環(huán)氧樹脂快速修復(fù)材料的組成設(shè)計研究

劉國平

( 中鐵十一集團 第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

0 引言

由于自然災(zāi)害及人為因素，可導致公路、鐵路橋梁破壞，造成交通中斷，從而對國民經(jīng)濟或戰(zhàn)爭結(jié)局造成重大不良影響;同時某些重大施工缺陷也可導致后繼施工困難、工期拖后，造成經(jīng)濟損失。因此平時自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭原因所造成的重要結(jié)構(gòu)物破壞及施工缺陷均需快速修復(fù)，以最大程度降低其不良影響?？焖傩迯?fù)材料是快速修復(fù)施工的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有在短時間內(nèi)能夠硬化或固化，并能夠充分發(fā)展強度的材料，才能保證結(jié)構(gòu)修復(fù)后能夠盡快承載并在短時間恢復(fù)交通。修復(fù)材料的組成，可以影響修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)進而影響其強度發(fā)展、強度及彈性模量等重要性能，通過科學方法研究快速修復(fù)材料的組成意義重大。

1 試驗原材料

(1) 骨料。①粗骨料:4．75 ～9．5 mm、9．5 ～19 mm 單粒級石子( 石灰?guī)r) ，產(chǎn)地:河北石家莊;②細骨料:河砂，篩除大于4．75 mm 及小于0．15 mm 顆粒，細度模數(shù)2．4，表觀密度2．610 kg/m3，松堆密度1 430 kg/m3，緊堆密度1 550 kg/m3，產(chǎn)地:河北石家莊;③填料: P·I42．5 水泥，各項性能合格，密度3．1 kg/l，河北石家莊鹿泉水泥股份有限公司生產(chǎn)。

(2) 膠結(jié)材料。①環(huán)氧樹脂:雙酚A 型，濟南天茂樹脂化工公司生產(chǎn);②固化劑:天津市凱通化學試劑有限公司生產(chǎn);③稀釋劑:丙酮，天津市美琳工貿(mào)有限公司生產(chǎn)生產(chǎn)。

2 試驗安排

2．1 骨料組成設(shè)計

破損結(jié)構(gòu)修復(fù)施工時，需盡可能降低膠結(jié)材料用量以降低修復(fù)成本。骨料致密堆積，可使其空隙率最低，膠結(jié)材料用量最少。根據(jù)致密堆積理論［1］，調(diào)整填料與細骨料用量比例α( 見式(1) ) ，混合均勻后，測試混合細集料( 含細集料與填料) 的緊密堆積密度ρf，最大混合堆積密度ρf0對應(yīng)的摻配比例 即為填料的最佳摻配比例α0。由填料及砂按最佳摻配比例α0攪拌均勻而得的混合物稱混合細集料。

式中，wc為測試過程中填料的質(zhì)量;ws為測試過程中細集料的質(zhì)量。

調(diào)整細石子(4．75 ～9．5 mm) 的摻加比例β( 即4．75 ～9．5 mm 石子占混合后石子總質(zhì)量的百分比，見式(2) ) ，測試混合后粗集料的緊密堆積密度ρg。取混合后最大緊密堆積密度ρg0對應(yīng)的摻量作為細石子最佳摻配比例β0。如粗集料為混合級配，不需要測試β0。式中，wxi為混合測試過程中，細石子(4．75 ～9．5 mm) 的質(zhì)量; wcu為混合測試過程中，粗石子(9．5 ～19 mm) 的質(zhì)量。

改變混合細集料的摻配比例γ( 混合細集料占集料總質(zhì)量的百分比，見式(3) ) ，測定混合集料的緊密堆積密度ρ，最大緊密堆積密度ρmax對應(yīng)的摻配比例即為混合細集料的最佳摻配比例γ0。

式中，wf為混合細集料摻配用量;wg為粗集料摻配用量。

1 m3混合集料( 含粗集料、細集料、填料) 中，各組分用量以下述方法確定?；旌霞毤嫌昧?/p>

混合細集料中填料用量

混合細集料中細集料( 砂) 用量

混合集料中粗集料用量

4．75 ～9．5 mm 石子用量

9．5 ～19 mm 石子用量

根據(jù)上述程序，即可確定填料、砂、石子用量比例關(guān)系。

2．2 快速修復(fù)材料的組成設(shè)計

確定集料及填料各組分用量比例關(guān)系后，進一步確定環(huán)氧樹脂基液用量。

式中，w基為填充集料、填料剩余空隙及用于潤滑的基液總用量;V基為環(huán)氧樹脂基液體積;ρ基為基液密度;n 為考慮潤滑，基液用量擴大系數(shù);V混為混合集料( 含粗、細集料及填料) 堆積體積;P混為混合集料殘余空隙率。

式中，ρc為填料的表觀密度;ρs為細集料的表觀密度;ρg為粗集料的表觀密度。需注意的是，此處計算所得的基液用量w基不是每立方米快速修復(fù)材料中基液用量，因為上述計算過程中均以致密堆積1 m3混合集料為準計算，基液用量計算過程中除填充混合集料殘余空隙外進行了擴大，致使快速修復(fù)材料總體積超過了1 m3。每立方米快速修復(fù)材料各組分用量修正如下:

式中，wc′、ws′、wg1′、wg2′、w基′ 分別為修正后每立方米快速修復(fù)材料中的填料、細集料、4．75 ～9．5 mm 石子、9．5 ～19 mm 石子及環(huán)氧樹脂基液用量; α 為快速修復(fù)材料拌合物中的含氣量( 由攪拌過程引入拌合物中) 。

2．3 環(huán)氧樹脂基液的優(yōu)化組成設(shè)計

考慮到膠結(jié)料固化速度與稀釋劑用量( 稀釋劑與環(huán)氧樹脂質(zhì)量之比) 、固化劑摻量( 固化劑用量與環(huán)氧樹脂質(zhì)量之比) 及固化溫度三因素有關(guān)，且三因素間可能存在交互作用，利用L273正交表 安排試驗。為便于進行方差分析，安排正交表中每個試驗重復(fù)3 次。因素選定水平見表1。各因素及交互作用在正交表中安排如下:列號1 ～13 對應(yīng)的因素或交互作用分別為A、B、A×B、A×B、C、A×C、A×C、B ×C、A×B×C、A×B×C、B×C、A×B×C、A×B×C。

表1 基液組成設(shè)計因素水平表

采用正交表所確定的比例組合，均勻混合環(huán)氧樹脂、固化劑及稀釋劑，所得的混合液稱環(huán)氧樹脂基液。將基液與致密堆積的集料按2．2 中所確定的比例混合并攪拌均勻，得到的混合物稱快速修復(fù)材料混合料，混合料成型后在正交表所規(guī)定的溫度條件下固化4 h，以固化后的快速修復(fù)材料強度作為考核指標。

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 骨料組成設(shè)計試驗結(jié)果與分析

填料、細石子、混合細集料的最佳摻配比例試驗結(jié)果分別如下:①不同摻配比例的混合細集料料緊密堆積密度，摻配比例α 為19．0%、22．0%、25．0%、28．0%、31．0%，對應(yīng)緊堆密度分別為1 885、1 898、1 917、1 889、1 876 kg/m3;②不同摻配比例的混合粗集料緊密堆積密度，摻配比例β 為10．0%、15．0%、20．0%、25．0%、30．0%，對應(yīng)緊堆密度分別為1 590、1 590、1 606、1 592、1 580 kg/m3;③不同摻配比例的混合集料料緊密堆積密度，摻配比例γ 為29%、31%、33%、35%、37%、39%、41%，對應(yīng)緊堆密度分別為2 060、2 078、2 105、2 125、2 117、2 110、2 098 kg/m3。

由上述試驗結(jié)果可知，填料、細石子及混合細集料的最佳摻配比例分別為: α0= 25%，β0= 20%，γ0=35% 。

根據(jù)混合集料最大緊密堆積密度(2 125 kg/m3) 及式(4) ～式(9) ，計算1 m3混合集料中填料、細集料、細石子及粗石子用量，其用量分別為:填料186 kg，細集料( 砂)558 kg，細石子276 kg，粗石子1 105 kg。

各組分混合后致密堆積殘余空隙率為21．5%。由于本試驗所采用的環(huán)氧樹脂粘度較大，為保證快速修復(fù)材料混合料的流動性，確定基液用量富余系數(shù)為1．92，計算而得與1 m3致密堆積集料相對應(yīng)的基液用量為375 kg。

經(jīng)圓整后，快速修復(fù)材料中各組分用量比例為( 質(zhì)量比) :粗石子∶ 細石子∶ 砂∶ 填料∶ 環(huán)氧樹脂基液=3∶ 0．75∶ 1．5∶ 0．5∶ 1。

3．2 環(huán)氧樹脂基液優(yōu)化組成設(shè)計結(jié)果

嚴格按照因素安排及正交表L27313的因素水平組合稱量環(huán)氧樹脂、固化劑及稀釋劑，混合均勻，拌制環(huán)氧樹脂基液2 kg，將基液與按比例計量的粗石子、細石子、砂、填料均勻混合，拌制快速修復(fù)材料混合料，成型后在各試驗要求的溫度條件下固化4 h，測試快速修復(fù)材料的強度。試驗結(jié)果見表2，對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果分別見表3。

方差分析結(jié)果表明，交互作用均特別顯著。因此在確定最佳因素水平組合時，不能只依據(jù)指標和的大小。

由正交設(shè)計試驗結(jié)果看，4 h 強度最高的因素水平組合為A2B3C3( 第18 號試驗) ，最高強度為104 MPa;次好因素水平組合為A1B1C3( 第3 號試驗) ，4 h 強度為104 MPa。上述二種組合養(yǎng)護溫度均為45℃，一般現(xiàn)場施工較難達到這一條件要求，且成本較高;采用35 ℃進行養(yǎng)護時，4 h 能滿足快速修復(fù)的強度要求，同時從正交試驗中看出固化劑用量取7%時，快速修復(fù)材料也能滿足最終強度要求，且能減少固化劑用量，降低成本。所以經(jīng)綜合考慮，最優(yōu)條件選為A1B2C2，即稀釋劑用量為0%，固化劑用量為7%，固化溫度35 ℃。

表2 基液優(yōu)化組成設(shè)計試驗結(jié)果

表3 正交設(shè)計方差分析結(jié)果

對A1B2C2組合進行驗證試驗，各組分用量見表4，固化溫度35 ℃。試驗結(jié)果表明，按A1B2C2組合，修復(fù)材料強度為86．2 MPa，滿足一般結(jié)構(gòu)修復(fù)要求。

表4 快速修復(fù)材料驗證試驗強度(4 h 固化)

4 結(jié)論

(1) 致密堆積方法可以用于快速修復(fù)材料組成設(shè)計;(2) 稀釋劑、固化劑及固化溫度間存在交互作用;(3) 采用3．0∶ 0．75∶ 1．5∶ 0．5∶ 1∶ 0．07( 粗石子∶ 細石子∶ 砂∶ 填料∶ 環(huán)氧樹脂∶ 固化劑) 的質(zhì)量比配制的快速修復(fù)材料在45 ℃條件下固化4 h 最高強度100 MPa 以上，35 ℃條件下固化4h 強度達80 MPa以上。

［1］黃兆龍．混凝土性質(zhì)與行為［M］．臺北:詹氏書局，2001:292-303．

［2］劉朝榮．工業(yè)技術(shù)應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法［M］．武漢:湖北科學技術(shù)出版社，1985:495．