徐 倩， 邵 飛， 白林越， 馬青娜， 唐江明

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

為實現(xiàn)膠凝材料的快凝需求，國內(nèi)學(xué)者以高鋁水泥或普通硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)，通過添加外加劑研制快凝水泥砂漿類建筑膠黏材料，例如，查炎鵬等[1]所研制的橋梁支座砂漿經(jīng)養(yǎng)護1 d后其強度可達到最大值；周華新等[2]所研究的超早強聚合物快速修補砂漿可實現(xiàn)7 d拉伸粘結(jié)強度2.89 MPa；代國忠等[3]提出的早強型水泥漿液材料2～3 d凝期抗壓強度達到15～25 MPa。國外學(xué)者對環(huán)氧樹脂材料的研究主要集中在通過改變環(huán)氧樹脂的材料或稀釋劑用量進行環(huán)氧砂漿改性以降低材料黏度提高其流動性和施工效率[4-6]。但對于緊急救援、搶修搶建工程而言，凝固時限要求一般以數(shù)小時為計，并且僅提高快凝錨桿的施工效率，無法實現(xiàn)快速承載，因此以上成果均無法滿足應(yīng)急使用要求。2017年，王淑敏等[7]通過改變促進劑的用量得出樹脂錨固劑凝膠時間、固化時間將出現(xiàn)較大變化的結(jié)論，借鑒該結(jié)論，本文在針對目前環(huán)氧砂漿固化慢、超早期強度低等缺點方面，通過正交試驗研究確定快凝環(huán)氧砂漿的最優(yōu)配合比以滿足搶修搶建的時效性和固化效果要求。

1 試驗材料與方法

環(huán)氧砂漿超早期強度的影響因素主要是填料、固化劑、稀釋劑和促進劑的材料或用量[8]。環(huán)氧樹脂采用雙酚A型(6101)，環(huán)氧值為0.44 mol/100 g，即環(huán)氧樹脂E44，環(huán)氧基的相對分子質(zhì)量是43，環(huán)氧平均值為0.44 mol/100 g。采用細度模數(shù)為2.7的河砂填料，經(jīng)烘干控制含水率<0.5%。根據(jù)王偉等[9]的研究，可將填料水平定為對每100 g環(huán)氧樹脂進行固化反應(yīng)時采用分別摻入400、500和600 g填料進行試驗。水泥采用P.II42.5硅酸鹽水泥。稀釋劑采用分析純丙酮，由于一般非活性稀釋劑的用量為10%～20%，試驗取3種稀釋劑用量水平分別為12%、15%和18%進行試驗篩選。固化劑采用改性T31，根據(jù)曼尼期堿用量的理論計算公式可得固化劑的用量為22.9%～28.3%，試驗設(shè)計用量在理論用量的基礎(chǔ)上選定3種，分別為22%、26%和30%進行試驗。促進劑采用DMP-30，其一般用量為環(huán)氧樹脂的10%左右，因此試驗設(shè)計的配制水平分別為8%、10%和12%。設(shè)計正交試驗的因素及水平如表1所示。

表1 正交設(shè)計試驗因素水平表

按照正交試驗原則選用正交試驗表格，如表2所示，檢驗環(huán)氧砂漿的4 h單軸抗壓強度和劈裂強度。

表2 正交試驗數(shù)據(jù)表

2 抗壓、劈裂試驗及結(jié)果分析

2.1 抗壓、劈裂試驗

按照表2配置環(huán)氧砂漿，制備試塊并在25 ℃室溫條件下養(yǎng)護4 h，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。參照國標JGJ/T70—2009和GB/T50081—2002試驗規(guī)程，采用萬能材料試驗機對試件進行極限承壓試驗和劈裂試驗，得出抗壓試驗和劈裂試驗結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2統(tǒng)計某一因素在相同水平下的抗壓強度和劈裂強度的算數(shù)平均值，以ki表示(i分別為水平1、2、3)，并以極差R表示ki最大值與最小值之差，將ki與R列于表3。

表3 正交試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

通過R的大小可以判斷各因素水平的變化對環(huán)氧砂漿強度影響情況，R值越大則影響越大，反之越小。

2.2 影響因素分析

(1)填料的作用是形成環(huán)氧基體的骨架結(jié)構(gòu)，可降低膠體固化過程中因收縮而帶來的殘余應(yīng)力，提高整體抗壓能力，但同時骨架顆粒的增加使單位體積內(nèi)膠凝材料含量降低，一定程度上降低了結(jié)構(gòu)之間的黏聚力。因此試驗結(jié)果顯示，環(huán)氧砂漿4 h抗壓強度隨著填料用量的增大抗壓強度呈上升趨勢，劈裂強度呈下降趨勢。

(2)環(huán)氧砂漿的抗壓強度和劈裂強度均隨著稀釋劑摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，稀釋劑B在水平2時環(huán)氧砂漿抗壓強度、劈裂強度最大。分析其原因是稀釋劑在環(huán)氧砂漿拌和過程中起到降低樹脂黏度、提高環(huán)氧樹脂對骨架顆粒浸潤力的作用，使膠黏材料能夠更充分地與填料顆粒結(jié)合，從而提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部的黏聚力，但若摻量過大將導(dǎo)致冗余部分稀釋劑殘留在砂漿里，降低了環(huán)氧砂漿的固化強度。

(3)環(huán)氧樹脂本身呈線型結(jié)構(gòu)，固化劑的作用是使環(huán)氧樹脂形成網(wǎng)狀立體聚合物，從而實現(xiàn)環(huán)氧砂漿強度的進一步提高。試驗表明，環(huán)氧砂漿在固化劑摻量處于較低水平時材料抗壓強度和劈裂強度均較低，表明固化劑不足將導(dǎo)致環(huán)氧樹脂固化不完全，隨著摻量的增加，環(huán)氧砂漿的抗壓強度、劈裂強度也隨之增大，在固化劑C摻量為水平3時，抗壓強度、劈裂強度均達到最大。

(4)環(huán)氧砂漿的抗壓強度、劈裂強度隨著促進劑的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，促進劑D在水平2時環(huán)氧砂漿抗壓強度、劈裂強度最大。分析其原因是，雖然促進劑能降低環(huán)氧砂漿混合物的反應(yīng)活化能、提高反應(yīng)速度、促進環(huán)氧固化物交聯(lián)結(jié)構(gòu)的完整性，但加入過量的促進劑會使體系固化反應(yīng)過快，導(dǎo)致固化物內(nèi)應(yīng)力過大，粘接強度降低。

綜合以上分析，結(jié)合表3中R值可知，從抗壓強度分析，填料、促進劑對其影響程度較大，各因素的最優(yōu)組合為A3B2C3D2，而從劈裂強度考慮，填料、稀釋劑對其影響程度較大，各因素的最優(yōu)組合為A1B2C3D2。由組合方式可知，抗壓優(yōu)化組合和劈裂優(yōu)化組合不同之處在于填料摻量，填料摻量越大，環(huán)氧砂漿的流動性越小，在填料A摻量在水平2時流動性比較適中且便于施工，同時也可平衡環(huán)氧砂漿的抗壓強度和劈裂強度，因此最終確定超早強環(huán)氧砂漿的最優(yōu)配制組合為A2B2C3D2，即每100 g環(huán)氧樹脂加入填料500 g、固化劑15 g、稀釋劑30 g和促進劑10 g。

為檢驗養(yǎng)護溫度對環(huán)氧砂漿強度的影響情況，按最優(yōu)配合比制作試塊并分別在10、20和25 ℃條件下養(yǎng)護，測得4 h抗壓強度及劈裂強度如表4所示。在25 ℃養(yǎng)護條件下，所配置的環(huán)氧砂漿4 h抗壓強度和劈裂強度均最大，分別為71.4和6.72 MPa。

表4 最優(yōu)配合比下環(huán)氧砂漿4 h抗壓、劈裂強度

3 環(huán)氧砂漿錨固力測試

為進行錨固力的測試，以A2B2C3D2的最優(yōu)配合比制作環(huán)氧砂漿，并與快凝水泥錨固劑進行對比試驗。試驗步驟如下：

(1)根據(jù)前期試驗調(diào)查，當桿件錨固深度小于9D(D為錨桿直徑)時，錨桿拉拔的破壞主要形式為受錨固劑影響而產(chǎn)生的粘結(jié)破壞，因此本試驗設(shè)計在弱風(fēng)化的花崗巖(花崗巖單軸抗壓強度為104 MPa，劈裂強度為3.85 MPa)中鉆直徑28～34 mm、深度150 ～250 mm的孔洞進行。

(2)將?20的HRB400螺紋鋼分別用環(huán)氧砂漿和快凝水泥植入其中，并使鋼筋垂直插入孔洞，對比試驗設(shè)計如表5所示，第1組研究錨固深度對承載力的影響，第1、2組對比研究錨固劑的強度對承載力的影響，第3組研究錨固劑的環(huán)形厚度對承載力的影響，每一試驗設(shè)置3根錨桿，拉拔結(jié)果取均值。

(3)采用國標14號工字鋼制作反力架，待錨桿裝置養(yǎng)護4 h后，用錨桿拉拔儀逐級加載，每次加載1 kN，加載后讀一次數(shù)據(jù)，穩(wěn)定1 min再讀一次數(shù)據(jù)，然后再施加下一級荷載。當位移速率增大時，適當減少加載速率，直到最后破壞。

表5 拉拔試驗設(shè)計

試驗加載平臺如圖1所示。

圖1 拉拔試驗加載平臺示意圖

拉拔試驗結(jié)果如表6所示。

表6 錨桿拉拔承載力

繪制錨桿在不同錨固劑、不同錨固深度及錨固劑環(huán)形厚度條件下的拉拔承載力變化趨勢分別如圖2、3所示。

圖2 不同錨固深度、錨固劑拉拔承載力對比

從圖2可知，錨桿的極限拉拔承載力隨著錨固深度的增加而增加，并且以設(shè)計的環(huán)氧砂漿錨固劑植筋在4 h養(yǎng)護后的抗拉拔承載力比快凝水泥錨固劑極限拉拔承載力分別提高了31.5、31.9和32.1 kN，驗證了本文所設(shè)計的最優(yōu)配合比環(huán)氧砂漿快速錨固的有效性。由圖3可知，錨桿的極限拉拔承載力隨著錨固劑環(huán)形厚度的增加呈先增加后減少的態(tài)勢。當錨固劑的環(huán)形厚度為32 mm時，承載力達到最大值116.4 kN。

圖3 拉拔承載力與錨固劑環(huán)形厚度的關(guān)系

4 結(jié)論

本文根據(jù)環(huán)氧砂漿制備反應(yīng)過程對其強度影響因素進行分析，并設(shè)計正交試驗得出環(huán)氧砂漿的最優(yōu)配合比，根據(jù)錨桿抗拉拔試驗驗證所設(shè)計最優(yōu)配合比的環(huán)氧砂漿快速錨固的有效性，得出以下結(jié)論：

(1)填料、固化劑、稀釋劑,以及促進劑是影響環(huán)氧砂漿超早期強度主要因素。

(2)設(shè)計三水平四因素的正交試驗，制備環(huán)氧砂漿試件進行抗壓強度試驗和劈裂強度試驗確定環(huán)氧砂漿的最佳配合比為每100 g環(huán)氧樹脂加入填料500 g、固化劑15 g、稀釋劑30 g,以及促進劑10 g。該配合比水平下制備的錨固劑在25 ℃條件下經(jīng)4 h養(yǎng)生后其抗壓強度可達到71.4 MPa，劈裂強度達到6.72 MPa。

(3)4 h養(yǎng)生時間限制下，自配的環(huán)氧砂漿作為錨固劑的錨桿抗拉拔承載力遠高于快凝水泥錨固劑承載力，且在拉拔粘結(jié)破壞范圍內(nèi)錨桿的極限拉拔承載力隨著錨固深度的增加而增加；極限拉拔承載力隨著錨固劑環(huán)形厚度在28～34 mm范圍內(nèi)先增加后減少，當錨固劑的環(huán)形厚度為32 mm時，承載力達到最大值116.4 kN。研究表明經(jīng)優(yōu)化的環(huán)氧砂漿超早期強度能夠滿足搶修等特殊工程需要，具有工程應(yīng)用價值。