梁波

【摘要：】為探究環(huán)氧樹脂膠結料是否能夠制備性能優(yōu)良的環(huán)氧樹脂混凝土，文章對高性能環(huán)氧樹脂混凝土（HEC-13）進行配合比設計優(yōu)化，并利用力學性能試驗、抗凍性試驗驗證其各項性能。結果表明：以抗壓強度指標為主，試件質量和骨料間距系數(shù)指標為輔，可綜合優(yōu)化確定最佳膠石比和促凝劑材料摻量;隨膠石比增加，抗壓強度、試件質量均呈先增加后下降趨勢，骨料間距系數(shù)呈持續(xù)增加趨勢，且骨料間距系數(shù)增加幅度遠大于抗壓強度變化幅度;隨養(yǎng)護時間增加，抗壓強度、抗折強度均呈持續(xù)增加趨勢，但在養(yǎng)護0～48 h內，二者呈線性增加趨勢，隨養(yǎng)護時間持續(xù)延長，其變化幅度較平穩(wěn);隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，HEC-13試件的質量和動彈性模量均呈下降趨勢，在超過50次后，動彈性模量指標下降趨勢加劇。

【關鍵詞：】橋梁工程;環(huán)氧樹脂;環(huán)氧樹脂混凝土;級配設計

U416.03A090284

0 引言

目前，我國橋梁建設正處于高質量發(fā)展時期，截止到2019年年末，全國公路橋梁達到87.83萬座。伸縮縫裝置在橋梁連接部位起到特殊作用，且容易產生破壞，不僅影響行車安全，嚴重情況下還會危害橋梁結構，因此開展對橋梁伸縮縫方面的研究具有重要意義。王信剛等采用環(huán)氧樹脂材料對水泥混凝土裂縫進行滲透修復研究，分析了不同類型環(huán)氧樹脂的使用效果，提出溫度變化、裂縫寬度等因素與修復效果的關系[1]。孫楊勇等研發(fā)改性樹脂橋梁伸縮縫修復料（MRK），并在廣清高速公路某匝道連接線上開展了應用，驗證了材料的可使用性和耐久性[2]。常利采用粉煤灰、水泥及添加劑制備地聚物修復材料，用于橋梁伸縮縫修復，并開展了一系列性能驗證，為橋面伸縮縫修復應用提供了新的方向[3]。蔣玉川等研究了粗骨料間距系數(shù)與自密實混凝土的坍落擴展度、流動時間之間的關系，提出了自密實混凝土的粗骨料間距系數(shù)的適應范圍，且該指標對力學抗壓強度指標影響較小[4]。譚哲等利用微觀手段研究了石墨烯材料對環(huán)氧樹脂混凝土抗?jié)B性能影響規(guī)律，分析石墨烯材料與環(huán)氧樹脂的結構組成，提出石墨烯摻量濃度過高會導致環(huán)氧樹脂混凝土抗?jié)B性能下降的原理[5]。

綜上所述，橋梁伸縮縫位置的特殊性導致其在運營過程中易出現(xiàn)疲勞破壞，普遍出現(xiàn)表面裂縫或脫落現(xiàn)象，而針對該問題的研究成果主要涉及修復材料方面。本文通過采用環(huán)氧樹脂膠結料制備高性能環(huán)氧樹脂混凝土，并對其開展配合比優(yōu)化設計與性能驗證，為其推廣應用提供技術支持。

1 原材料及級配設計

1.1 原材料

試驗選擇玄武巖集料，分為0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm四檔。環(huán)氧樹脂選擇江陰萬千化學品有限公司生產的WSR618（E51）型環(huán)氧樹脂，相關試驗結果見表1～3。

1.2 級配設計

高性能環(huán)氧樹脂混凝土（HEC-13）采用集料公稱最大粒徑為13.2 mm，其礦料級配依據(jù)瀝青混合料SMA-13范圍，采用馬歇爾礦料級配設計方法，各檔礦料比例為礦粉∶0～3 mm∶3～5 mm∶5～10 mm∶10～15 mm∶=8∶21∶18∶28∶25。合成級配設計見圖1。

2 最佳膠石比優(yōu)化分析

膠石比（環(huán)氧樹脂質量占礦料總質量比例）對環(huán)氧樹脂混凝土各項性能均存在顯著影響，在最佳膠石比條件下混凝土才能保證良好的性能。本文依據(jù)前期研究成果，采用力學抗壓強度指標分析不同膠石比（6%、7%、8%、9%）下力學性能變化規(guī)律。試驗參數(shù)為：試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體，標準養(yǎng)護的環(huán)境為溫度20 ℃±2 ℃，濕度≥95%，養(yǎng)護時間為24 h;60 ℃養(yǎng)護的環(huán)境為溫度60 ℃±2 ℃，濕度≥95%，養(yǎng)護時間為18 h。試驗結果見圖2～3。

由圖2～3可知：

（1）膠石比變化對力學性能存在顯著影響，隨膠石比增加，抗壓強度指標呈先增加后下降趨勢，且不同養(yǎng)護條件下抗壓強度指標變化存在一定的差異。不同養(yǎng)護條件下，HEC-13的抗壓強度均在膠石比為8%時達到最大值，分別為36.9 MPa和89.3 MPa。60 ℃養(yǎng)護下的抗壓強度值遠高于標準養(yǎng)護，約為標準養(yǎng)護的2.0～2.5倍，對HEC-13的早期抗壓強度形成有利，有助于工程提前通車運營。膠石比為7%、8%、9%時，60 ℃養(yǎng)護抗壓強度指標分別提高了約129.2%、142.0%、144.1%。

（2）極限變形隨膠石比增加呈增加趨勢，養(yǎng)護條件對極限變形指標也存在較大影響，尤其在60 ℃養(yǎng)護環(huán)境下，極限變形受膠石比影響更為顯著，在膠石比為8%～9%時，極限變形呈較大幅度增加。在標準養(yǎng)護下，不同膠石比間的極限變形幅度較小，膠石比為8%、9%時分別增加了4.7%、5.6%（與膠石比6%相比）。

（3）隨膠石比增加，HEC-13試件質量呈先增高后下降的變化趨勢，與抗壓強度指標變化規(guī)律相一致。在膠石比為8%時，試件質量存在最大值2 673 kg，說明高性能環(huán)氧樹脂混凝土與水泥混凝土材料相接近，在級配良好情況下，膠石比變化對礦料的分布狀態(tài)存在影響，只有在最佳膠石比條件下，HEC-13環(huán)氧樹脂混凝土材料的密實狀態(tài)最佳。

（4）為進一步分析HEC-13的早期力學性能變化，在標準養(yǎng)護條件下提高早期強度，研究分析了不同促凝劑摻量變化對抗壓強度指標影響，即膠石比為8%，標準養(yǎng)護條件下，時間為12 h和24 h，促凝劑摻量為WSR618（E51）環(huán)氧樹脂時的質量比，結果見圖4。由圖4分析可知，促凝劑能夠顯著改善HEC-13的力學性能，隨促凝劑摻量增加，抗壓強度指標均呈增加趨勢，尤其早期強度提高更為顯著。養(yǎng)護12 h時，促凝劑摻量為0.5%、1.0%、1.5%的抗壓強度指標分別提高了63.9%、141.7%、161.1%;而養(yǎng)護24 h的抗壓強度指標分別提高了5.2%、7.4%、9.5%。

3 骨料間距系數(shù)指標分析90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086

對于剛性材料，其力學性能的優(yōu)劣與集料性質、礦料骨架結構、膠結料性能等存在直接關系。相關研究發(fā)現(xiàn)在上述其他條件一定的情況下，礦料級配的變化是對其力學性能影響的關鍵因素之一，內部結構的嵌擠狀態(tài)越好，其混合料的承載能力越強，力學抗壓強度越大。本文利用骨料間距系數(shù)指標[4]對上述4個膠石比下環(huán)氧樹脂混凝土內部礦料分布狀態(tài)進行分析，試驗結果見圖5。分析可知，隨膠石比增加，骨料間距系數(shù)呈逐漸增加趨勢。對于HEC-13而言，環(huán)氧樹脂摻量越大，促使內部結構中粗集料之間的間距越大，如膠石比為7%、8%、9%時，骨料間距系數(shù)分別增加了57.5%、163.8%、258.4%。依據(jù)礦料級配設計原理，環(huán)氧樹脂混凝土要產生良好的性能，需要礦料級配形成密實嵌擠結構，粗集料形成骨架結構，逐檔細集料再進行填充，保證內部結構的密實度。因此，結合力學抗壓性能指標，確定HEC-13的最佳膠石比為8%。

4 長期力學性能分析

橋梁伸縮縫傳統(tǒng)的修復材料，在正常運營過程中常出現(xiàn)脫落、裂縫等現(xiàn)象，且在復雜環(huán)境中易出現(xiàn)疲勞破壞，因此橋梁伸縮縫的使用壽命與修復材料的長期力學性能密切相關。本文結合上述確定的最佳膠石比8%、促凝劑摻量1%，通過改變養(yǎng)護時間以研究其對長期力學性能影響。依據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GBT50081-2019）中的試驗方法，抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗結果見圖6。

由圖6可知：

（1）養(yǎng)護時間對抗壓強度指標具有顯著影響，對HEC-13的早期力學性能影響顯著，尤其在0～48 h。而隨養(yǎng)護時間持續(xù)延長，其抗壓強度變化幅度較平穩(wěn)。與養(yǎng)護12 h相比，養(yǎng)護48 h（2 d）的抗壓強度值增加了約714.2%，養(yǎng)護168 h（7 d）的抗壓強度值增加了約812.3%。這說明高性能環(huán)氧樹脂混凝土的力學性能主要在養(yǎng)護前期即48 h內形成（24 h內強度達到40 MPa以上），而隨時間延長，力學強度上升空間有限。

（2）抗折強度隨養(yǎng)護時間增加也呈增加趨勢，與抗壓強度變化規(guī)律相一致。其強度形成基本在48 h內，但抗折強度在7 d的增加幅度大于抗壓強度，約為888.2%，28 d的抗折強度變化幅度為9.1%（與養(yǎng)護12 h相比），這與雙組分環(huán)氧樹脂材料的固化原理理論分析結果相接近。

5 抗凍性能分析

HEC-13的抗凍性是耐久性的關鍵指標之一，也是判斷其使用壽命的關鍵因素，材料能夠抵抗低溫結冰破壞才能保證良好的完整性?？箖鲂栽囼炓罁?jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT50082-2009）中的快凍法，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，循環(huán)次數(shù)為25次、50次、100次。試驗結果見圖7。

由圖7可知：

（1）隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，HEC-13試件的質量和動彈性模量均呈下降趨勢，試件質量下降說明凍融循環(huán)后出現(xiàn)了剝離破壞，造成試件表面脫落。這與高性能水泥混凝土發(fā)生凍融破壞現(xiàn)象相一致。循環(huán)50次、100次時，試件質量分別下降了0.111%、0.172%，動彈性模量下降了1.28%、4.96%。說明循環(huán)凍融對HEC-13的動彈性模量劣化程度高于試件質量損失，動彈性模量的劣化勢必造成力學性能的降低。

（2）對于動彈性模量指標，在凍融循環(huán)25～50次時，其劣化程度相接近，約為0.96%～1.28%;而超過50次后，動彈性模量指標呈直線下降，循環(huán)100次的劣化程度遠大于50次。這說明HEC-13試件的抗凍性能隨循環(huán)次數(shù)的增加而呈劣化加劇狀態(tài)，一旦超過材料的抗凍臨界點，其使用壽命將大大縮短。

6 結語

（1）HEC-13配合比設計過程中，以抗壓強度指標為主，試件質量和骨料間距系數(shù)指標為輔，可綜合確定最佳膠石比和促凝劑材料摻量，礦料級配范圍可參考SMA-13級配。

（2）隨膠石比增加，抗壓強度、試件質量均呈先增加后下降趨勢，骨料間距系數(shù)持續(xù)增加，且骨料間距系數(shù)增加幅度遠大于抗壓強度變化幅度。

（3）隨養(yǎng)護時間增加，抗壓強度、抗折強度均持續(xù)增加，在養(yǎng)護0～48 h內，二者呈線性增加趨勢，但隨養(yǎng)護時間持續(xù)延長，其變化幅度較平穩(wěn)。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，HEC-13試件的質量和動彈性模量均呈下降趨勢，在超過50次后，動彈性模量指標下降趨勢加劇。

參考文獻：

[1]王信剛，周 鎮(zhèn)，趙 華，等.環(huán)氧樹脂修復水泥基材料微裂縫的滲透機理[J].建筑材料學報，2021（6）：1 200-1 207.

[2]孫楊勇，尹昌宇，周柏瑾.改性樹脂修復材料MRK在橋梁伸縮縫中的應用[J].中外公路，2015，35（3）：293-295.

[3]常 利.地聚合物基橋面伸縮縫混凝土制備及性能研究[J].公路，2017，62（10）：229-233.

[4]蔣玉川，王 陽，許金娥.粗骨料對自密實混凝土流變性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品，2017（3）：5-8.

[5]譚 哲，郭思瑤，趙鐵軍，等.石墨烯增強環(huán)氧樹脂涂層對混凝土與SHCC的抗?jié)B性能研究[J].混凝土，2020（10）：126-130.90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086