混凝土修补用环氧树脂的抗冻融性能研究.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 1 1 年7 月 非金 属矿 N on M e t a l 1 i c M i n es V_01 34 No4 J ul y，2011 混凝土修补用环氧树脂的抗冻融I生 能研究 叶姣凤 ， 冯利邦 ， 张粉芹 王彦平 张红霞。 ( 1 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地 下工程重点实验室 ，兰州7 3 0 0 7 0 ；2 兰州交通大学 机 电工程学院，兰州7 3 0 0 7 0 ) 摘要以环氧树脂为主剂、 以改性脂肪胺为固 化剂， 通过丁腈橡胶增韧和硅灰石增强改性， 制备得到一种高性能混凝土修补材料， 并对其 抗冻融性能进行 了深入研 究。结果表 明， 当增韧剂和填料 添加量保持 不变时， 随着冻融循环 次数的增加 ， 修补材料的抗 压强度显著增 大。 当增韧剂 和填料用量分别低于2 0 p h r 和 1 0 0 p h r 时， 修补材料的抗压强度随着增韧剂用量的增加而减少， 随着填料用量的增加而增大， 但修补材料的质量基 本保持恒定。同时， 修补材料的拉伸剪切强度随着增韧剂和填料用量的增加而增大。由此说明该修补材料在增韧剂和填料用量分别低于2 0 p h r 和 l O O p h r 时具有良好的抗冻融l陛能。 关键词环氧树脂修补材料抗冻融增韧剂填料硅灰石 中图分类号： T U5 7 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 3 8 - 0 3 S t ud y o n Fr e e z e t h a w Re s i s t a nc e o f Ep o x y Re s i n f o r Co n c r e t e Re p a i r i n g Ye J i a o f e n g F e n g Li b a n g Z h a n g F e n q i n Wa n g Ya n p i n g Zh a n g Hon g xi a ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f Ro a d B r i d g e a n d Un d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g o f Ga n s u P r o v i n c e ， L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y , L a n z h o u 7 3 0 0 7 0 ； 2 S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e ri n g ， L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y , L a n z h o u 7 3 0 0 7 0 ) Ab s t r a c t A hi g h pe r f or ma n c e r e p a i r ma t e r i a l s f o r c o nc r e t e wa s p r e pa r e d u s i ng e p o x y r e s i n a s a b a s e r e s i n ，mo d i fie d f a t t y a mi n e a s a c u r i n g a g e n t ， a n d t o u g h e n e d and r e i n f o r c e d wi t h n i t r i l e b u t a d i e n e r u b b e r ( NB R) a n d wo l l a s t o n i t e ， r e s p e c t i v e l y An d t h e n t h e fr e e z e t h a w r e s i s t a n c e o f t h e r e p a i r ma t e r i a l s wa s i n ve s t i g a t e d Re s u l t s s h o we d t h a t t he c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e r e p a i r ma t e r i a l s i n c r e a s e d ma r k e d l y wi t h t h e i n c r e a s e o f fre e z e - t h a w c y c l e s wh e n c o n t e n o f t h e t o u g h e n i n g a g e n t a n d fil l e r r e ma i n c o n s t a n t Th e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h d e c r e a s e d a n d i n c r e a s e d ， wi t h t h e i n c r e a s e o f c o n t e n t s o f t h e t o u ghe n i n g a g e n t a n d fi l l e r r e s p e c t i v e l y , T h e we i ght o f t h e r e p a i r ma t e r i a l s k e e p s c o n s t a n t wh e n c o n t e n t s o f t h e t o u g h e n i n g a g e n t a n d fi l l e r we r e b e l o w 2 0 p h r an d 1 0 0 p h r , r e s p e c t i v e l y M e a n wh i l e ， t h e t e ns i l e s h e a r s tre ng t h o f t h e r e p a i r ma t e r i a l s i n c r e a s e d wi t h t he i n c r e a s e o f c o n t e n t s o f t h e t o u g he n i ng a g e n t a n d fil l e r Al l t h e s e r e s ul t s i n d i c a t e d t h a t t h e r e pa i r ma t e r i a l s h a d o u t s t a n d i n g fre e z e t h a w r e s i s t a n c e wh e n c o n t e n t s o f t h e t o u ghe n i n g a g e n t and fi l l e r w e r e b e l o w 2 0 p h r a n d 1 0 0 p h r , r e s p e c t i v e l y Ke y wor d s e p o x y r e s i n r e p a ir ma t e ria l s fre e z e t h a w r e s i s t an c e t o u g h e ni n g a g e n t fil l e r wo l l a s t o n i t e 在高寒地 区， 受大温差、 千湿变化、 冻融循环、 盐 碱腐蚀、 风蚀等多种自然因素的影响， 混凝土工程极 易产生剥蚀、 裂缝等病害 1-3 o病害一旦出现， 就需要 及时调查分析 ， 找出其产生的原因并采用合适的材料 及技术加以修补， 以确保混凝土结构的耐久性。近年 来， 高分子合金已经成为混凝土裂缝修补领域不可或 缺的一类重要修补材料 】 。但此类修补材料在经历 冻融循环后， 有关增韧剂和填料等对其特性影响规律 的研究还鲜见报道， 使高分子修补材料在寒旱地区工 程中的应用缺乏相关的试验数据和理论依据。本实 验选用E 4 4 环氧树脂为主剂、 以改性脂肪胺为固化 剂， 通过丁腈橡胶增韧和硅灰石增强， 制备得到一种 高性能混凝土修补材料 ， 并利 用室内冻融循环试验， 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 5 2 6 基 金 项 目： 甘 肃 省 道 路 桥 梁 与 地 下 工 程 重 点 实 验 室开 放 基 金 ( K f j j 一 1 0 O 5 ) ； 甘肃省建设厅科技计划( J K 2 0 0 9 一 l 8 ) ； 兰9 。1,1 交通大学“ 青 蓝” 人 才工程基金 资助计划 ( QL 0 8 0 3 A) 资助。 通讯联 系人 ： E - ma i l ： f e n g l b ma i l 1 z j t u c n 。 38 考察了在冻融循环作用下增韧剂和填料用量对该修 补材料特性的影响规律， 旨在为修补材料的进一步优 化设计和寒旱地区的应用提供理论依据与参考。 1 实验部分 1 1 实验原料 E 4 4环氧树脂、 5 0 1 活性稀释剂 ， 工 业品， 无锡树脂厂； 固化剂改性脂肪胺， 自制 ； 丁腈橡 胶 ( N B R) ， 工业 品， 兰州化 工研究 中心； 填料硅灰石 ( ws ) ， 工业 品， 市售。 1 2 修补材料试样的制备在室温条件下 ， 先将 1 0 0 重量份 ( 即 1 0 0 p h r ， 下同)的环氧树脂、 5 p h r 的活性稀 释剂与0 - -2 0 0 p h r 的填料硅灰石搅拌混合均匀， 加入 2 0 p h r 的改性脂肪胺和 0 3 0 p h r的丁腈橡胶， 混合均 匀后倒入模具， 制备抗冻融性能测试试样， 或直接粘 接钢板制备拉伸剪切试样。试样于室温下养护 1 周 后进行测试。 1 3 性 能 分 析 与 测 试 抗 压 强 度 参 照 GB T 2 5 6 7 2 0 0 8 ， 用济南试验机厂 Y E - 3 0液压试验机进行 测试； 拉伸剪切强度参照 G B T 7 1 2 4 2 0 0 8 ， 用 日本 叶姣凤 ， 冯if , 邦， 张粉芹， 等 混凝土修补用环氧树脂的抗冻融性能研究 岛津 A G 一 1 0 k N万能试验机进行测定， 加载速度为 5 m m m i n 。抗冻融实验是将修补材料试样置于塑料 瓶中， 加水后于 一 2 0 C 下冷冻， 1 2 h 后取出， 于 5 0 下 融化 4 h后将水倒掉 ， 再于 5 0 C下烘 6 h后 ， 再进行下 一 次冷冻。重复上述实验操作， 分别经过 1 O 、 2 O 和 3 0次冻融循环后， 测试其抗压强度和质量增加率， 借 此衡量修补材料 的抗冻融性能。 2 结果与讨论 2 1 冻融对修补材料抗压强度的影响修补材料试 样经过冻融后， 其强度会发生变化， 本实验考察了增 韧剂和填料用量变化时冻融循环作用对修补材料抗 压强度的影响效果。 2 1 1 增韧剂用量的影响： 丁腈橡胶用量对修补材料 抗压强度的影响， 见图 1 。由图 1 可以看出， 增韧剂丁 腈橡胶的用量对修补材料的抗压强度有显著影响， 冻 融循环次数相同时， 试样的抗压强度随着增韧剂用量 的增加而减小， 而当增韧剂用量恒定时， 试样的抗压 强度随着冻融循环次数的增加而增大。这是 因为 丁 腈橡胶的加入增加了环氧树脂固化物的韧性和柔性， 从而使固化物的抗压强度降低。而在冻融循环过程 中， 受温度等因素的作用， 系统中的活性官能团继续 发生反应， 使环氧树脂的交联度进一步提高， 因此材 料的抗压强度随着冻融次数的增加而逐渐增大。 1 凸- 堇 皤 l I NB R ff 量p h r 图l 丁腈橡胶用量对修补材料抗压强度的影响 2 1 2 填料用量的影响： 硅灰石用量对抗压强度的影 响， 见图2 。从图2 可见， 填料硅灰石的用量对修补材 料的抗压强度也有较大的影响， 当冻融循环次数相同 时， 试样的抗压强度随着填料用量的增加而增大； 而 当填料用量一定时， 试样的抗压强度随着冻融循环次 数的增加而增大。因为在环氧树脂固化过程中， 填料 限制了基体材料的活动空间， 减少了修补材料的收缩 硅 灰 石 用量 p h r 图2 硅灰石用量对抗压强度的影响 3 9 率， 并使胶层的缺陷减少， 极大地保证了胶接层的质 量， 从而提高了粘接强度和抗压强度； 而试样经过冻 融循环后， 其固化程度逐渐增加， 因而强度得到提高。 2 2 冻融对修补材料耐水性能的影响修补材料试 样经过冻融后， 其耐水性能也会发生变化， 本实验通 过改变增韧剂和填料的用量， 对冻融循环过程中修补 材料的质量变化进行了考察， 由此可衡量材料在冻融 作用下的耐水性能。 2 2 1 增韧剂用量的影响： 丁腈橡胶用量对修补材料 质量增加率的影响， 见图 3 。从图 3可以看出， 增韧剂 丁腈橡胶的用量对修补材料的耐水性能有较大的影 响， 当增韧剂用量低于 1 0 p h r 时， 在冻融过程中试样 的质量基本保持恒定， 而当增韧剂的用量高于 1 0 p h r 时， 修补材料的质量随着增韧剂用量和冻融循环次数 的增加而增大。由此表明， 在增韧剂添加量较低时， 该修补材料在冻融循环过程中具有较好的耐7 g , l。 NB R 用 量 p h r 图3 丁腈橡胶 用量对修补材料质量增加率的影响 2 2 _2 填料用量的影响： 硅灰石用量对修补材料质量 增加率 的影 响， 见 图 4 。由图 4可见 ， 填料硅灰石对 试样质量增加率的影响表现出两种趋势： 一方面， 当 冻融循环次数一定时， 随着填料用量的增加， 试样的 质量增加率先稍微增大而后减小； 另一方面， 当填料 用量一定时， 试样的质量增加率随着冻融循环次数的 增加而略有增大。表明填料用量增加时， 胶层变得更 加紧密而缺陷减少， 在冻融过程中水分子不易侵入胶 层， 修补材料的质量基本保持恒定， 从而使修补材料 保持了较好的耐水性 。 硅灰 石 用 量p h r 图4 硅灰石用量对修补材料质量增加率的影响 2 - 3 修补材料的拉伸剪切强度为了综合确定增韧 剂和填料的适宜用量， 本实验同时考察了增韧剂和填 料用量对修补材料拉伸剪切强度的影响。 2 3 1 增韧剂用量的影响： 丁腈橡胶用量对修补材料 第3 4 卷第4 期 非金属 矿 2 O l 1 年7 月 拉伸剪切强度的影响， 见图5 。由图5 可见， 增韧剂丁 腈橡胶的用量对修补材料的拉伸剪切强度有一定的 影响 ， 增韧剂 用量从 0 增 加到 2 0 p h r 时， 试样 的拉伸 剪切强度逐渐增大， 但增幅不大 ； 当增韧剂用量超过 2 0 p h r 时， 拉伸剪切强度开始降低， 这是因为增韧剂用 量适当且橡胶状粒子均匀分布时， 它能够增加固化物 的韧性和粘接强度， 而当其添加量太大时， 橡胶状粒 子发生团聚而出现粘结薄弱点， 从而使拉伸剪切强度 减小 嘲。 h 0 1 0 2 0 3 0 NB R 用 量p h r 图5 丁腈橡胶用量对修补材料拉伸剪切强度的影响 2 3 2 填料用量的影响： 硅灰石用量对修补材料拉伸 剪切强度的影响， 见 图 6 。由图 6可知， 填料硅灰石 用量对修补材料的拉伸剪切强度有较大影响， 随着填 料用量的增加， 试样的拉伸剪切强度先明显升高， 随 后又显著下降。这是因为在环氧树脂 固化过程 中， 增 加填料用量可以减少材料的收缩率 ， 使胶层的缺陷减 1 O 8 訾e 奏z 0 0 1 0 O 2 0 0 硅 灰 石用 量 p h r 图6 硅灰石用量对修补材料拉伸剪切强度的影响 少， 从而提高粘接强度； 而填料用量过多则会使修补 材料变稠 ， 同时胶结组分减少， 从而导致胶接强度降 低 。 3 结论 当增韧剂丁腈橡胶和填料硅灰石用量分别低于 2 0 p h r 和 O O p h r 时， 混凝土修补材料具有较高的抗 压强度、 拉伸剪切强度和良好的耐水性； 随着冻融循 环次数的增加 ， 修补材料的抗压强度逐渐增大而耐水 性能基本不变， 由此表 明， 增韧剂和填料量分别低于 2 0 p h r 和 1 0 0 p h r 时， 该修补材料具有良好的抗冻融性 能。这一研究结果为修补材料在寒旱地 区工程中的 应用提供了试验参考和理论依据。 参考文献 ： 1 】 熊治文， 廖小平， 徐兵魁， 等 青藏铁路 多 年冻土边坡与斜坡路基研 究综述 叨 铁道 学报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 4 ) ： 1 0 2 1 0 7 2 E r ik S ， V m c e n t C J ， U l f I Re s i l i e n t p rop e r ti e s o f u n b o u n d r o a d ma t e r i a l s d u r i n g s e a s o n a l f r o s t c o n d i ti o n s J o u ma l o f Co l d Re g i o ns E n g i ne e r i n g ， 2 0 0 2 ， 1 6 ( 1 ) ： 2 8 5 0 3 邓安， 于永 堂 冻融循环对轻质填料抗压强度 的影响 J 建筑材料 学报， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 4 ) ： 4 4 8 - 4 5 2 4 Z u b e l dia A， L a r r a n g eM， R e mi r o e t a 1 F r a c t u r e t o u g h e n in g o f e p o x y r e s i n s o f diff e r e n t mo l e c u l a r ma t r i c e sw i t h b l e n d s o f w e i ght s a n d o the r mo d i fie r s J o u m_ a l o f P o l y mer S c i e n c e ： P a r t B P o l y m e r P h y s i c s ， 2 0 0 4 ， 4 2 ( 2 1 ) ： 3 9 2 0 3 9 3 3 【 5 】 H u a n gE L i uYQ ， Z h angXH， e t a1 I n t e r f a c eand p r o p e r t i e s o f e p o x y r e s i n mo d i fi e d b y e l a s tome r i c n a n o - p a r t ic l e s J S c i e n c e i n C h i n a S e ri e s B ： Ch e mi s t r y , 2 0 0 5 ， 4 8 ( 2 ) ： 1 4 8 1 5 2 6 R u s s e l l B ， Ch a r t o ffR T h e i n fl u e n c e o f c u r e c o n dit i o ns o n t h e mo r p h o l o g Y an d p h a s e d i s t r i b u t i o ni n a r u b b e r - mo d i fi e d e p ox y r e s i n u s ing s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y a n d a t o mi c f o r c e mi c r o s c o p y J l P o l ym e r , 2 0 0 5 ， 4 6 ( 3 ) ： 7 8 5 7 9 8 吣 ( 上接第 3 7页) 6 Ab r i l ， J M， Ga r c i a - T e n o r io Ma n j 6 n G E x t e n s iv e r a d i o a c t i v e c h a r a c t e r i z a fi o no f ap h o s p h o g y p s u m s ta c kin S W S p a i n ： 2 2 6 Ra ， 2 3 8 U， 2 1 0 P o c o n c e n l r a t i o ns a n d 2 2 2 Rn e x h a l a ti o n r a t e J o u mal o fHa z a r d o us M a t e r i al s ， 2 0 0 9 ， 1 6 4 ( 2 3 ) ： 7 9 0 7 9 7 7 】 M sAI Hwa i t i ， JFR a n v i l l e ， PER o s s Bio a v a i l a b i l i t yandmo b i l i t y o f t r a c e me t a l s in p h o s p h o g y p s u m f r o m Aq a b a a n d E s h i d iy a ， J o r d an J C h e mi e d erE r d e Ge o c h e mi s t r y , 2 0 1 0 ， 7 0 ( 3 ) ： 2 8 3 2 9 1 8 L nis F 0 S i l v a ， J a me s C H o wer , Ma r i a I z q u i e r d o Co mp l e x n a n o mi n e r - alsan du l Wa fi n ep a r ti c l e s a s s e mb l a g e s in p h o s p h o g y p s u m o ft h ef e r t i l i z er i n d u s t r y a nd i mp l i c a t i o n s o n h u ma n e x p o s u r e S c i e n c e o fthe T 0 t a 1 E n v ir o n me n t ， 2 0 1 0 ， 4 0 8 ( 2 1 ) ： 5 1 1 7 5 1 2 2 9 杜 昌文 ， 周健 民 控释 肥料的研制及其进展 J 土壤 ， 2 0 0 2 ， 3 4 ( 3 ) ： 1 2 7 1 3 3 1 0 Y i s h e n g Z h a n g ， S h e n g i L u a n ， L i a o l i a o C h e n ， e t a 1 E s ti ma t i n g t h e v o l a - 4 0 ti l i z a t i o nof a mmo n i af r o m s y n the ti cn i tro g en o us f e r t i l ize r s us ed m Chin a J J o u ma l o f E n v i r o n ment a l Ma n a g e me n t , 2 0 1 0 ， 9 2 ( 3 ) ： 4 8 0 -49 3 1 1 GB T 2 3 3 4 8 2 0 0 9 ， 缓释肥料 S 】 1 2 李 家康 我 国发展 缓 控 释肥料 的意 义 明中国农 资， 2 0 0 6( 3 ) ： 8 1 _ 8 2 1 3 谷夺魁， 刘树庆， 宁国辉 缓控释肥料研究进展及其环境安全研究 J 河北农业科学， 2 0 04， 8 ( 4 ) ： 1 0 0 1 0 4 1 4 】 张树清 我国缓 控释肥料现状与存在问题分析 中国农业信 息， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 3 2 3 6 1 5 】 GB T2 4 4 1 1 2 0 0 1 ， 尿素测定方法 总氮含量的测定 S 1 6 许春风， 邓跃全 ， 董发勤 ， 等 ， 磷石膏 固相球磨制备尿素石 膏的研 究 非金 属矿 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 1 ) ： 2 1 2 5 1 7 许春风， 邓跃全， 董发勤， 等 磷石膏固相球磨制备硫酸铵的研究 J 非金属矿 ， 2 0 1 0 ， 3 3 ( 3 ) ： 6 2 6 5