環(huán)氧砂漿性能影響的研究

張曉華，朱華，陳曉龍

（蘇州市姑蘇新型建材有限公司，江蘇 蘇州　215132）

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環(huán)氧砂漿性能影響的研究

張曉華，朱華，陳曉龍

（蘇州市姑蘇新型建材有限公司，江蘇 蘇州215132）

摘要：主要分析了稀釋劑對環(huán)氧砂漿體系強度的影響，并探討了不同固化劑對操作時間的控制及其力學性能的影響，以及從不同種類填料的配比和摻量方面研究其力學性能的變化，對環(huán)氧砂漿的研制具有參考和指導意義。

關鍵詞：環(huán)氧樹脂；環(huán)氧砂漿；石英砂

環(huán)氧砂漿是由有機材料和無機材料組成的多相復合材料，其有機材料為環(huán)氧樹脂和固化劑反應后生成的固化物，在整個體系中充當膠結材料；無機材料主要為惰性的填料，如石英砂、水泥等。為了優(yōu)化性能還可加入稀釋劑、增韌劑等。這種砂漿具有良好的和易性，而且強度高、抗沖擊性和耐磨性好、粘結力強以及耐水和化學溶劑侵蝕［1］。正是由于環(huán)氧砂漿的這些特點，因此其廣泛適用于混凝土結構修補、加固、灌漿、錨固、地坪等施工。

本文主要分析了稀釋劑對體系強度的影響，并探討了不同固化劑對操作時間的控制及其力學性能的影響，以及從不同種類填料的配比和摻量方面研究其力學性能的變化，對環(huán)氧砂漿的研制具有參考和指導意義。

1　試驗

1.1主要原料

環(huán)氧樹脂（EP），E-51，工業(yè)級，無錫藍星新材料有限公司；稀釋劑AGE，工業(yè)級，安微新遠化工有限公司；固化劑QS-J004（R），工業(yè)級，北京金島奇士材料有限公司；固化劑2758，工業(yè)級，空氣化工產(chǎn)品（中國）投資有限公司；42.5級普

通硅酸鹽水泥，安徽海螺水泥股份有限公司；河沙，50～70目，蘇州某沙廠；石英砂，20目，浙江某沙廠。

1.2試驗儀器

JB90-D型強力電動攪拌機，上海標本模型廠；HZF-A1000型電子天平，福州華志科學儀器有限公司；0～200mm游標卡尺，上海量具刃具廠；TYB-300B型壓力試驗機，無錫建儀儀器機械有限公司；WE-100型液壓萬能試驗機，北京時代潤寶科技發(fā)展有限責任公司。

1.3試驗方法

先將所需不同類型的固化劑按照要求比例混合好，然后再將環(huán)氧樹脂與固化劑按不同比例混合，最后加入預先混合好的骨料，攪拌均勻，參考GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》，制作40mm×40mm×160mm樣塊，待其固化后拆模，標準條件下養(yǎng)護7d后測試其抗壓強度和抗折強度。

2　結果與討論

2.1固化劑對體系性能的影響

固化劑是建筑膠粘劑中最主要的配合材料，它直接或通過催化劑與基料進行反應，使原來熱塑性的線型樹脂或活性單體通過固化反應變成立體網(wǎng)狀結構或大分子聚合物。固化結果使分子間距離、形態(tài)、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性等都發(fā)生顯著的變化，獲得了更好的粘結與物理機械性能［2］。在環(huán)氧樹脂建筑膠中常用的固化劑主要有脂環(huán)胺、芳香胺、脂肪胺及其相應的改性胺類固化劑?？紤]到反應時間、抗壓強度、抗折強度

QS-J004（R）屬于改性脂環(huán)胺及液體芳香胺固化劑，綜合力學性能優(yōu)異，但是其反應活性溫和，為了彌補和調(diào)整反應速度，采用了反應活性較高的固化劑2758進行調(diào)節(jié)?；A研究配方為：100份環(huán)氧樹脂E-51、20份稀釋劑AGE、50份固化劑。固化劑QS-J004（R）和固化劑2758的質(zhì)量比對體系反應時間及其性能的影響見表1。

表1　固化劑質(zhì)量比對體系反應時間及其性能的影響

由表1可以看出，隨著固化劑2758的用量增大，體系的反應時間也隨著加快，根據(jù)現(xiàn)場操作需要，一般會選擇操作時間在60～120min，所以QS-J004（R）和2758的質(zhì)量比在1∶（0.8～1.2）較為適宜。

從表1還可以看出，體系的抗壓強度隨著固化劑QS-J004 （R）用量的減小而提高，這是因為QS-J004（R）屬于柔性固化劑，在固化產(chǎn)物強度方面沒有固化劑2758高，所以表現(xiàn)出隨著QS-J004（R）用量的增加而降低；體系的抗折強度隨著QSJ004（R）用量的增加先提高后降低，這是因為2758屬于剛性強度比較好的固化劑，隨著QS-J004（R）柔性固化劑的加入，體系的韌性慢慢上升，相應的會損失一些抗壓強度，在QS-J004 （R）和2758質(zhì)量比為1∶1時抗折強度達到最高為60MPa（此時，抗折實驗的結果都是折斷的），隨著QS-J004（R）用量繼續(xù)增加，由于體系的柔性繼續(xù)上升，剛性持續(xù)下降，抗折強度越來越低，同時表現(xiàn)出的破壞效果為實驗樣品由于柔性太高而無法折斷。綜上，QS-J004（R）和2758質(zhì)量比為1∶1最佳。

2.2稀釋劑對體系性能的影響

在環(huán)氧砂漿中加入一定量的稀釋劑，不但可以降低體系的黏度，增加流動性，提高對填料的浸潤性和對基材的滲透能力，而且還可以提高骨料的添加量，從而達到降低成本的目的。常用的溶劑可以分為活性的和非活性的，非活性的一般有二甲苯、丙酮、DBP等，其中二甲苯和丙酮等是揮發(fā)性比較大的，在施工過程中對環(huán)境和施工者都不環(huán)保，并且環(huán)氧砂漿層本身具有一定的厚度，固化后，會有一些溶劑未揮發(fā)而殘留在體系內(nèi)，由于其不參與固化反應，仍然以原來的分子形勢存在，游離于砂漿層中，而影響砂漿層的整體強度性能。而高沸點酯類DBP等非活性溶劑雖然不揮發(fā)，但不參與體系反應，因此也會殘留在體系內(nèi)而影響環(huán)氧砂漿的力學強度?；钚匀軇┮话闶呛?個或2個環(huán)氧基的低分子化合物，它們參與固化反應［3］。常用的活性稀釋劑有：碳12-14烷基縮水甘油醚（AGE）、正丁基縮水甘油醚（BGE）、芐基縮水甘油醚（692）等，考慮到黏度、性能、氣味、價格等因素，本研究選取AGE作為主要稀釋劑。AGE活性溶劑在常溫下黏度約為10mPa·s，而且無色無味，基本不揮發(fā)，可以參與環(huán)氧樹脂和固化劑的化學反應。試驗配比為：100份環(huán)氧樹脂E-51，50份固化劑 ［QS-J004（R）與2758均為25份］。稀釋劑用量對體系強度的影響見圖1。

圖1　稀釋劑用量對體系強度的影響

從圖1可以看出，體系的抗壓強度隨稀釋劑AGE用量的增加而降低，這主要是因為AGE用量增加，降低了體系的分子交聯(lián)密度。由于一開始AGE的添加可以增加體系的韌性，降低脆性，因此抗折強度是先提高的；AGE用量從20份繼續(xù)增加，體系剛性強度下降明顯，體系變軟，導致抗折強度下降。綜合對抗壓、抗折強度的影響、施工方便性、對基材的滲透性和后續(xù)成本控制來講，稀釋劑用量控制在20～25份比較適合。

2.3填料對體系性能的影響

填料的添加，不僅可以降低體系的收縮率和熱膨脹系數(shù)，增加導熱率和機械強度［4］，提高材料的粘結力、耐磨性，改善材料的老化性能，增長其使用壽命等［5］；還可以使得環(huán)氧樹脂的用量下降，從而降低環(huán)氧砂漿的成本。選取了42.5級普通硅酸鹽水泥、50～70目河砂、20目石英砂這3種材料作為主要填料，按照m（水泥）∶m（河砂）∶m（石英砂）=1.0∶1.5∶1.5的比例預先混合好，液料各組分用量為：100份環(huán)氧樹脂E-51，20份稀釋劑AGE，50份固化劑［QS-J004（R）與2758均為25份］，總液料固定為170份，填料用量對體系性能的影響見圖2。

圖2　填料用量對體系性能的影響

從圖2可以看出，隨著填料用量的增加，體系的抗壓強度緩慢提高，當m（填料）∶m（液料）=3.5時，體系的抗壓強度達到最高為93MPa，之后隨著填料用量的繼續(xù)增加，抗壓強度隨之降低。這主要是因為填料用量增加，環(huán)氧砂漿的密實度得到提升，從而提高了固化產(chǎn)物的剛性強度，所以表現(xiàn)出一開始的抗壓強度增加；但當填料用量過大時，由于液料不能很好地浸潤包裹填料，使得某些填料增加無效，表現(xiàn)出抗壓強度的降低，這種無效填料的繼續(xù)超負荷增加，使得抗壓強度大幅下降，當m（填料）∶m（液料）=5.5時強度下降極其明顯。

從圖2還可以看出，隨著填料用量的增加，體系的抗折強度一直降低，這主要是因為填料的增加提高了體系的剛性強度，韌性隨之降低，固化產(chǎn)物變脆；當m（填料）∶m（液料）＞5.5后，由于填料過多，液料無法浸潤包裹填料，使得填料無效，體系的抗折強度快速下降。

在整個試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，當填料過少的時候，環(huán)氧砂漿在固化過程中會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，粗顆粒填料會慢慢沉降到環(huán)氧砂漿的底部，分布不均，影響其性能的穩(wěn)定性，只有當m（填料）∶m（液料）≥3時，這種填料沉淀現(xiàn)象才得以解決，直至環(huán)氧砂漿固化結束，都未看到有分層現(xiàn)象。

針對上述不同填料和液料質(zhì)量比，本研究還進行了鋼-混拉拔實驗，選用C40混凝土，參照GB 50550—2010《建筑結構加固工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中附錄E進行測試，結果見表2。

表2　不同填料和液料質(zhì)量比時環(huán)氧砂漿的鋼-混拉拔試驗

從表2可以看出，隨著填料液料比增大，鋼-混拉拔強度一開始變化不大，當m（填料）∶m（液料）=4∶1時，拉拔強度有所降低。這是由于填料用量的增加，環(huán)氧砂漿稠度也不斷上升，除了液料沒有很好地浸潤填料造成環(huán)氧砂漿本身的強度降低外，還使得環(huán)氧砂漿對基材混凝土的滲透能力變差，粘結能力隨之下降。甚至隨著填料用量的繼續(xù)增加，其鋼-混拉拔強度進一步降低，拉拔破壞形式也從混凝土內(nèi)聚破壞到混凝土淺層破壞，直至最后的混凝土表皮破壞。

從實際操作來看，填料太少時，環(huán)氧砂漿太黏，流動性強，液料和各種填料不穩(wěn)定，容易分層，成型不方便。隨著填料增加，和易性逐漸變好，但是太多時砂漿就會太干，不容易振搗，工作性變差。綜合考慮，m（填料）∶m（液料）=3.0或者3.5比較適宜。

2.4不同級配砂對體系性能的影響

為了降低成本，可以添加成本便宜的填料，但是不同大小顆粒的填料對體系的性能影響不同，全部選擇細填料，會降低體系的流動性，而且由于細填料的吸油性通常比粗填料大，所以能添加的最大量受到限制。全部選擇粗填料，由于填料粒徑比較大，添加量過大后，填料與填料之間會有空隙，造成整體力學性能下降，因此有必要對粗細填料的添加量進行研究。在液料E-51為100份，AGE為20份，固化劑為50份［QS-J004 （R）與2758均為25份］，總液料為170份的基礎上，選擇42.5級普通硅酸鹽水泥、50～70目河砂、20目石英砂為填料，填料總量為600份，其中水泥150份不變，河砂和石英砂總量為450份，改變河砂和石英砂的質(zhì)量比，進行抗壓、抗折強度測試，結果見表3。

表3　河砂與石英砂質(zhì)量比對體系強度的影響

從表3可以看出，在填料總量為600份、液料為170份時，體系抗壓和抗折強度受粗細填料的影響不大，隨著石英砂用量的增加，體系的強度先提高后降低，當m（河砂）∶m（石英砂）=1.5∶1.5時，體系的抗壓、抗折強度均達到最高，之后隨著石英砂用量繼續(xù)增加，體系內(nèi)部空穴形成的情況增加，抗壓和抗折強度開始緩慢下降。

3　結論

（1）通過選用反應較快的改性多胺固化劑2758和反應較慢的韌性固化劑QS-J004（R）復配來調(diào)節(jié)環(huán)氧砂漿的反應時間，并改善其韌性，從而提高抗折強度，固化劑QS-J004（R）和固化劑2758質(zhì)量比為1∶1時達到最佳。

（2）為了降低成本，在對性能影響不大的情況下能夠更多的添加填料，提高液料的潤濕性和流動性，不建議以非活性溶劑來稀釋，而選取了活性稀釋劑AGE，用量控制在m（環(huán)氧樹脂E-51）∶m（AGE）=（4～5）∶1比較合適。

（3）從添加的填料量以及粗細填料不同添加量對環(huán)氧砂漿強度的影響實驗中得出，m（填料）∶m（液料）=3.5比較適宜，其中各填料的比例為m（水泥）∶m（河砂）∶m（石英砂）=1.0∶1.5∶1.5，這樣可以保證在液料完全浸潤填料，而且不發(fā)生原料分層、沉淀的基礎上最大限度地添加填料，降低成本，還能解決因粗顆

粒填料過多，砂漿內(nèi)部產(chǎn)生空穴的問題，從而保證環(huán)氧砂漿具有較好的抗壓、抗折強度。

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中圖分類號：TU57.8+11

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0023-03

收稿日期：2015-10-21；

修訂日期：2015-12-01

作者簡介：張曉華，男，1981年生，江蘇蘇州人，工程師，主要研究方向為新型建筑材料。等性能要求，本研究選擇了QS-J004（R）韌性固化劑和改性多胺固化劑2758。

Study on the influence of the psroperties of epoxy mortar

ZHANG Xiaohua，ZHU Hua，CHEN Xiaolong
（Suzhou Gusu New Building Materials Co.Ltd.，Suzhou 215132，China）

Abstract：In this paper，we mainly analyze effect of diluents on the strength of the epoxy mortar system and discuss the control of operation time of different curing agents，and starting with the different fillers ratio and the amount of different fillers，to study the mechanical properties，it has reference and guiding significance to development of epoxy mortar.

Keywords：epoxy resin（EP），epoxy mortar，quartz sand