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微波固化環(huán)氧樹脂混凝土路面搶修材料的力學(xué)性能分析論文
摘要：研究了環(huán)氧樹脂混凝土試件在自制微波輻射裝置下的固化時(shí)間，發(fā)現(xiàn)其在該條件下10min即可實(shí)現(xiàn)基本固化，并達(dá)到較高強(qiáng)度；進(jìn)一步研究了微波固化環(huán)氧樹脂混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：該混凝土抗壓強(qiáng)度近50MPa,抗折強(qiáng)度可達(dá)10MPa以上，且與原結(jié)構(gòu)黏結(jié)強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的低溫性能。研究用微波固化環(huán)氧樹脂混凝土具有高強(qiáng)、快硬、施工方便及固化易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于路面搶修搶建工程。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂混凝土；微波固化；力學(xué)性能；路面搶修
目前，國內(nèi)外路面搶修材料主要為硅酸鹽水泥類混凝土，其中水泥包括土聚水泥、磷酸鹽膠凝材料和快硬鋁酸鹽水泥。土聚水泥是Davidovits在深入研究古建筑材料的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種堿激活膠凝材料，具有早強(qiáng)快硬等優(yōu)良性能，目前已應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、港口、碼頭和道路橋梁等軍事工程的搶修搶建中，也能在防災(zāi)減災(zāi)等臨時(shí)工程中發(fā)揮重要作用。
磷酸鹽膠凝材料是新型氣硬性膠凝材料的一種，Sugama等研究了磷酸銨鎂水泥的水化產(chǎn)物及水化機(jī)理等，并實(shí)現(xiàn)了能用于實(shí)際工程的磷酸銨鎂水泥的生產(chǎn)。
因磷酸鹽膠凝材料具有早強(qiáng)、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)等優(yōu)良性能，發(fā)達(dá)國家及地區(qū)的學(xué)者都曾致力于或正在對(duì)磷酸鹽類膠凝材料的水化機(jī)理及應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行研究。
近年來，國內(nèi)對(duì)磷酸鎂水泥用于搶修材料的研究越來越多，如丁鑄等對(duì)新型磷酸鎂水泥的制備和性能進(jìn)行了更加深入的研究，并以MgO含量較低的鎂砂和粉煤灰為主要原料成功制備出凝結(jié)快、早期強(qiáng)度高的磷硅酸鹽水泥。快硬鋁酸鹽水泥是以鋁質(zhì)原料、石灰質(zhì)原料和石膏，經(jīng)適量配合后煅燒成含有無水硫酸鈣的熟料，再摻入適量石膏共同磨細(xì)而制成，是我國具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水泥品種，它具有早期強(qiáng)度發(fā)展快、強(qiáng)度高、長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有抗硫酸鹽侵蝕和抗凍融循環(huán)能力，一般在冬季施工，在水工工程及修補(bǔ)工程等特殊工程中應(yīng)用較多。
國內(nèi)外在上述搶修材料方面均取得了很多成果，搶修材料以其快硬高強(qiáng)、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于軍事工程搶修搶建和災(zāi)后快速修復(fù)中。但目前的搶修材料仍存在一些缺陷，如反應(yīng)時(shí)間可調(diào)而不可控且不能中斷施工，操作時(shí)間較短，施工質(zhì)量無法得到保證，另外膠凝材料多為單組分熟料，不易保存。
鑒于此，本文制備了一種綜合性能優(yōu)良的環(huán)氧樹脂混凝土快速修補(bǔ)材料，其前期操作時(shí)間長(zhǎng)，易于控制，而后期可通過微波方式實(shí)現(xiàn)快速固化，本研究為搶修材料的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。環(huán)氧樹脂混凝土混合料試件制備原材料環(huán)氧樹脂：雙酚A型E51（中昊晨光化工研究院）；固化劑：聚酰胺V125（德國科寧V-125）；稀釋劑：環(huán)氧丙烷丁基醚（深圳恒豐化工有限公司）。儀器及設(shè)備自制微波輻射裝置示意圖如圖1所示。該裝置主要包括防護(hù)罩、主機(jī)箱、4個(gè)微波喇叭輻射口以及4個(gè)450W磁控管。每個(gè)輻射口的輻射尺寸為50cm×50cm,磁控管距輻射口平面的直線距離為30cm.
樣品制備按表1級(jí)配稱取混合料，將其加入拌和鍋中攪拌3min,然后按材料配比將環(huán)氧樹脂、固化劑和稀釋劑混合均勻后加入到拌和鍋中，繼續(xù)攪拌3min,取其適量分別放入10cm×10cm×10cm抗壓以及10cm×10cm×40cm抗折ABS塑料模具中，搗實(shí)刮平后分別在室溫、加熱及微波發(fā)射裝置中固化成型。
微波固化環(huán)氧樹脂混凝土性能試驗(yàn)。不同固化條件下環(huán)氧樹脂混凝土抗壓強(qiáng)度成型5組立方體抗壓試件，每組3個(gè)，放置于微波喇叭口下，采用微波功率為3×450W,輻照不同時(shí)間后測(cè)試每組試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。成型5組立方體抗壓試件，每組3個(gè)，分別在室溫（恒定溫度為（25±0.5）℃）和電子烘箱加熱條件下（溫度設(shè)定為100℃）進(jìn)行固化，經(jīng)過不同固化時(shí)間后測(cè)試每組試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3,4所示。
由表3,4可見，常溫下環(huán)氧樹脂混凝土初凝時(shí)間在4h以上，具有較長(zhǎng)的操作時(shí)間，當(dāng)環(huán)氧樹脂混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)40MPa時(shí)，采用常溫固化方式需4d,采用100℃熱固化方式需1.5~2.0h,而采用微波固化方式僅需10min.
由此可見，微波固化方式可以很大程度地提高環(huán)氧樹脂混凝土的固化速率。對(duì)于普通道路水泥混凝土路面，其抗壓強(qiáng)度要求大于25MPa,而對(duì)變形能力并無具體要求。
試驗(yàn)結(jié)果表明微波固化環(huán)氧樹脂混凝土能在很短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速固化，且固化物強(qiáng)度滿足路面材料抗壓強(qiáng)度要求。環(huán)氧樹脂混凝土室溫抗彎拉強(qiáng)度抗彎拉強(qiáng)度是路用材料最重要的性能指標(biāo)。試驗(yàn)中在試件的下邊緣兩側(cè)對(duì)稱布置電子引伸計(jì)，用來連續(xù)測(cè)量試件的彎拉應(yīng)變，電子引伸計(jì)記錄的應(yīng)變突變值即為試件的彎曲極限應(yīng)變，結(jié)果取3次試驗(yàn)的平均值。
試驗(yàn)結(jié)果見表5.由表5可知，環(huán)氧樹脂混凝土的抗彎拉性能優(yōu)于普通混凝土，能滿足路用材料對(duì)抗彎拉強(qiáng)度的需求。環(huán)氧樹脂混凝土低溫抗彎拉強(qiáng)度高低溫性能是路面材料的重要使用性能。因環(huán)氧樹脂是熱固性膠黏材料，其固化條件及自身的結(jié)構(gòu)決定了環(huán)氧樹脂抵抗高溫性能較好，但其抵抗低溫破壞及低溫變形的能力需要通過試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。
試驗(yàn)尺寸、固化條件及加載方式與2.2小節(jié)相同，試驗(yàn)溫度控制在（-10±0.5）℃。同常溫抗折強(qiáng)度試驗(yàn)一樣，計(jì)算出試件在低溫條件下的抗彎拉強(qiáng)度及彎曲極限應(yīng)變，見表6.
由表6可知，低溫條件下環(huán)氧樹脂混凝土的抗彎拉強(qiáng)度并未降低，但變形能力急劇下降，較室溫極限應(yīng)變值下降了40%左右，但仍能滿足路面材料的變形要求。環(huán)氧樹脂混凝土與原混凝土路面的黏結(jié)性能與原混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)質(zhì)量良好，是保證道路搶修質(zhì)量和耐久性能的關(guān)鍵。TJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》附錄A3.3.1規(guī)定：若新老混凝土連接強(qiáng)度好，則新舊混凝土結(jié)合處剪切強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到混凝土整體強(qiáng)度的55%.為研究環(huán)氧樹脂混凝土與原結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能，參考尹健的測(cè)試方法進(jìn)行了試驗(yàn)。
將齡期為60d的C30混凝土立方體試件（10cm×10cm×10cm）通過劈裂抗拉試驗(yàn)劈開，清理掉表面松動(dòng)的砂漿及骨料，將半立方體試件放入模具中制成水泥-環(huán)氧樹脂混凝土試件，在微波條件下輻射10min進(jìn)行固化，待試件溫度降為室溫后即對(duì)試件進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，見圖2.
水泥-環(huán)氧樹脂混凝土試件的劈拉強(qiáng)度值即為新老界面的黏結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表7.由表7可知，水泥-環(huán)氧樹脂混凝土試件的劈拉強(qiáng)度與原試件的劈拉強(qiáng)度基本相近。從劈裂破壞位置以及破壞斷面看，新的劈裂破壞面出現(xiàn)在水泥混凝土上而未發(fā)生在黏結(jié)界面處，可見微波固化環(huán)氧樹脂混凝土與原水泥混凝土界面黏結(jié)良好。
結(jié)論
�。�1）采用E51和V125制備的環(huán)氧樹脂混凝土常溫下初凝時(shí)間約為4h,具有較長(zhǎng)的施工操作時(shí)間；在微波條件下10min就可快速固化，其抗拉強(qiáng)度達(dá)10MPa以上，抗壓強(qiáng)度近50MPa.
�。�2）室溫彎拉和低溫彎拉試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)氧樹脂混凝土有較高的抗彎拉強(qiáng)度，低溫時(shí)環(huán)氧樹脂混凝土的抗彎拉強(qiáng)度未降低，變形能力卻急劇下降，其較室溫極限應(yīng)變值下降了40%左右。
�。�3）對(duì)水泥-環(huán)氧樹脂混凝土立方體試件進(jìn)行新老混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)，其劈拉強(qiáng)度與原試件基本相近且破壞面未出現(xiàn)在界面處，表明微波固化環(huán)氧樹脂混凝土與原水泥混凝土截面黏結(jié)良好。
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