微波固化环氧树脂混凝土路面抢修材料的力学性能.pdf

第 1 6卷第 4 期 2 0 1 3年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG M ATERI AL S V0 1 1 6， NO 4 Au g ， 20 1 3 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 5 9 9 - 0 4 微 波 固化环 氧树脂 混凝 土路面抢修材料 的力学性能 雷运 波 ， 蒋 懋 ， 陈辉 国， 张 力 ( 后勤工程学院 军事土木工程系，重庆 4 0 1 3 3 1 ) 摘 要 ： 研 究 了环 氧树 脂 混凝 土试件 在 自制微 波 辐射 装 置 下 的 固化 时 间 ， 发 现 其 在 该条 件 下 1 0 mi n 即可 实现 基 本 固化 ， 并达到 较 高 强度 ； 进 一 步研 究 了微 波 固化 环 氧 树脂 混凝 土 的 力 学性 能 ， 结果 表 明 ： 该 混凝土 抗压 强度 近 5 0 MP a ， 抗 折 强 度 可达 1 0 MP a以上 ， 且 与 原 结构 黏 结 强度 高 ， 同时具 有 良好 的低 温 性能 研 究用微 波 固化环 氧树 脂 混凝 土具 有 高 强 、 快硬 、 施 工 方便 及 固化 易 于控 制 等 优 点 ， 可应 用 于路 面抢修 抢建 工程 关键 词 ： 环 氧树 脂 混凝 土 ； 微 波 固化 ；力 学性 能 ；路 面抢修 中 图分类 号 ： TU5 2 8 3 7 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 4 0 0 8 M e c ha ni c a l Pe r f o r m a nc e o f Re pa i r M a t e r i a l s f o r Epo x y Re s i n Co n c r e t e Pa v e m e nt Cu r e d b y M i c r o wa v e LE Y u n b o， JI ANGM a o， CHEN Hu i g u o， ZHANGLi ( De p a r t me nt o f M i l i t a r y C i v i l E n g i n e e r i n g，Lo g i s t i c a l En g i n e e r i n g Un i v e r s i t y，Ch o n g q i n g 4 0 1 3 3 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t：As t he r e p a i r t i me o f p a v e me nt i s hi gh l y r e q ui r e d，t he c u r i ng t i me of e p ox y r e s i n c on c r e t e un de r t h e c o ndi t i o n o f s e l f ma d e m i c r o wa v e r a di a t i o n e q ui p m e nt i s t e s t e dTh e r e s u l t s s ho w t he e po xy r e s i n c o n c r e t e c a n be c ur e d i n 1 0 mi nu t e s The m e c ha n i c a l pr o pe r t i e s o f c ur e d r e s i n c on c r e t e we r e s t ud i e d a n d t he r e s u l t s s h o w t h a t r e s i n c o n c r e t e c u r e d b y mi c r o wa v e h a s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 5 O MPa ，f l e x u r a l s t r e n g t h o f a bo v e 1 0 M Pa，a nd go o d l o w t e mpe r a t ur e d e f or ma t i o n ab i l i t y Th e de v e l o pe d e p o xy r e s i n c on c r e t e ha s a l o t of a d va nt a g e s，s u c h a s r a p i d ha r de ni n g，hi g h s t r e n gt h，c o nv e n i e nt c o ns t r uc t i o n，wh i c h i s s u i t a b l e f or r a pi d r oa d r e pa i r i n g a nd c o ns t r u c t i ng e n gi ne e r i n g Ke y wo r ds ：e po xy r e s i n c o nc r e t e；m i c r o wa v e c u r i n g；m e c h a ni c a l p e r f o r ma nc e；p a v e me n t r e pa i r 目前， 国内外路面抢修材料 主要为硅酸盐水泥 类混 凝 土 ， 其 中水 泥包 括 土聚水 泥 、 磷 酸盐胶 凝 材料 和快 硬 铝 酸盐水 泥 土 聚水 泥 是 D a v i d o v i t s _ 】 在 深 入研究古建筑材料的基础上开发出的一种碱激活胶 凝 材料 ， 具有 早 强 快 硬 等 优 良性 能 _ 3 ， 目前 已应 用 于机 场 、 港 口、 码 头 和道路 桥梁 等军 事 工程 的抢 修 抢 建中， 也能在防灾减灾等临时工程中发挥重要作用 磷酸盐胶 凝材 料是 新 型气硬 性胶 凝 材料 的一种 ， S u g a ma等【 9 研 究 了磷 酸 铵镁 水 泥 的水 化 产 物及 水化 机 理等 ， 并 实 现 了能用 于 实 际工 程 的磷 酸 铵 镁 水 泥 的生产 因磷 酸盐 胶 凝材 料具 有早 强 、 凝 结 时 间 可调等优 良性能 ， 发达 国家及地区的学者都 曾致力 于或 正在 对磷 酸盐 类胶 凝材 料 的水化 机理及 应 用开 发进行研究 近年来 ， 国内对磷酸镁水泥用于抢修材 料的研究越来越 多， 如丁铸等 2 _ 对新型磷酸镁水 泥 的制 备和性 能进 行 了更加 深入 的研究 ， 并 以 Mg O 含量较低 的镁砂和粉煤灰为主要原料成功制备 出凝 结快 、 早期强度高的磷硅酸盐水泥 快硬铝酸盐水泥 是以铝质原料 、 石灰质原料和石膏， 经适量配合后煅 烧成 含 有无水 硫 酸钙 的熟料 ， 再 掺入 适 量 石 膏 共 同 磨细而制成 ， 是我 国具有独立知识产权 的水泥品种 ， 它具 有早 期 强度 发展快 、 强 度高 、 长期强 度 稳定 增长 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 0 7 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 0 6 0 7 基金 项 目： 解 放军总后勤部 基建营房部项 目( B Y2 0 9 C 0 2 2 ) ； 重庆市建委科技项 目( 2 0 0 9第 9 2号) 第一作者 ： 雷运波( 1 9 7 9 -) ， 男， 四川广安人， 后勤工程学院副教授， 硕士 Em a i l ： 9 2 4 0 1 2 7 q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 0 建筑材料学报 第 1 6 卷 的特点 ， 同 时具有抗 硫酸 盐侵蚀 和抗 冻融循 环 能 力 ， 作时 间长 ， 易于控 制 ， 而后期 可通 过微波 方式 实现 快 一 般在冬季施工 ， 在水工工程及修补工程等特殊工 速固化 ， 本研究为抢修材料的应用提供指导和借鉴 程 中 譬 要 警 妻 。 七 雨 7 徊 1 环 氧 树 脂 混 凝 土 混 合 料 试 件 制 备 国 内 外 在 上 述 抢 修 材 料 方 面 均 取 得 了 很 多 成 一 _卜 ” 。 ” 一 。 果， 抢修材料以其快硬高强 、 凝结 时间可调 、 耐久性 1 1 原材料 能好等优点应用于军事工程抢修抢建和灾后快速修 环氧树脂 ： 双酚 A 型 E 5 1 ( 中吴晨光化工研究 复中 但 目前 的抢修材料仍存在一些缺陷， 如反 院) ； 固化剂 ： 聚酰肢 V1 2 5 ( 德 国科宁 V 一 1 2 5 ) ； 稀释 应时间可调而不可控且不能中断施工 ， 操作 时间较 剂 ： 环氧丙烷丁基醚( 深圳恒丰化工有限公司) 混合 短 ， 施 工质 量无法 得到 保证 ， 另外胶 凝材 料多 为 单组 料 采用 AC 一 1 3集 料 级 配 ， 如 表 1所示 材 料 配 比为 分熟料 ， 不易保存 鉴于此， 本文制备了一种综合性 m( 环氧树脂 )： m( 固化剂)： m( 稀释剂) 一2 o： 能优 良的环氧树脂混凝土快速修补材料， 其前期操 1 0： 0 3 ； m( 集料)： m( 胶凝体系) 一1 0： 1 表 1 集料级配 S i e v e s i z e ram 1 6 1 3 2 9 5 4 7 5 2 3 6 1 1 8 0 6 0 3 0 】 5 0 0 7 5 P a s s i n g r a t i o ( by ma s s ) 1 0 0 0 9 5 0 7 6 5 5 3 0 3 7 0 2 6 5 1 9 0 1 3 5 1 0 0 6 0 1 2仪 器及 设备 自制微 波辐射装置示意 图如图 1 所 示 该装 置主 要包括 防护罩 、 主机箱 、 4个微波喇 叭辐射 口以及 4个 4 5 0 W 磁 控 管 每个 辐 射 口的 辐 射 尺 寸 为 5 0 C I T I x 5 0 c m， 磁控管距辐射 口平面的直线距 离为 3 0 c m M a g n e t r o n 图 1 自制微波辐射装置示意 图 Fi g1 Sc he ma t i c o f s e l f ma de mi c r o wa v e r a d i a t i o n d e vi c e 万能力 学试 样机 ： 美 国产 MT S 8 1 O万 能材 料 试 压机 1 3样 品制备 按表 1级配称取混合料 ， 将其加入拌和锅 中搅 拌 3 mi n ， 然后按材料配 比将环氧树脂、 固化剂 和稀 释剂混合均匀后加入到拌和锅 中， 继续搅拌 3 mi n ， 取其适量分别放入 1 0 C I T I t 0 C 1 T I 1 0 c m抗压以及 1 0 c m1 0 C I T I 4 0 c m抗折 AB S塑料模具中， 捣实 刮 平后 分 别 在 室 温 、 加 热 及 微 波 发 射 装 置 中 固化 成 型 2 微波 固化环 氧树脂混凝土性能试验 2 1 不 同 固化 条件 下环 氧树脂 混凝 土抗压 强度 成 型 5组立 方 体 抗 压 试 件 ， 每 组 3个 ， 放 置 于 微 波 喇叭 口下 ， 采用 微 波 功率 为 3 4 5 0 W ， 辐照 不 同时 间后 测 试 每 组 试 件 的 抗 压 强 度 ， 结 果 如 表 2 所示 表 2 微波 固化环氧树脂 混凝土的抗压强度 T a b l e 2 C o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f e p o x y r e s i n c o nc r e t e c u r e d b y mi c r o wa v e M Pa 成型 5组立方体抗压试件 ， 每组 3个 ， 分别在 室 温 ( 恒 定 温 度 为 ( 2 5 0 5 ) ) 和 电 子 烘 箱 加 热 条 件下 ( 温 度 设 定 为 1 O O ) 进 行 固 化 ， 经 过 不 同 固化时间后 测试每 组试件 的抗压 强度 ， 结果 如表 3， 4所 示 表 3 室温 固化环氧树脂混凝土的抗压强度 Ta b l e 3 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f e p o x y r e s i n c o n c r e t e c u r e d u n d e r r o o m t e mp e r a t u r e( ( 2 5 土0 5 ) ) MP a 表 4 热 固化环氧树脂混凝土 的抗压强度 Ta b l e 4 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f e p o x y r e s i n c o nc r e t e c a r e d b y h e a t i n g( 1 0 0) MP a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 雷运波 ， 等 ： 微波固化环氧树脂混凝土路面抢修材料 的力学性能 6 O 1 由表 3 ， 4可见 ， 常温下环氧树脂混凝土初凝时 问在 4 h以上 ， 具 有较长 的操作 时间 ， 当环氧树脂 混 凝 土抗 压 强度 达 4 0 MP a时 ， 采 用 常 温 固化 方 式 需 4 d ， 采 用 1 O 0 热 固化 方 式 需 1 5 2 0 h ， 而采 用 微 波 固化 方式 仅 需 1 0 rai n 由 此 可 见 ， 微 波 固化 方 式 可 以很 大程 度 地 提 高 环 氧 树 脂 混 凝 土 的 固化 速 率 对 于普 通 道路 水 泥 混 凝 土路 面 ， 其 抗 压 强度 要 求 大 于 2 5 MP a ， 而对 变 形 能力 并 无 具 体 要求 试 验 结 果表 明微 波 固化环 氧树 脂混 凝 土能在 很短 时 间 内 实 现快 速 固化 ， 且 固化 物 强度 满 足 路 面 材 料抗 压 强 度 要求 2 2 环氧树 脂 混凝 土 室温抗 弯拉 强度 抗 弯拉 强 度 是 路 用 材 料 最 重 要 的 性 能 指 标 J T G D 4 0 2 O 0 1 公路 水泥 混凝 土路 面设 计规 范 根 据 交通 荷载 等级 的不 同 ， 确定 了水 泥 混 凝 土 的抗 弯 拉 强度 标 准 值 最 小 为 4 0 MP a 参 照 GB J 8 1 8 5 普 通混 凝土 力 学性 能试 验 方 法 ， 采 用 抗 折强 度 试 验 间接测 定 环 氧树 脂 混 凝 土 的抗 弯拉 强 度 ， 每组 浇 注 3个试 件进 行测 量 ， 试件 尺 寸 为 1 0 c m1 0 c m 4 0 c m， 在 功率 4 4 5 0 W 条 件下 微波 固化 1 0 rai n ， 试 验中支撑点跨距为 3 0 0 mm， 加载速度为0 5 k N s ， 按 照 GB J 8 1 8 5计算 出试件的极限抗弯拉强度 ， 结 果 取 3个 试件 极 限抗 弯 拉 强度 的平 均 值 试 验 中在 试 件 的下 边缘 两 侧 对 称 布 置 电 子 引伸 计 ， 用 来 连 续 测量试件的弯拉应变 ， 电子引伸计记 录的应变突变 值 即为试件的弯曲极 限应 变， 结果取 3次试验 的平 均值 试验 结 果 见 表 5 由表 5可 知 ， 环 氧 树 脂 混 凝 土的抗弯拉性能优于普 通混凝 土， 能满足路用材料 对抗弯拉强度的需求 表 5环氧树脂 混凝土室温抗弯拉强度试验 结果 Ta b J e 5 Fl e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o f e p o x y r e s i n c o n c r e t e u n d e r r o o m t e mp e r a t u r e 2 3环 氧树脂 混凝 土低 温 抗弯 拉强 度 高低温性能是路面材料 的重要 使用性能 因环 氧 树脂 是热 固性胶 黏材 料 ， 其 固化 条 件 及 自身 的 结 构决定 了环氧树脂抵抗 高温性能较好 ， 但其抵抗低 温 破坏 及 低 温 变 形 的 能 力 需 要 通 过 试 验 来 进 行 验 证 试 验尺 寸 、 固 化 条 件 及 加 载 方 式 与 2 2小 节 相 同 ， 试 验温度 控 制在 ( 一 1 0 0 5 ) 同 常温 抗 折 强 度试验一样 ， 计算出试件在低温条件 下的抗弯拉强 度 及弯 曲极 限 应 变 ， 见 表 6 由表 6可 知 ， 低 温 条 件 下环氧树脂混凝土的抗弯拉强度并未降低 ， 但变形 能力急剧 下降 ， 较 室温极 限应 变值 下降 了 4 0 左 右 ， 但仍 能满 足路 面材 料 的变形要 求口 表 6环氧树脂 混凝土低温抗弯拉试验结果 T a b l e 6 F l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o f e po x y r e s i n c o n c r e t e u n d e r l o w t e mp e r a t u r e ( ( 一1 0 士0 5 ) 2 4 环 氧树 脂混凝 土 与原混 凝 土路面 的黏 结性 能 与原 混 凝 土 结 构 黏 结 质 量 良好 ， 是 保 证 道 路 抢 修 质 量 和 耐久 性 能 的关 键 T J 0 7 3 1 2 O O 1 公 路 水泥混凝 土路面养护技术规范 附录 A 3 3 1 1 规 定 ： 若新老混凝土连接强度好 ， 则新 旧混凝土结 合 处 剪 切 强 度 应 达 到 混 凝 土 整 体 强 度 的 5 5 为 研 究 环 氧 树 脂 混 凝 土 与 原 结 构 的黏 结 性 能 ， 参 考 尹 健 的 测 试 方 法 进 行 了 试 验 将 龄 期 为 6 0 d的 C 3 0混 凝 土立 方 体试 件 ( 1 0 c m1 0 c m1 0 c m) 通 过劈裂抗 拉试 验劈 开 ， 清 理掉 表面松 动 的砂浆及 骨料 ， 将半立方体试 件放入模具 中制成水泥一 环 氧 树 脂 混 凝 土试 件 ， 在 微 波 条 件下 辐 射 1 0 rai n 进 行 固 化 ， 待 试件 温 度 降 为 室 温 后 即对 试 件 进 行 劈 拉 试 验 ， 见 图 2 水泥一 环氧树脂混凝土试件 的劈拉强度值即为 新 老界 面 的黏结 强度 ， 试 验结果 见表 7 表 7 水泥混凝土和环氧树脂混凝土劈拉试验测试结果 Ta b l e 7 Re s u l t s o f s p l i t t i n g t e n s i l e t e s t o f c e me n t c o nc r e t e a n d e p o x y r e s i n c o n c r e t MPa 由表 7可知 ， 水 泥一 环氧 树脂 混凝 土试 件 的劈 拉 强度与原试件的劈拉强度基本相 近 从劈裂破坏位 置 以及 破坏 断 面看 ， 新 的劈 裂 破 坏 面 出 现在 水 泥 混 凝土上而未发生在黏结界面处， 可见微波 固化环氧 树 脂混 凝土 与原 水泥 混凝 土界 面黏结 良好 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m