè)步驟:

        ⑴成型過程中先將粉體和細(xì)集料干拌均勻(慢攪2分鐘);

        ⑵攪拌過程中將75%水和外加劑混合均勻后緩慢地倒入攪拌機(jī)內(nèi),以140±5r/min 速率濕拌2 分鐘;

        ⑶加入剩余的水,繼續(xù)攪拌至形成漿體;

        ⑷漿體快速攪拌1min;

        ⑸在攪拌過程中緩慢加入水性環(huán)氧樹脂(A、B 兩組分先混合均勻后再加入),繼續(xù)以140±5r/min 速率濕拌2 分鐘。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        3.1 水性環(huán)氧樹脂摻量對(duì)UHPC 抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度的影響

        水性環(huán)氧樹脂的摻量對(duì)UHPC 在3d,28d 抗壓、抗折強(qiáng)度影響見圖2。結(jié)果表明,隨著水性環(huán)氧樹脂的摻量增加,早期(3d)UHPC 抗壓強(qiáng)度逐漸下降,加入水性環(huán)氧樹脂摻量低于50kg/m3,砂漿的3d 抗壓強(qiáng)度比空白樣要略低,但加入水性環(huán)氧樹脂摻量低于50kg/m3以上時(shí),抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于空白樣;后期(28d)抗壓強(qiáng)度先增加后下降,水性環(huán)氧樹脂摻量在75kg/m3時(shí),同一齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值;同一齡期UHPC 抗折強(qiáng)度先增加后下降,水性環(huán)氧樹脂摻量在75kg/m3時(shí),抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。早期(3d)改性UHPC 抗壓強(qiáng)度與空白樣抗壓強(qiáng)度相比,略有下降,由于水性環(huán)氧樹脂需要10 天時(shí)間才能完全硬化,早期加入U(xiǎn)HPC 漿體中水性環(huán)氧樹脂剛度和彈性模量較小,且與UHPC 漿體交聯(lián)反應(yīng)程度低,在承受壓力作用下,水性環(huán)氧樹脂的支撐作用低于水化產(chǎn)物,所以,水性環(huán)氧樹脂改性砂漿的抗壓強(qiáng)度小于空白樣,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂量繼續(xù)增大,延緩了水化進(jìn)程,水化程度遠(yuǎn)低于空白樣,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低。由于水性環(huán)氧樹脂逐漸硬化,后期(28d)抗壓強(qiáng)度逐漸增加,但水性環(huán)氧樹脂的摻量大于75kg/m3時(shí),由于前期水化進(jìn)程延緩,導(dǎo)致形成不均勻的界面,到時(shí)強(qiáng)度下降。早期(3d)由于水性環(huán)氧樹脂未完全硬化,抗折強(qiáng)度相對(duì)于空白樣增長(zhǎng)不大;后期(28d)抗折強(qiáng)度提高的原因是,雖然水性環(huán)氧樹脂的彈性模量小于水泥石的彈性模量,但是水性環(huán)氧樹脂形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),能提高水泥漿體的韌性;另一方面,水性環(huán)氧樹脂中的某些活性基團(tuán)可能與水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成某種特殊橋鍵作用,與水化產(chǎn)物相互交聯(lián)在一起,在荷載作用下,緩解內(nèi)應(yīng)力,從而可以提高砂漿的抗折強(qiáng)度。但是過量的水性環(huán)氧樹脂也會(huì)帶來不利的影響,過量的水性環(huán)氧樹脂會(huì)破壞砂漿的均勻性;另外,水泥水化程度過低,導(dǎo)致水泥漿體結(jié)構(gòu)發(fā)展不完善,從而水泥砂漿的抗折強(qiáng)度降低。

        圖2 不同水性環(huán)氧樹脂摻量UHPC 不同齡期(3 天、28 天)抗壓和抗折強(qiáng)度

        水性環(huán)氧樹脂的摻量對(duì)UHPC 在3d、28d 抗拉性能的影響見表4。3d 和28d 抗拉性能變化趨勢(shì)和抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本吻合,主要也是由于水性環(huán)氧樹脂形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),能提高水化產(chǎn)物的韌性;另一方面,水性環(huán)氧樹脂中的某些活性基團(tuán)可能與水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成某種特殊橋鍵作用,與水化產(chǎn)物相互交聯(lián)在一起,進(jìn)一步提高材料整體間的粘結(jié)力和密實(shí)性,從而進(jìn)一步增加抗拉性能。但當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的量超過75kg/m3時(shí),抗拉性能出現(xiàn)下降,這是由于過量的水性環(huán)氧樹脂會(huì)破壞砂漿的均勻性和降低膠凝材料水化程度。

        表4 不同配比的UHPC 在不同齡期的抗拉性能

        3.2 水性環(huán)氧樹脂改性UHPC 水化產(chǎn)物形貌和界面分析

        圖3

        少量孔洞和裂縫。圖3b 所示,加入少量水性環(huán)氧樹脂后的水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰間界面形成了少量條棒狀的產(chǎn)物,此產(chǎn)物貫穿在水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰之間,使整體的界面較為密實(shí),水化產(chǎn)物上的孔洞和裂縫相對(duì)空白樣也減少。圖3c 所示,繼續(xù)增加水性環(huán)氧樹脂摻量,水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰間界面形成了更多條棒狀的產(chǎn)物,且產(chǎn)物的形成了空間交聯(lián)結(jié)構(gòu),使得條棒狀產(chǎn)物與水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰間的結(jié)合更加密實(shí),使整體的界面缺陷進(jìn)一步減少。如圖3d 所示,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量達(dá)到75kg/m3時(shí),水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰間界面形成了團(tuán)狀的產(chǎn)物,團(tuán)狀產(chǎn)物與水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰間的接觸面積更大,分布更加均勻,形成了空間交聯(lián)結(jié)構(gòu)的各組分間的結(jié)合力更大,使得結(jié)構(gòu)更加密實(shí),缺陷更少。如圖3e 所示,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的量超過75kg/m3時(shí),過量的水性環(huán)氧樹脂形成了過多的團(tuán)狀產(chǎn)物,破壞整體的均勻性和降低各個(gè)組分間的交聯(lián)程度,降低了結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。通過對(duì)水性環(huán)氧樹脂改性UHPC 水化產(chǎn)物形貌和界面分析,也在一定程度上解釋了材料宏觀的力學(xué)性能的變化規(guī)律。但是條棒狀和團(tuán)狀產(chǎn)物形成機(jī)理和分布規(guī)律,及作用機(jī)理尚不完全清楚,需要結(jié)合其他試驗(yàn)開展進(jìn)一步的研究。

        4 結(jié)論

        ⑴隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加,UHPC 漿體的早期(3d)期(3d)UHPC 抗壓強(qiáng)度逐漸下降,加入水性環(huán)氧樹脂摻量低于50kg/m3,砂漿的3d 抗壓強(qiáng)度比空白樣要略低,但加入水性環(huán)氧樹脂摻量低于50kg/m3以上時(shí),抗壓強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于空白樣;后期(28d)抗壓強(qiáng)度先增加后下降,水性環(huán)氧樹脂摻量在75kg/m3時(shí),同一齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值;同一齡期UHPC 抗折強(qiáng)度先增加后下降,水性環(huán)氧樹脂摻量在75kg/m3時(shí),抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

        ⑵3d 和28dUHPC 的抗拉性能變化趨勢(shì)和抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本吻合,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的量超過75kg/m3時(shí),UHPC 抗拉性能出現(xiàn)下降。

        ⑶水性環(huán)氧樹脂的加入,使得水化產(chǎn)物和硅灰、粉煤灰間界面形成了交聯(lián)的產(chǎn)物,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量較低時(shí)形成棒狀的產(chǎn)物,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量繼續(xù)增加,交聯(lián)產(chǎn)物由棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)狀。當(dāng)水性環(huán)氧摻量不超過75kg/m3時(shí),隨著摻量增加,形成了空間交聯(lián)結(jié)構(gòu)更加密實(shí),缺陷更少。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂的量超過75kg/m3時(shí),過量的水性環(huán)氧樹脂形成了過多的團(tuán)狀產(chǎn)物,破壞整體的均勻性和降低各個(gè)組分間的交聯(lián)程度,降低了結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。

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