鋼渣微粉對(duì)環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響研究

崔東霞

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國(guó)是世界鋼鐵產(chǎn)量第一大國(guó)，在鋼鐵的制造過程中產(chǎn)生了大量的鋼渣。2021年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為10.3億t，全球占比52.8%，居全球首位，但是利用率卻很低[1-2]。大量的鋼渣堆棄造成了嚴(yán)重的空氣、水、土地等環(huán)境污染，也增加了企業(yè)的處置負(fù)擔(dān)。如何高效、大量利用鋼渣，降低其堆存量是從業(yè)者們面臨的嚴(yán)峻問題。鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，含有一定量的C3S、C2S等熟料礦物，是一種類似于水泥、粉煤灰等材料。但由于特殊的高溫?zé)Y(jié)制備工藝，使鋼渣中含有大量的f-CaO、f-MgO等不安定成分。f-CaO、f-MgO在后期有水環(huán)境作用下，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，體積分別增加98%、148%，引起膨脹開裂現(xiàn)象，具有較大的危害性[3-4]。現(xiàn)階段對(duì)于鋼渣的處理主要為利用冷棄法、水淬法、風(fēng)淬法、熱潑法、淺盤法、滾筒法、?；喎ê蜔釥F法等提高鋼渣的安定性、均勻性、粒度和活性[5]。但無論何種處理方法，鋼渣中仍含有一定量的f-CaO和f-MgO，在沒有完全消解的情況下，直接使用仍具有引起安定性不良等隱患。如果在鋼渣的后期使用過程中，避免水分子的介入，也是一種降低不安定性的有效措施。

橋梁加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，其主要材料為環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑、偶聯(lián)劑等非水體系，可對(duì)鋼渣粉體實(shí)施有效包裹、浸潤(rùn)，有效切斷鋼渣粉與水分子的水化反應(yīng)，避免造成安定性不良等隱患?，F(xiàn)有環(huán)氧樹脂類結(jié)構(gòu)膠體系中填料主要為氧化鎂、氧化鋁、碳酸鈣、無水石膏、石英粉等。以鋼渣部分作為環(huán)氧樹脂體系中的填料，是一種有效利用鋼渣的新思路。本文就鋼渣作為環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠填料時(shí)的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

環(huán)氧樹脂：E-51，環(huán)氧值 0.49～0.51，無錫藍(lán)星石油化工有限責(zé)任公司產(chǎn)；固化劑：CP-970，大連凱華新技術(shù)工程有限公司產(chǎn)；增韌劑：KH-07B，大連凱華新技術(shù)工程有限公司產(chǎn)；偶聯(lián)劑：KH-550，常州山峰化工有限公司產(chǎn)；鋼渣粉：山西太鋼哈斯科科技有限公司產(chǎn)，比表面積400～500 m2/kg，其主要礦物成分見表1；硅微粉：400目，河南鄭州市金石耐材有限公司產(chǎn)。

表1 鋼渣粉的化學(xué)成分 %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

鋼渣粉的表面改性：a）分別制備濃度為0、0.2%、0.5%、1%、2%的偶聯(lián)劑-無水乙醇溶液100 mL；b）稱取20 g鋼渣微粉，分別加入上述溶液攪拌均勻，超聲波振動(dòng)源 15～20 kHz，分散 10 min；c）將分散后的樣品置于烘箱中，100℃下烘干至恒重。

表2為試驗(yàn)所需配合比，其中環(huán)氧樹脂、固化劑、增韌劑、填料等均為質(zhì)量份數(shù)。

表2 試驗(yàn)配合比

1.3 試樣制備

按照《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》GB/T2567—2008制備拉伸、剪切、壓縮等測(cè)試試樣，于（20±2）℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d，測(cè)試其性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼渣填料對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠壓縮性能的影響

對(duì)比圖1中1號(hào)樣品與其他樣品，可以發(fā)現(xiàn)，填料的摻入可以有效提高環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的壓縮強(qiáng)度。2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)樣品中填料為鋼渣粉。鋼渣粉體中含有較高的Fe2O3，屬于無機(jī)粒子，相較于環(huán)氧樹脂等高分子聚合物，其剛度較強(qiáng)，有助于提升結(jié)構(gòu)膠體系的抗壓強(qiáng)度。隨著偶聯(lián)劑的改性濃度提高，結(jié)構(gòu)膠的壓縮強(qiáng)度先增長(zhǎng)后降低，在1%濃度時(shí)，獲得最大值。偶聯(lián)劑對(duì)鋼渣填料表面處理時(shí)，一端以化學(xué)鍵與鋼渣表面結(jié)合，一端溶解擴(kuò)散于樹脂中，可形成柔性的有利于應(yīng)力松弛的界面層，改善膠體的耐破壞性能。

圖1 鋼渣對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠壓縮性能的影響

2.2 鋼渣填料對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠剪切性能的影響

由圖2可以看出，隨著鋼渣改性濃度的增加，結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度逐漸提高，剪切性能逐漸優(yōu)化。環(huán)氧樹脂與填料是以氫鍵結(jié)合起來的，用偶聯(lián)劑處理后，這種結(jié)合狀態(tài)就變成以醚鍵為中介的共價(jià)鍵合，提高了膠體的剪切韌性。

圖2 鋼渣對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠剪切性能的影響

2.3 鋼渣填料對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠彎曲性能的影響

圖3 鋼渣對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠彎曲性能的影響

2.4 鋼渣填料對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠拉伸性能的影響

由圖3～圖5可以看出，鋼渣粉及其改性濃度對(duì)彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律是相似的。鋼渣粉、硅微粉等填料的引入，大幅度降低了膠體的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。偶聯(lián)劑對(duì)于鋼渣微粉的改性作用對(duì)彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率的影響是一致的，均在偶聯(lián)劑濃度為0.2%時(shí)，達(dá)到最高值。拉伸強(qiáng)度是由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過渡的臨界值，表征其在靜拉伸條件下的最大承載能力。環(huán)氧樹脂類高分子材料強(qiáng)度的影響因素主要為主鏈化學(xué)鍵力和分子鏈作用力，鋼渣填料的摻入，降低了單位膠體體積內(nèi)的環(huán)氧樹脂高分子材料所占的比例，形成的有效化學(xué)鍵與化學(xué)交聯(lián)逐漸減少，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。就拉伸強(qiáng)度而言，偶聯(lián)劑對(duì)于鋼渣的改性基本沒有優(yōu)化作用。

圖4 鋼渣對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度的影響

圖5 鋼渣對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠伸長(zhǎng)率的影響

由圖5、圖6可以看出，鋼渣填料對(duì)環(huán)氧樹脂膠黏劑拉伸彈性模量與伸長(zhǎng)率的影響是相反的。鋼渣填料和硅微粉填料的引入降低了結(jié)構(gòu)膠體系的伸長(zhǎng)率，而且隨著偶聯(lián)劑改性濃度的提高，伸長(zhǎng)率逐漸降低。伸長(zhǎng)率指材料在外力作用下，其幾何徑向尺寸上所發(fā)生的變化。鋼渣和硅微粉填料的加入，減弱了環(huán)氧樹脂的分子交聯(lián)，分子之間的空隙逐漸被填料填充。在受到外力作用時(shí)，分子的交聯(lián)剛性增加，變形能力減弱，因此伸長(zhǎng)率逐漸降低。偶聯(lián)劑改性濃度的增加對(duì)伸長(zhǎng)率沒有優(yōu)化作用。

圖6 鋼渣對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠拉伸模量的影響

圖6為鋼渣填料與硅微粉填料對(duì)于環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠拉伸模量的影響?？梢钥闯觯撛叟c硅微粉的引入提高了膠體的模量。鋼渣粉體中含有較高的Fe2O3，硅微粉主要成分為SiO2，二者都屬于無機(jī)類剛性粒子。隨著剛性粒子的加入填充了環(huán)氧樹脂固化物的交聯(lián)空間，增加其對(duì)變形的抵抗能力，使其模量逐漸增大。但是偶聯(lián)劑的濃度增加沒有提高膠體的拉伸模量。摻入硅微粉時(shí)，其模量明顯優(yōu)于鋼渣微粉，分析原因有可能為鋼渣粉與硅微粉二者之間的密度差異大。硅微粉的相對(duì)密度為2.3，鋼渣微粉的相對(duì)密度為3.2。同樣質(zhì)量份數(shù)下，硅微粉與鋼渣微粉二者的粒子數(shù)量差異近12.3%，單位質(zhì)量下的硅微粉的粒子明顯多于鋼渣粉粒子，對(duì)于模量的提升作用明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用偶聯(lián)劑對(duì)鋼渣微粉進(jìn)行表面改性，并對(duì)其在橋梁加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠體系中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

a）鋼渣填料的引入有助于提高環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠膠體的壓縮性能，當(dāng)偶聯(lián)劑濃度為0.2%～0.5%時(shí)，其壓縮性能與硅微粉填料接近，明顯高于不使用填料體系。

b）偶聯(lián)劑對(duì)于鋼渣粉的改性有效提高體系的剪切性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于不摻填料與硅微粉體系。

c）鋼渣粉與硅微粉等填料的引入均降低了環(huán)氧樹脂固化物的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。鋼渣填料和硅微粉填料的引入有助于改善環(huán)氧樹脂膠體的拉伸模量，但是改善程度不具有規(guī)律性。