環(huán)氧樹脂改性堿礦渣水泥砂漿路用修補(bǔ)性能研究

梁秋爽

(重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶，402247)

伴隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，出現(xiàn)交通量增加和道路荷載增加等現(xiàn)象，而水泥混凝土路面被長(zhǎng)時(shí)間碾壓后難免會(huì)出現(xiàn)局部破損，這些破損部位經(jīng)常采用水泥、聚合物、纖維增強(qiáng)等砂漿材料進(jìn)行修補(bǔ)。

水泥砂漿的修補(bǔ)材料與水泥混凝土的原材料相似，兩者的相容性較好，但是前者在修補(bǔ)過(guò)程中容易出現(xiàn)收縮開裂，尤其是干燥高熱的環(huán)境中[1]。硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過(guò)程本身就是大量資源的消耗，對(duì)環(huán)境的污染也不容忽視，因此，節(jié)能環(huán)保材料的開發(fā)與應(yīng)用需要廣泛推廣。近年來(lái)，粒化高爐礦渣之類廢渣的研究應(yīng)用得到了大力發(fā)展。聚合物砂漿(PM)可以改善結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度、粘結(jié)性都有所提高，收縮率降低，但其彈性模量與熱膨脹系數(shù)也會(huì)使修補(bǔ)效果大打折扣，純丙、苯丙等乳液的使用較為廣泛[2-4]。纖維增強(qiáng)砂漿雖然可以有效地改善其抗裂性，但是作為修補(bǔ)材料，它的粘結(jié)性不高，修補(bǔ)效果并不理想。

本文將工業(yè)廢渣?；郀t礦渣進(jìn)行活性激發(fā)后，利用環(huán)氧樹脂(EP)對(duì)其改性，制作成環(huán)氧樹脂(EP)改性堿礦渣水泥砂漿(AAS)，將PM的優(yōu)異特性與節(jié)能環(huán)保相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同EP摻量的AAS的收縮性和黏結(jié)抗折強(qiáng)度(Rf)，并從微觀結(jié)構(gòu)分析其特性，以期找到可以有效改善堿礦渣水泥砂漿路用修補(bǔ)性能的較優(yōu)摻量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

礦渣為規(guī)格S95,比表面積為4 280 cm2/g，堿度M0為1.07，其化學(xué)成分見表1。水玻璃采用重慶茂陽(yáng)化工有限公司生產(chǎn)，其模數(shù)(M)為3.21，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用固體NaOH將其模數(shù)調(diào)整為1.0，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。EP和固化劑的技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)見表3和表4。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將環(huán)氧樹脂與固化劑按質(zhì)量比4∶1進(jìn)行調(diào)配。

表1 礦渣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of slag

表2 水玻璃主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Specifications of sodium silicate

表3 環(huán)氧樹脂的技術(shù)性能Table 3 Technical properties of epoxy resin

表4 水性環(huán)氧固化劑Table 4 Waterborne epoxy curing agent

1.2 配合比

EP改性AAS的配合比見表5。

表5 改性AAS的配合比Table 5 Mix proportion of modified AAS

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 FL實(shí)驗(yàn)

AAS的FL的測(cè)定步驟，潤(rùn)濕設(shè)備，分兩層裝模搗壓，啟動(dòng)跳桌，完成25次跳動(dòng)后量取擴(kuò)散直徑D作為AAS的FL值。

1.3.2 收縮性能實(shí)驗(yàn)

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作及養(yǎng)護(hù)，在相應(yīng)齡期用游標(biāo)卡尺量取試件的長(zhǎng)度Lt，試件的第一天拆模長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，試件的自然干燥收縮ε的計(jì)算式如下：

式中：L0為試件1 d拆模的初始長(zhǎng)度；Lt為相應(yīng)齡期的試件長(zhǎng)度。

1.3.3 粘結(jié)Rf實(shí)驗(yàn)

先將42.5的P·Ⅰ制備的膠砂試塊養(yǎng)護(hù)到28 d，沿長(zhǎng)度方向從中間鋸斷，使其長(zhǎng)×寬×高為40 mm×40 mm×80 mm，磨平斷面，并用相應(yīng)配比的凈漿抹平，將其放在長(zhǎng)×寬×高為40 mm×40 mm×160 mm試模的一端[5]，另一端澆筑AAS，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)時(shí)間進(jìn)行Rf實(shí)驗(yàn)，測(cè)出其黏結(jié)強(qiáng)度Rf。

2 結(jié)果與討論

2.1 AAS的流動(dòng)度

EP改性AAS作為修補(bǔ)材料應(yīng)具備較高的施工性能，用AAS的FL來(lái)表征其施工性能，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 EP改性AAS的FLFig.1 FL of AAS modified by EP

由圖1可知：變摻量EP改性AAS的FL逐漸升高，EP乳液會(huì)包裹住礦渣顆粒，顆粒之間存在相同的極性，并起到潤(rùn)滑的作用，有利于分散，釋放水分，使其具有一定的減水效果[6]，從而使AAS的流動(dòng)度提高，方便修補(bǔ)砂漿的施工。

2.2 EP改性AAS的收縮性能和粘結(jié)抗折強(qiáng)度

將0～15%的EP加入AAS中，對(duì)其自由收和黏結(jié)強(qiáng)度Rf縮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果見表6和圖2。

表6 EP改性AAS收縮率及黏結(jié)強(qiáng)度RfTable 6 Shrinkage and bond Rf strength of modified AAS

由圖2可知，當(dāng)EP摻量逐漸升高時(shí)，改性AAS在7 d的ε隨之降低，28 d和42 d的ε則呈凹形折線，在環(huán)氧樹脂摻量為9%時(shí)最低，分別降低了47.8%和43.4%。由此可見，改性砂漿的自由收縮值是可以通過(guò)環(huán)氧樹脂降低的，這是由于環(huán)氧樹脂的摻入可以使砂漿內(nèi)部各成分之間連接的更緊密，孔隙率下降，使砂漿內(nèi)部水分在蒸發(fā)過(guò)程中不易離開，膠凝材料的水化反應(yīng)進(jìn)行得更充分；當(dāng)環(huán)氧樹脂含量達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使收縮進(jìn)一步收到限制。“公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則”(JTGF30—2014)中規(guī)定水泥的28 d干縮率≤0.09%，當(dāng)EP摻量為9%時(shí)，AAS的干縮值是滿足要求的[7]。

圖2 EP改性AAS的自由收縮值Fig.2 Free shrinkage values of AAS modified by EP

由圖3可見：摻入EP后，改性AAS的黏結(jié)強(qiáng)度Rf先下降后上升再下降，并在摻量為12%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，盡管如此，其黏結(jié)強(qiáng)度Rf仍比空白組的低，其相較于空白組低32.7%，5.9%，3.7%和6.9%，由此可知，其降低幅度并不大，這是由于環(huán)氧樹脂本身是一種有機(jī)高分子材料，其與無(wú)機(jī)材料的相溶性并不理想；當(dāng)環(huán)氧樹脂摻量較低時(shí)，修補(bǔ)砂漿與基塊之間的連接主要靠無(wú)機(jī)水化產(chǎn)物進(jìn)行黏連，而環(huán)氧樹脂則以顆粒形式存在；隨EP含量逐漸增多，這種黏連接觸面減少，從而使黏結(jié)強(qiáng)度Rf出現(xiàn)下降，但是當(dāng)EP開始形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成具有一定黏結(jié)強(qiáng)度的膜時(shí)，修補(bǔ)砂漿的黏結(jié)抗折強(qiáng)度得到了提高，而過(guò)量的環(huán)氧樹脂會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和粘結(jié)面處出現(xiàn)乳液膜塊和團(tuán)塊，將水化產(chǎn)物包裹起來(lái)，反而將整體結(jié)構(gòu)分割，破壞其整體性，導(dǎo)致黏結(jié)抗折強(qiáng)度下降[8]。

圖3 EP改性AAS的粘結(jié)Rf強(qiáng)度Fig.3 Bond strength Rf of AAS modified by EP

3 微觀分析

3.1 SEM

對(duì)EP改性AAS進(jìn)行掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 空白組AAS的SEMFig.4 SEM of AAS in the blank group

圖5 9%環(huán)氧樹脂改性AAS的SEMFig.5 SEM of AAS modified by 9% epoxy resin

分析圖4可知，不摻環(huán)氧樹脂乳液的砂漿表面存在微裂紋，這是由于在砂漿自身會(huì)存在一定的自由收縮，礦渣經(jīng)過(guò)水玻璃的活性激發(fā)，在堿性環(huán)境中，-O-Si-O-Al-O-玻璃體結(jié)構(gòu)溶于[SiO4]4-和[AlO4]5-中，并發(fā)生相應(yīng)的收縮聚合反應(yīng)，從而得到空間網(wǎng)絡(luò)的鍵合材料[9]。由圖5可見，摻入適量的EP，在AAS凝結(jié)硬化過(guò)程中，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相關(guān)文獻(xiàn)表明EP會(huì)影響膠凝材料凝結(jié)硬化，環(huán)氧樹脂會(huì)在AAS結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成聚合物橋，穿插在各水化產(chǎn)物之間，起到粘結(jié)作用，不僅填充孔隙，改善改性砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高韌性。

3.2 XRD

對(duì)EP改性AAS進(jìn)行X射線衍射進(jìn)行分析，其結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 空白組的XRDFig.6 XRD of AAS in the blank group

圖7 9%EP改性AAS的XRDFig.7 XRD of AAS modified by 9% EP

由圖6可見：AAS的水化產(chǎn)物以方解石為主，還有一部分的CaCO3，根據(jù)物相分析得到的晶面間距d，得出該AAS的生成沸石類礦物、托勃莫來(lái)石、C-S-H，AFt等。分析圖7得出，EP改性AAS的水化產(chǎn)物以Ca2SiO4為主[10]，根據(jù)晶面間距d發(fā)現(xiàn)，該AAS的生成物變?yōu)楦黝惙惺V物、托勃莫來(lái)石、C-S-H，C-A-H，并且以托勃莫來(lái)石為主。根據(jù)EP改性AAS水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)變化可以看出，EP可以改善AAS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其充分水化，從而改善AAS的干縮性能。

4 結(jié)論

EP改性AAS的FL隨著EP溶液的增多而逐漸升高；其7 d自由收縮值逐漸降低，28 d和42 d自由收縮值在環(huán)氧樹脂摻量為9%時(shí)最低，較空白組分別降低了47.8%和43.4%；其各齡期的黏結(jié)強(qiáng)度Rf先降低后升高，在環(huán)氧樹脂摻量為12%時(shí)較高，但仍較空白組低32.7%,5.9%,3.7%和6.9%；從AAS的SEM和XRD發(fā)現(xiàn)EP在AAS凝結(jié)硬化過(guò)程中，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并生成了以托勃莫來(lái)石為主的水化產(chǎn)物，由此可見，環(huán)氧樹脂的摻入可以改善改性砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高韌性，但其修補(bǔ)性能仍需進(jìn)一步研究。