低掺量水性环氧树脂对高性能混凝土抗冻耐久性的研究.pdf

2 0 1 2年第 1 期 1 月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C E ME NT P RO DUC T S 2 01 2 No 1 J a n u a r y 低掺量水性环氧树脂对高性能混凝土 抗冻耐久性的研究 梁会 忠 ， 韩 飞 ， 钱 慧丽 ， 王伟玲 ( 河北建材职业技术学院 ， 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ) 摘要 ： 用快 冻法研 究了低掺 量水性环 氧树 脂乳液对高性能混凝土抗冻耐久性 的影 响。结果表 明 ， 水性环氧树 脂乳 液的加入 可以显著提 高混凝土的抗冻性 。-3乳液掺量为 5 时， 采用型养护制度养护得到的 高性能混凝 土的 抗 冻效果 最好 ， 在经历 3 0 0次冻融循 环后 ， 相对动 弹性模 量可达 9 4 1 ； 且水性环氧树脂能明显改善新拌 混凝土 的工 作性 ， 易于施工。 关键 词 ： 低掺量 水性环氧树脂 ； 高性能混凝土 ； 抗 冻性 Ab s t r a c t ： T h e i n fl u e n c e s o f l o w v o l u me wa t e r h o me e p o x y r e s i n o n f r e e z i n g r e s i s t a n c e d u r a b i l i t y o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e a r e i n v e s t i g a t e d b y a c c e l e r a t e d f r e e z i n g - t h a w t e s t T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i t i o n o f w a t e r b o r n e e p o x y r e s i n c a n o b v i o u s l y i mp r o v e t h e f r e e z i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e Th e f r e e z i n g r e s i s t a n c e e f f e c t i s o p t i ma l wh e n t h e d o s a g e o f wa - t e o me e p o x y r e s i n i s 5 a n d t h e c u r i n g s y s t e m i s t h e I V c u r i n g s y s t e m T h e r e l a t i v e d y n a mi c mo d u l u s o f e l a s t i c i t y i s a b o u t 9 4 1 b y 3 0 0 t i me s f r e e z i n g - t h a w c y c l e a n d i n a d d i t i o n wa t e r b o r n e e p o x y r e s i n c a n i mp r o v e t h e fl u i d i t y a n d w o r k a b i l i t y of c o n c r e t e o b v i o u s l y ， wh i c h i s e a s y f o r c o n s t r u c t i o n Ke y wo r d s ： L o w v o l u me wa t e r b o r n e e p o x y r e s i n ； Hi g h p e r f m n a n c e c o n c r e t e ； F r e e z i n g r e s i s t a n c e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 2) 0 1 - 0 9 - 0 4 0前 言 混凝 土耐久性是 混凝 土在设计使用 寿命下保 持其所有功能 的能力 。混凝土是最大宗 的建筑材 料 ， 提高混凝土耐久性具有非常重要的理论意义和 经济价值 。在严寒季节 ， 混凝土建筑结构遭受冻融 破坏 ， 每年需花费巨资加以修复口 1 。因此 ， 混凝 土的 冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要 问题之一 ， 严重影 响了建筑物 的长期使用和安全运行 ， 为使这 些工程继续发挥作用和效益 ， 需要很大 的代价来 维 修和重建 ， 这 已成 为混凝 土耐久性 方面的主要问题 之一圆 。 水性环氧树脂是把环 氧树脂 以微粒或液滴 的 形 式分散在 以水为连续相 的分散介质 中配得 的稳 定树脂材料 3 。水性环氧树脂与环氧树脂相 比较， 其 最 大的优点就是可在室温和潮湿或过湿 的环境 中 固化 ， 能 与水泥砂浆 、 混凝土等常用 的水泥基材料 混合使用 ， 并能提 高上述材料 的早期强度 、 韧性 、 抗 冲击性能 ， 增强防水性能。水性环氧树脂在混凝土 中的应用 日益广泛 。抗冻性是评价寒冷地 区混凝 土结构耐久性能的重要指标 。因此 ， 研究掺加水性 环氧树脂混凝土的耐久性具有重要意义。 1 原 材料 与试 验方 法 1 1 原材料 ( 1 ) 水性环氧树脂 ： 上海某公 司生产 的水性环 氧树脂 H 2 1 3 A和水性环氧固化剂 H 2 1 3 B， 使用配比 为质量 比， 水性环氧树脂 H 2 1 3 A： 水性环氧 固化剂 H2 1 3 B = l ： 1 4 ，水 性环 氧 固化 剂组 分 中 固含 量 为 5 0 ， 其余 为水 ； ( 2 ) 水泥 ： 河北某公 司生产 的 4 2 5 级普通硅 酸盐水泥 ； ( 3 ) 细集料 ： 河北正定产河砂 ， 试验测得 为中砂 ； ( 4 ) 粗集料 ： 级配 良好 的碎石 ， 粒 径 5 - 2 0 m m， 产地为河北晋州 ； ( 5 ) 高效减水剂 ： 河北 某公司生产的 T y 一 6 A型聚羧酸高效减水剂 ； ( 6 ) 水 ： 饮 用水 。 1 2 配 合 比 设计 了 6种配合比： 基准的高性能混凝土配合 比，在其基础上保持水灰 比不变掺加 l 、 3 、 5 、 7 、 9 水性环氧树脂乳液 5 1 。掺加水性环氧树脂的 水泥混凝 土的养护方法不 同于普通水泥混凝土， 需 要采用干 、 湿交替的养护方法 ， 湿养护有利于水 泥 的水化作用 ， 干养护则有利于水性环氧树脂乳液的 固化 ，本文综合前期研究确定采用 型养护制度 ： 标准养护 6 d 后 ， 干养护 2 2 d ； 基准高性能混凝土仍 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 9期 采用 I型标准养护制度 。具体配合 比和物理力学性 能见表 1 。 1 3 试验 方法 1 3 1 试件成型与养护 称取石子 、 砂 、 水泥 ， 倒人卧式搅拌机 内， 开 动 搅拌机搅拌均匀 ， 后将搅拌好的乳液 、 称量好 的水 、 减水剂一并倒人搅拌机 内， 再搅拌 1 8 0 s 。混凝土搅 拌结束 后 ， 转动搅拌机使其开 口朝下 ， 然后开动搅 拌机 ， 使拌合物落人混凝土盘 中。再经人工翻拌二 次 ， 使拌合物均匀一致后用做流动性测试试验 。浇 筑 、振动成型 1 5 0 minx 1 5 0 ramx 1 5 0 ra m 的立方体试 件 ，用 于测 定 立方 体 抗 压 强度 ；成 型 l O O m m l O O m mx 4 O O m m的棱柱体试件 ， 测定抗冻性。成型后 的混凝土， 放入温度为( 2 0 5 ) 的环境中， 用不透水 的薄膜覆盖表面养护。2 4 h后 ， 编号拆模 ， 按照设计 的养护制度进行养护。 表 1 混凝土 的配合 比与性能 1 3 2 抗冻性试验 试验过程采用快速冻融法 ，严格按 D L 1 15 1 5 0 水工混凝土试验规程 的规定进行 。每个冻融循坏 历经 2 5 h ； 试件中心温度控制在( 一 1 7 o C 2 ) ( 8 2 ) ， 冷冻液的温度控制在( 一 2 5 一 1 5 ) q c， 由棱柱体 试件 中心的温度探头 和冷冻液 的温度探头通过 控 制柜控制 ； 通过测定一定冻融循环后 的质量和 自振 频率 ，来计算质量损失和相对动弹性模量减少 ， 然 后将试件掉头重新装入试件盒 ， 继续试验 ， 以此来 衡量混凝土的抗 冻融性能 。本试验通过 5 0次冻融 循 环为 一组进 行测 量 。 2结果 与讨论 2 1 乳液掺量对混凝土工作性的影响 从 图 1中看出 ， 掺加乳液 的新拌混凝土与不掺 加乳液的新拌混凝土坍落度相 比较 ， 在不增加用水 量 的情况下 ， 掺加乳液后 ， 新拌混凝 土的坍落度 明 显增大， 即提高了新拌混凝土的流动性 。乳液掺量 为 1 时 ， 坍落度增加值 达 2 9 6 ； 乳液掺量为 9 时， 坍落度增加值达 5 9 2 。 产生此种结果主要是由 于聚合物颗粒产生了“ 滚珠” 效应 ； 同时因聚合物乳 液微粒表面具有极性 ， 其吸附于水泥颗粒表面后使 水 泥颗粒表面也具有 了极性 ，随着乳液掺量 的提 高 ， 它对水泥颗粒的分散性增强 ， 原水泥溶液 中的 絮状颗粒结构被拆散 ， 所包裹 的水份被释放 ， 表现 为水泥胶砂整体流动性增加。另外 ， 加入聚合物乳 液能使新拌混凝土保水率和抗离析能力提高。由此 可见 ， 加入乳液后具有一定的减水作用 ， 新拌乳液 一 1 0一 混凝土有较好 的工作性 ， 易于施工。 乳液掺量 图 1 不 I司乳液掺量下 的混凝土坍落度值 2 2 乳液掺量对混凝土抗冻性的影响 本试验将掺加乳液 的混凝土 和基准混凝土在 相 同环境下进行抗冻性测试 ，试 验结果见表 2所 示 。 计算得到各混凝土试件的相对动弹性模量 ， 如 表 3所示 。 从表 3看 出基准混凝土在经历 2 5 0次冻融循 环后 ， 相对动弹性模量降低 至 6 0 以下 。采用型 养护制度时 ， 掺加水性环氧树脂乳液 的混凝土抗冻 性较好 ， 经历 2 0 0次冻融循环后 ， 相对动弹性模 量 仍在 9 0 以上 ； 经历 3 0 0次冻融循环后 ， 相对动弹 性模量仍在 8 5 以上。 相对动弹性模量反映 的是混凝土 内部微裂缝 的开展情况。从表 3可以看 出， 掺加水性环氧树脂 乳液 的混凝土抗冻性在掺量为 1 和 9 时相对动 弹性模量较低 ， 这是 因为在乳液掺量 1 时 ， 虽然水 印 0 3 2 2 l 1 蜜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梁会忠 ， 韩飞 ， 钱慧丽， 等低掺量水性环氧树脂对高性能混凝土抗冻耐久性的研究 泥石强度较高 ， 但可 以显著提高抗冻性 的水性环氧 树脂胶乳颗粒较少 ； 乳液掺量 9 时 ， 混凝土的抗压 强度较低 ， 随着冻融破坏 的进行 ， 混凝土 内部及表 面出现微 裂纹 ， 形成 了水分通道 ， 更多 的水就能进 入基 体 内部参与冻融破坏 ，加速混凝土 的冻融破 坏 ， 使得抗冻性较低 。在乳液掺量 5 时 ， 相对动弹 性模量出现较大峰值 。从动弹模损失来看 ， 掺加水 性 环氧树脂乳液 的混凝土 的动弹模损失远小于基 准混凝土的。 2 3 水泥净浆 X R D衍射试验分析 为研究混凝土中水泥的水化组成及结构 ， 对编 号 1混凝土 的水泥净浆和编号 4掺加水性环 氧树 脂混凝土 的水泥净浆进行 X R D衍射试验 。衍射分 析图谱如图 2和图 3 。 嘿 靛 从 XR D衍射分析结果看 ，两者 的水化产物无 明显区别 。但两者水化产物的峰值出现较大变化 ， 最 明显的是氢氧化钙 ( 特征角度为 1 8 1 0 2 ， d值 为 4 8 9 6 4处) ，编号 l试 件 的氢氧 化钙 衍射 峰值 为 4 0 0 2 ， 硅 酸三钙( 特征角度 为 2 9 5 0 1 ， d值 为 3 0 2 5 4 处)的衍 射峰值 为 2 2 8 6 ，硅酸二 钙 ( 特征 角度为 3 4 1 6 1 ， d值为 2 6 2 2 5处) 的衍射 峰值 为 2 3 9 3 ， 编号 4试件 的氢氧化钙衍射峰值 只有 2 0 9 6 ， 硅酸三钙的 衍射峰值为 2 3 9 4 ， 硅酸二钙的衍射峰值为 1 8 1 0 。 水泥水化产物 的基本结构形态为结晶相和 凝 胶相。 C ， S和 C 2 S 水化产生 C S H凝胶体的同时， 也 生成 C a( O H ) ： 晶体 ，但 C ， S比 C 2 S产生的 C a ( O H ) ： 多。 铁铝酸钙的水化反应及其产物与 C A极为相似。 氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作用 ， 也就是在 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 2 o 。 图 2 编号 1 混凝土水泥净浆衍射 图谱 O O O O O O O 如 0 4 3 3 2 2 1 1 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 9期 3 o 0 0 2 5 o o 娶 2 0 0 0 嘟 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 O 6 O 7 0 8 0 9 O 2 0 。 图 3 编号 4混凝 土水 泥净浆衍射 图谱 水化产物中铁置换部分铝 ， 形成水化硫铝酸钙和水 化硫铁酸钙的固溶体 ， 或者水化铝酸钙和水化铁酸 钙的固溶体6 1 。 从力学性能看 ， 凝胶相 比结 晶相的韧性更大 。 从 X R D衍射分析结果看到 ，掺加水性环氧树脂混 凝土的水泥净浆的凝胶相更多 ， 而基准混凝 土的水 泥净浆 的结 晶相较多 ， 在水泥净浆中掺加水性环氧 树脂阻碍 了结 晶相的生成 ， 规则 的 C a ( O H ) ： 晶体减 少 ， 生成了更 多的凝胶相 ， 使 水泥石硬化体 以凝胶 相结构为主嗍 ， 从而使掺加 改性乳液 的水泥净浆的 抗冻性得以提高。 3结 论 ( 1 ) 在相 同配合 比条件下 ， 随着水性 环氧树脂 乳液掺量的不断增大 ， 混凝土拌合物的坍落度值呈 递增趋势 ， 可 明显改善新拌混凝土的工作性 ， 易于 施工 。 ( 2 ) 采用快速冻融试验 ， 探讨 了掺加 水性环氧 树脂乳液对高性能混凝土抗冻性的影 响。掺加水性 环氧树脂 ， 并采用干湿交替的养护方式能显著提高 韧性混凝土的抗冻融破坏能力 ， 从而提高混凝土的 抗冻耐久性。当改性乳液掺量为 5 时， 采用型养 护 制度养 护得 到 的混 凝 土的抗 冻效果 最好 。 ( 3 ) 在水泥净浆 中掺加改性乳液阻碍了结晶相 的生成 ， 规则的 C a ( O H ) ： 晶体减少， 生成了更多的凝 胶相 ， 使水泥石硬化体 以凝胶相结构为主。通过提 高水化产物 C S H凝胶相的含量 、 对水化产物进行 基质塑化设计以及掺入聚合 物胶乳来阻碍 内部裂 缝扩展 ； 固化后的水性环氧树脂胶乳颗粒在混凝土 中 占有一定 的空 问，阻碍水 分进入混凝土 中的通 道 ， 使混凝土内可结 冰水量减少 ， 胶乳颗粒 的存在 一 1 2一 使混凝土系统的滑动阻力变小 ， 混凝土填 充用水量 减少 ， 有利于减少硬化混凝土孑 L 隙并改善混凝土的 毛细孔 ， 进而延缓混凝 土试件 的冻融破坏 ， 提高高 性能 混凝 土的抗 冻性 。 参考文献： 1 】 霍亚坤 混凝 土抗冻性 能研究 J 黑龙 江科技信息， 2 0 0 9 ( 2 1 ) ：2 6 3 2 吴 中伟 ， 廉 惠珍 高性能混凝 土 M】 北京： 中 国铁 道出版 社 ， 1 9 9 9 3 F G a l l i a n o ， D L a n d o h E v a l u a t i o n o f c o r r o s i o n p r o t e c t i o n p r o p e r t i e s o f a d d i t i v e s f o r w a t e r b o r n e e p o x y c o a t i n g s o n s t e e l J P r o g r e s s i n O r g a n i c C o a t i n g s ， 2 0 0 2 ( 4 4 ) ： 2 1 7 2 2 3 4 戴剑锋 ， 刘晓红 ， 龚俊 ， 等 聚合物水泥混凝土的制备【 J 】 甘 肃工业大学学报，2 0 0 1 ， 2 7 ( 2 ) ： 8 5 8 8 5 】 杨华全 ， 李文伟 水工混凝土研究与应用 M 北京 ： 中国水 利水电出版社， 2 0 0 5 【 6 】肖力光新型环氧树脂乳液改性水泥砂浆 性能 的研究【 J 混凝土， 2 0 0 6( 1 ) ： 4 6 4 9 7 余红发 ， 孙伟 ， 鄢 良慧 ， 等 在盐 湖环境 中高强与高性能混 凝土的抗冻性 J 硅酸盐学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 7 ) ： 8 4 2 - 8 4 8 8 蒲心诚 超高强高性 能混凝土 M 】 重庆： 重庆大学 出版社 ， 2 0 0 4 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 - 0 8 作者简介 ： 梁会 忠( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 硕 士。 通讯地址 ： 秦皇岛市海港 区文育路 8号 联系电话 ： 1 3 2 7 3 3 9 3 1 7 8 E ma i1 ： 2 9 7 3 0 2 0 6 8q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m