基于正交試驗(yàn)的超早強(qiáng)環(huán)氧砂漿配合比優(yōu)化

唐江明

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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基于正交試驗(yàn)的超早強(qiáng)環(huán)氧砂漿配合比優(yōu)化

唐江明

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：通過對(duì)普通環(huán)氧砂漿添加促進(jìn)劑并運(yùn)用正交試驗(yàn)法優(yōu)化環(huán)氧砂漿配合比，研究了填料摻量、稀釋劑摻量、固化劑摻量、促進(jìn)劑摻量四個(gè)因素對(duì)環(huán)氧砂漿早期強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：填料摻量對(duì)環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的影響最為顯著，得到最優(yōu)化組合為A2B2C3D2。驗(yàn)證組的測(cè)試表明經(jīng)優(yōu)化的配合比環(huán)氧砂漿超早期(4 h,養(yǎng)護(hù)溫度25 ℃)抗壓強(qiáng)度可達(dá)71.4 MPa,劈裂強(qiáng)度6.72 MPa，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拉拔測(cè)試抗拔力達(dá)到171 kN?？蓱?yīng)用于結(jié)構(gòu)植筋、交通工程的快速修補(bǔ)等工程。

關(guān)鍵詞：超早強(qiáng)環(huán)氧砂漿；配合比優(yōu)化；正交試驗(yàn)；抗壓強(qiáng)度；劈裂強(qiáng)度；抗拔力

交通工程快速搶修、救災(zāi)加固等特殊工程對(duì)超早強(qiáng)建筑膠黏材料提出較高要求。為此一大批學(xué)者對(duì)此展開了研究：無機(jī)方面有查炎鵬[1]、周華新[2]、代國忠[3]、王曉翠[4]等眾多學(xué)者，他們以高鋁水泥或普通硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)，通過添加減水劑、早強(qiáng)劑等外加劑，研制出了超早強(qiáng)的水泥砂漿類建筑膠黏材料，但上述研究成果的超早期強(qiáng)度還是難以滿足軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)等工程的需求。有機(jī)方面，黑龍江石化院以聚醚巰為固化劑先后研發(fā)了改性環(huán)氧樹脂快固膠J-156、J-182、J-183等產(chǎn)品；兵工部53所研發(fā)的WJ-53-HN50膠黏劑雖然凝膠時(shí)間短、固化速度快，但是固化溫度必須保持在25～30 ℃，且主要用于金屬之間的粘結(jié)[5]。本文針對(duì)目前環(huán)氧砂漿固化慢、超早期強(qiáng)度低等缺點(diǎn)進(jìn)行研究，配制克服這些缺點(diǎn)的超早強(qiáng)環(huán)氧砂漿。

1 環(huán)氧砂漿的強(qiáng)度形成機(jī)理及影響因素

環(huán)氧砂漿是環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑、填料等經(jīng)過復(fù)雜物理作用及化學(xué)反應(yīng)而生成的建筑膠黏復(fù)合材料，其中填料降低固化時(shí)收縮率和熱膨脹系數(shù)，改善環(huán)氧樹脂固化的脆性，大粒徑填料形成骨架結(jié)構(gòu)，有利于提高抗壓強(qiáng)度。王偉的研究表明填料摻量的增加，能有效提高環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度及其彈性模量，但對(duì)抗拉強(qiáng)度有較大影響，且這些影響隨著填料的增加其趨勢(shì)逐漸減緩[6]。環(huán)氧樹脂作為膠黏劑將填料包裹粘黏在一起再與固化劑發(fā)生聚合反應(yīng)形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物。在此通過分析環(huán)氧砂漿在制備和反應(yīng)過程中發(fā)生的物理變化和化學(xué)反應(yīng)來研究影響超早期強(qiáng)度的影響因素。

(1)環(huán)氧樹脂-固化劑體系對(duì)填料的浸潤作用。影響浸潤作用的兩個(gè)主要因素是環(huán)氧樹脂的初期粘度和膠液與填料的相容性。各種無機(jī)填料，特別是中性或弱堿性的石料、礦粉、水泥、礦渣在環(huán)氧樹脂稀釋液中能夠達(dá)到很好的浸潤效果[7]，因此在本試驗(yàn)中采用河砂與水泥作為填料。

表1 最大密度曲線各粒徑通過百分率

由計(jì)算結(jié)果可知：各級(jí)粒徑之比為29%∶21%∶15%∶10%∶25%，也即砂∶水泥為3∶1。溫度控制：在環(huán)境溫度較低時(shí)，環(huán)氧樹脂流動(dòng)性較小，可以對(duì)其進(jìn)行水浴加熱(水浴溫度不得超過80 ℃)，提高其流動(dòng)性。

(3)固化物形成過程。在一定的條件下環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)，經(jīng)歷膠液凝膠三維交聯(lián)過程形成固化物。主要的影響因素是體系的熱歷程，包括：預(yù)熱溫度、升降溫速度、固化溫度、固化時(shí)間、養(yǎng)護(hù)條件及時(shí)間等。研究指出加入促進(jìn)劑可以降低體系的反應(yīng)溫度[11]，固化時(shí)間縮短[12]，這是因?yàn)榧尤氪龠M(jìn)劑后，放熱效率明顯增大，在一定程度上降低了體系的反應(yīng)溫度，縮短了固化時(shí)間，但是當(dāng)促進(jìn)劑DMP-30過量時(shí)，其與一部分E-44發(fā)生反應(yīng)，部分固化劑處于游離狀態(tài)，反而進(jìn)一步降低了固化物的交聯(lián)密度，影響固化反應(yīng)速率及固化物的物理性能[13]。故本文通過添加促進(jìn)劑DMP-30并運(yùn)用正交試驗(yàn)確定最佳摻量來提高固化速率，以達(dá)到超早強(qiáng)的目的。

(4)環(huán)氧材料界面層結(jié)構(gòu)的形成。它是隨著環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)的進(jìn)行逐步形成的。不僅取決于膠液配方和體系的熱歷程，而且還與填料等材料的表面性能密切相關(guān)。主要要求填料不含結(jié)合水，對(duì)環(huán)氧樹脂及固化劑為惰性，對(duì)液體和氣體吸附性較小，甚至無吸附性。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

環(huán)氧樹脂：采用南通星辰合成材料有限公司生產(chǎn)的雙酚A型(6101)，環(huán)氧值為0.44 mol/(100 g)。稀釋劑：采用上海久億化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純丙酮。固化劑：采用廣東葵邦化工有限公司生產(chǎn)的第三代改性T31。促進(jìn)劑：采用廣東葵邦化工有限公司生產(chǎn)的DMP-30。填料(細(xì)集料)：采用南京當(dāng)?shù)氐暮由埃?細(xì)度模數(shù)為2.7， 屬于中砂，經(jīng)烘干含水率<0.5%。水泥：采用南京江南一小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P.II42.5硅酸鹽水泥。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 環(huán)氧砂漿正交抗壓、劈裂試驗(yàn)

參照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)》和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度.試件尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm。

2.2.2 經(jīng)配合比優(yōu)化的環(huán)氧砂漿錨固力測(cè)試

(1)在弱風(fēng)化的花崗巖(花崗巖力學(xué)參數(shù)為：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為104 MPa,劈裂強(qiáng)度為3.85 MPa)中鉆直徑32 mm、深度25 cm的孔洞。

(2)將?20 mm的HRB400螺紋鋼用環(huán)氧砂漿植入其中，注意鋼筋要垂直插入孔洞。

(3)4 h后，用拉拔儀測(cè)其抗拔力。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

項(xiàng)目研究目的是用于搶險(xiǎn)救災(zāi)結(jié)構(gòu)物的植筋加固、交通工程搶修等特殊工程情形，要求環(huán)氧砂漿快速凝固及早承載。因此，主要考察環(huán)氧砂漿4 h的單軸抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)影響環(huán)氧砂漿強(qiáng)度的因素進(jìn)行研究得出正交試驗(yàn)的因素及水平如表2所示。

表2 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平表　g

注：表中數(shù)據(jù)為每1 g環(huán)氧樹脂所耗用其他材料的量。

由表2可知，本試驗(yàn)為L(zhǎng)9(34)四因素、 三水平正交試驗(yàn)，其與三因素 、 三水平正交試驗(yàn)L9(33)設(shè)計(jì)原理類似，故可按照相關(guān)原則選用正交試驗(yàn)表格[14]。試驗(yàn)方案及強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3所示。

4 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)方案及強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表　MPa

注：Ki表示任一列上水平號(hào)為i(i=1、2、3)時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和；ki表示任一列上因素取水平i時(shí)所得試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值；R為極差，在任一列上的最大值與最小值之差，通過R的大小可以判斷各因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小，R值越大影響越大，反之亦然。

4.2 物理力學(xué)性能影響因素分析

4.2.1 填料的影響

環(huán)氧砂漿4 h抗壓強(qiáng)度隨著填料用量的增大抗壓強(qiáng)度增大，而劈裂強(qiáng)度隨著填料的增大而減小。填料顆粒均勻分散在環(huán)氧樹脂基體中，形成骨架，有利于降低膠粘體的收縮從而降低環(huán)氧樹脂固化過程中的殘余應(yīng)力，所以當(dāng)填料增加抗壓強(qiáng)度也隨著增大；但是填料的增加致使單位體積環(huán)氧砂漿的環(huán)氧樹脂摻量減少，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度變小，從而劈裂強(qiáng)度減小。

4.2.2 稀釋劑的影響

環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著稀釋劑摻量增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。添加稀釋劑的目的是為了降低樹脂的粘度，提高環(huán)氧樹脂對(duì)砂粒的浸潤力從而提高環(huán)氧砂漿的強(qiáng)度，但是摻量過大會(huì)導(dǎo)致多余的稀釋劑殘留在砂漿里，影響固化過程最終影響環(huán)氧砂漿的強(qiáng)度。

4.2.3 固化劑的影響

從圖1和圖2可知，環(huán)氧砂漿在固化劑摻量C1水平(0.22 g)固化劑不足(經(jīng)計(jì)算理論摻量為0.26 g)時(shí)，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂固化不完全，材料變形小強(qiáng)度低。隨著摻量的增加環(huán)氧樹脂砂漿的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度也隨著增大，在摻量為C3水平(0.3 g)時(shí)，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均達(dá)到最大。

圖1　影響環(huán)氧砂漿4 h抗壓強(qiáng)度的因素分析圖

圖2 影響環(huán)氧砂漿4 h劈裂強(qiáng)度的因素分析圖

4.2.4 促進(jìn)劑的影響

從圖1、圖2可知，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨著促進(jìn)劑的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于促進(jìn)劑的加入在一定程度上降低了體系的反應(yīng)活化能，反應(yīng)程度得到提高，促進(jìn)了環(huán)氧固化物交聯(lián)結(jié)構(gòu)的完整性。但加入過量的促進(jìn)劑會(huì)使體系固化反應(yīng)過快，鏈段得不到有效調(diào)整，從而導(dǎo)致固化物內(nèi)應(yīng)力過大，粘結(jié)強(qiáng)度降低[15]。

綜上，由表4中極值R的大小及以上影響因素分析可知，影響抗壓強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋禾盍稀⒐袒瘎?、促進(jìn)劑、稀釋劑。其優(yōu)化組合為A3B2C3D2。影響劈裂強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋禾盍?、稀釋劑、固化劑、促進(jìn)劑，其優(yōu)化組合為A1B2C3D2。由此可知抗壓優(yōu)化組合和劈裂優(yōu)化組合不同之處在于填料摻量，在做正交試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)填料摻量越大，環(huán)氧砂漿的流動(dòng)性越小，在填料摻量A2水平時(shí)流動(dòng)性比較適中便于施工，同時(shí)也綜合平衡了抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。最后確定最優(yōu)組合為A2B2C3D2。

4.3 優(yōu)化組合驗(yàn)證試驗(yàn)

按照優(yōu)化組合的配合比拌制環(huán)氧砂漿并制作試件，經(jīng)抗壓、劈裂試驗(yàn)測(cè)試得出抗壓強(qiáng)度為71.4 MPa、劈裂強(qiáng)度為6.72 MPa。同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)錨桿錨固力測(cè)試，錨桿達(dá)到極限承載能力171 kN被拉斷破壞。這表明經(jīng)優(yōu)化的環(huán)氧砂漿能夠滿足搶修等特殊工程需要，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

(1)填料的摻量是影響抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的主要因素，隨著填料摻量的增加抗壓強(qiáng)度增大，但劈裂強(qiáng)度反而減小。

(2)經(jīng)綜合分析得出最優(yōu)組合A2B2C3D2，并經(jīng)驗(yàn)證測(cè)試抗壓強(qiáng)度為71.4 MPa、劈裂強(qiáng)度為6.72 MPa，現(xiàn)場(chǎng)抗拔錨固力為171 kN。

本文主要是從添加促進(jìn)劑和優(yōu)化配合比這兩大方面提高環(huán)氧砂漿的超早期強(qiáng)度，尚未考慮到稀釋劑活性、偶聯(lián)劑的影響。下步工作可以通過改變稀釋劑的活性及添加偶聯(lián)劑等工作進(jìn)一步提高環(huán)氧砂漿的超早期強(qiáng)度。

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On the Optimization of the Mix Ratio of the Orthogonal-Test-Based Ultra-Early-Strength Epoxy Mortar

Tang Jiangming

(College of Field Engineering, Univ. of Sci. &. Tech. of the PLA,Nanjing 210007,China)

Abstract:The laws of the effects of the four factors of respectively the mixing amount of the filler, the mixing amount of the diluting agent,the mixing amount of the solidifying agent and the mixing amount of the activating agent are studied in the paper by adding the accelerator into the ordinary epoxy mortar and using the orthogonal test method.The test results show that the effect of the mixing amount of the filler on the compressive strength and the splitting strength of the epoxy mortar is the most obvious, with the most optimal combination of A2B2C3D2 obtained.Tests of the validation group show that the ultra-early compressive strength of an optimized mix epoxy mortar is up to 71.4 MPa,and the splitting strength is 6.72 MPa,with the field-tested drawing pullout force reaching 171 kN,in which case it can be applied to anchorage structures and the rush-repair of traffic projects.

Key words:ultra-early-strength epoxy mortar； optimization of the mix ratio； orthogonal test；compressive strength;splitting strength;anti-uplifting force

收稿日期：2016-01-29

作者簡(jiǎn)介：唐江明(1985—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖc土木工程649667269@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.006

中圖分類號(hào)：TU578.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0023-04