俞 亮張 雷

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京210098；2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,鄭州450003)

環(huán)氧樹脂砂漿是以環(huán)氧樹脂為膠凝材料與砂配制而成的砂漿,其用于水工混凝土磨蝕防護(hù)已有40多年的歷史[1],但傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿存在粘性大、對(duì)人體健康和環(huán)境不利、在潮濕有水環(huán)境下與基底材料粘結(jié)效果大幅降低的缺點(diǎn).隨著對(duì)環(huán)氧樹脂研究的不斷深入,水性環(huán)氧樹脂應(yīng)運(yùn)而生,成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)氧樹脂的最佳材料.水性環(huán)氧樹脂繼承了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的諸多優(yōu)點(diǎn)[2],此外其表現(xiàn)為親水性,可以與水泥、硅粉、粉煤灰等水性體系配合使用,使不同材料能夠相互彌補(bǔ)并充分發(fā)揮各自性能.目前有關(guān)水性環(huán)氧樹脂改性砂漿的研究較少且主要集中在建筑領(lǐng)域,不同類型和不同廠家生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂對(duì)砂漿的改性效果不盡相同[3-5].因此,在應(yīng)用水性環(huán)氧樹脂制備砂漿前需要通過試驗(yàn)研究乳液對(duì)改性砂漿性能的影響.本文采用一種水性環(huán)氧樹脂制備環(huán)氧樹脂改性砂漿,研究聚灰比對(duì)新拌砂漿性能的影響和不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)不同聚灰比改性砂漿力學(xué)性能的影響,為水性環(huán)氧樹脂砂漿在水利工程中的應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)原料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水性環(huán)氧樹脂:上海漢中化工有限公司生產(chǎn)的固化劑乳化型水性環(huán)氧樹脂體系,技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1水性環(huán)氧樹脂體系技術(shù)指標(biāo)

2)水泥:鄭州天瑞水泥生產(chǎn)的P·O32.5R 復(fù)合硅酸鹽水泥.

3)砂:白鴿集團(tuán)生產(chǎn)的綠碳化硅,分36目和46目?jī)煞N規(guī)格.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水性環(huán)氧砂漿制備

1)根據(jù)配合比稱取一定量的水泥和砂攪拌均勻待用,稱取一定量的水性環(huán)氧樹脂和固化劑混合攪拌均勻待用.水性環(huán)氧樹脂乳液摻量以聚灰比表示,即水性環(huán)氧樹脂摻量與水泥摻量的比值.

2)根據(jù)水灰比及固化劑中已含水量稱取實(shí)際需要的水量,將水少量多次地加入攪拌好的水性環(huán)氧樹脂體系中,每次的加水量以攪拌后水性環(huán)氧樹脂體系能夠均勻分散在水中形成乳液為宜.

3)將水性環(huán)氧乳液倒入填料中并采用手動(dòng)攪拌的方式進(jìn)行攪拌.

1.2.2 改性砂漿密度測(cè)定

按下式計(jì)算砂漿密度:

式中:ρu為砂漿表觀密度(g/cm3)；mm為容器與砂漿的總質(zhì)量(g)；ma為容器質(zhì)量(g)；V為容器體積(cm3).

1.2.3 改性砂漿稠度試驗(yàn)

按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009),采用砂漿稠度儀測(cè)定砂漿稠度,按聚合物水泥抹面砂漿工作性相同(稠度為50～60 mm)的原則,確定改性砂漿水灰比,并求得相應(yīng)的減水率.

1.2.4 改性砂漿凝結(jié)時(shí)間測(cè)定

按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70—2009),采用貫入阻力法測(cè)定砂漿凝結(jié)時(shí)間.

1.2.5 改性砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)定

按照《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193—2004)測(cè)試試件抗壓和抗折強(qiáng)度,試件養(yǎng)護(hù)方式見表2.

表2改性砂漿養(yǎng)護(hù)方式

壓折比定義為:

式中:T為壓折比；Rc為抗壓強(qiáng)度(MPa)；Rf為 抗 折強(qiáng)度(MPa).

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液對(duì)改性砂漿新拌性能影響

乳液對(duì)砂漿新拌性能影響見表3.

表3改性砂漿配合比

由表3可以看出,乳液對(duì)砂漿的減水率隨聚灰比增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)聚灰比為8%時(shí),乳液對(duì)砂漿的減水效果較為明顯,繼續(xù)增大聚灰比后乳液減水效果減弱.原因可能為,當(dāng)聚灰比較小時(shí),填料之間具有一定的粘結(jié)力,雖然水灰比比水泥砂漿低,但填料粘聚在一起具有一定蠕動(dòng)性,此時(shí)聚灰比對(duì)砂漿稠度的影響較大,最終表現(xiàn)為水灰比減小而稠度增大.當(dāng)聚灰比進(jìn)一步增大時(shí),固化劑用量增大,固化劑中的含水量增大,導(dǎo)致實(shí)際加水量減小,砂漿填料間粘聚力雖增大但砂漿較干而不易發(fā)生流動(dòng).

改性砂漿的新拌性能見表4.

表4改性砂漿新拌性能

由表4可以看出,水灰比一定,改性砂漿密度隨聚灰比增大而減小.乳液中表面活性劑的作用使得乳液具有一定的引氣性,并且水灰比一定,改性砂漿液相粘度隨聚灰比增大而增大,使得砂漿中產(chǎn)生的氣泡增多,密度下降.水灰比一定,改性砂漿凝結(jié)時(shí)間大于水泥砂漿,這表明加入乳液對(duì)其改性砂漿具有緩凝作用.原因?yàn)樵谒嗌皾{中加入乳液后,水性環(huán)氧樹脂中的親水基包裹住水泥顆粒,水性環(huán)氧樹脂體系在水泥表面成膜使得水泥水化層變厚,水泥顆粒不能凝聚而延緩了水泥水化反應(yīng)進(jìn)行[4].

不同聚灰比改性砂漿貫入阻力隨時(shí)間的變化如圖1所示.從圖1可看出,水泥砂漿貫入阻力與時(shí)間基本呈線性關(guān)系,改性砂漿貫入阻力與時(shí)間呈拋物線關(guān)系.隨著聚灰比增大,乳液對(duì)砂漿的緩凝效果減弱,雖然砂漿前期凝結(jié)速率減小,但后期凝結(jié)速率增大.這表明隨著聚灰比增大,改性砂漿中乳液的成膜速度成為影響砂漿凝結(jié)的主導(dǎo)因素,而不是由水泥水化速度決定.

圖1不同聚灰比改性砂漿貫入阻力隨時(shí)間的變化

2.2 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)改性砂漿力學(xué)性能的影響

表5為未摻水性環(huán)氧樹脂乳液的水泥砂漿力學(xué)性能,圖2和圖3 為不同養(yǎng)護(hù)方式下聚灰比分別為8%、10%、12%和14%時(shí),改性砂漿7 d和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.

表5 PO32.5R 水泥砂漿力學(xué)性能

圖2不同養(yǎng)護(hù)方式下改性砂漿抗壓強(qiáng)度

圖3不同養(yǎng)護(hù)方式下改性砂漿抗折強(qiáng)度

由圖2和圖3可以看出,不同聚灰比改性砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度都要大于相同齡期的未摻水性環(huán)氧樹脂乳液的水泥砂漿.由圖2(a)可以看出,當(dāng)聚灰比在8%～12%范圍內(nèi),C養(yǎng)護(hù)方式最利于改性砂漿7 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),其次為A養(yǎng)護(hù)方式,D 養(yǎng)護(hù)方式最不利于改性砂漿7 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng).當(dāng)聚灰比為14%時(shí),A 養(yǎng)護(hù)方式最利于改性砂漿7 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),其次為C 養(yǎng)護(hù)方式,B 養(yǎng)護(hù)方式最不利于改性砂漿7 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng).這表明早期經(jīng)歷干養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)方式更利于改性砂漿早期強(qiáng)度增長(zhǎng),并且隨著聚灰比增大,改性砂漿達(dá)到7 d齡期最佳抗壓強(qiáng)度所需要水中養(yǎng)護(hù)的時(shí)間逐漸減少甚至無需進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù).由圖2(b)可以看出,C 養(yǎng)護(hù)方式最利于改性砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),其次為B養(yǎng)護(hù)方式,A 養(yǎng)護(hù)方式最不利于改性砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),這表明前期水中養(yǎng)護(hù)雖然延緩了乳液成膜但有利于水泥水化,后期經(jīng)過一段時(shí)間的干養(yǎng)護(hù)乳液能夠繼續(xù)成膜,干濕交替的養(yǎng)護(hù)方式更利于砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng).在D 養(yǎng)護(hù)方式下,改性砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度超過了A養(yǎng)護(hù)方式下改性砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度,但低于C和B 養(yǎng)護(hù)方式下改性砂漿28 d齡期抗壓強(qiáng)度,這表明前期先干養(yǎng)后水中養(yǎng)護(hù)的方式對(duì)水泥水化仍有一定的促進(jìn)作用,但水泥水化反應(yīng)又不如先進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù)時(shí)充分.由圖3可以看出,養(yǎng)護(hù)方式對(duì)不同聚灰比改性砂漿抗折強(qiáng)度的影響與抗壓強(qiáng)度一致,干濕交替養(yǎng)護(hù)更利于改性砂漿抗折強(qiáng)度增長(zhǎng).

改性砂漿由水泥和水性環(huán)氧樹脂乳液復(fù)合而成,其強(qiáng)度由水泥水化和水性環(huán)氧樹脂乳液成膜程度共同決定,而水性環(huán)氧樹脂乳液成膜和水泥水化過程矛盾.水泥水化需要一定濕度或者進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù),水性環(huán)氧乳液成膜需要干燥條件,無論單純滿足兩者中的哪一方面,都不利于砂漿強(qiáng)度增長(zhǎng).由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,改性砂漿強(qiáng)度要想達(dá)到最佳,不僅要進(jìn)行干濕交替養(yǎng)護(hù),而且干、濕養(yǎng)護(hù)天數(shù)和次序也是關(guān)鍵.

壓折比指材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的比值,是材料柔性的衡量指標(biāo).壓折比越小,材料柔性越好,抗裂性越好.如圖4所示,在4種養(yǎng)護(hù)方式下,不同聚灰比改性砂漿的壓折比都要低于水泥砂漿,并且隨著聚灰比增大有進(jìn)一步減小的趨勢(shì).這表明在水泥砂漿中摻入乳液能對(duì)砂漿起到增韌作用,使砂漿脆性降低.

圖4不同養(yǎng)護(hù)方式下改性砂漿壓折比

3 結(jié)論

本文采用一種水性環(huán)氧樹脂乳液制備改性砂漿,研究了聚灰比對(duì)改性砂漿新拌性能以及養(yǎng)護(hù)方式對(duì)不同聚灰比改性砂漿力學(xué)性能的影響,得到結(jié)論如下:

1)該水性環(huán)氧乳液能夠明顯改善砂漿和易性,隨著聚灰比增大,乳液對(duì)改性砂漿的減水率先增大后減小,當(dāng)聚灰比為12%時(shí),減水率達(dá)到18.6%,減水效果明顯.

2)水灰比一定,改性砂漿密度隨聚灰比增大而減小.在工程應(yīng)用中提高改性砂漿聚灰比時(shí),應(yīng)適當(dāng)增大水灰比或者添加減水劑,以免孔隙增多導(dǎo)致砂漿密實(shí)度下降.

3)該水性環(huán)氧乳液對(duì)改性砂漿具有緩凝作用,水灰比一定,隨著聚灰比增大,改性砂漿前期凝結(jié)速率減小,后期凝結(jié)速率增大.

4)先水中養(yǎng)護(hù)后自然養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)方式更利于改性砂漿強(qiáng)度增長(zhǎng).在工程應(yīng)用時(shí),可先對(duì)改性砂漿進(jìn)行3 d濕養(yǎng)護(hù),后自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.相比水泥砂漿,聚灰比14%的改性砂漿抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了54.8%,抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)了121.8%,壓折比降低了30.2%,表明該水性環(huán)氧樹脂體系能夠顯著提高砂漿強(qiáng)度和韌性,適用于制備有抗沖磨要求的水工混凝土修復(fù)砂漿.