微波固化環氧樹脂混凝土路面搶修材料的力學性能分析論文
摘要：研究了環氧樹脂混凝土試件在自制微波輻射裝置下的固化時間，發現其在該條件下10min即可實現基本固化，并達到較高強度；進一步研究了微波固化環氧樹脂混凝土的力學性能，結果表明：該混凝土抗壓強度近50MPa,抗折強度可達10MPa以上，且與原結構黏結強度高，同時具有良好的低溫性能。研究用微波固化環氧樹脂混凝土具有高強、快硬、施工方便及固化易于控制等優點，可應用于路面搶修搶建工程。
關鍵詞：環氧樹脂混凝土；微波固化；力學性能；路面搶修
目前，國內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上開發出的一種堿激活膠凝材料，具有早強快硬等優良性能，目前已應用于機場、港口、碼頭和道路橋梁等軍事工程的搶修搶建中，也能在防災減災等臨時工程中發揮重要作用。
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物及水化機理等，并實現了能用于實際工程的磷酸銨鎂水泥的生產。
因磷酸鹽膠凝材料具有早強、凝結時間可調等優良性能，發達國家及地區的學者都曾致力于或正在對磷酸鹽類膠凝材料的水化機理及應用開發進行研究。
近年來，國內對磷酸鎂水泥用于搶修材料的研究越來越多，如丁鑄等對新型磷酸鎂水泥的制備和性能進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快、早期強度高的磷硅酸鹽水泥。快硬鋁酸鹽水泥是以鋁質原料、石灰質原料和石膏，經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而制成，是我國具有獨立知識產權的水泥品種，它具有早期強度發展快、強度高、長期強度穩定增長的特點，同時具有抗硫酸鹽侵蝕和抗凍融循環能力，一般在冬季施工，在水工工程及修補工程等特殊工程中應用較多。
國內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、凝結時間可調、耐久性能好等優點應用于軍事工程搶修搶建和災后快速修復中。但目前的搶修材料仍存在一些缺陷，如反應時間可調而不可控且不能中斷施工，操作時間較短，施工質量無法得到保證，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良的環氧樹脂混凝土快速修補材料，其前期操作時間長，易于控制，而后期可通過微波方式實現快速固化，本研究為搶修材料的應用提供指導和借鑒。環氧樹脂混凝土混合料試件制備原材料環氧樹脂：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：環氧丙烷丁基醚（深圳恒豐化工有限公司）。儀器及設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罩、主機箱、4個微波喇叭輻射口以及4個450W磁控管。每個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氧樹脂、固化劑和稀釋劑混合均勻后加入到拌和鍋中，繼續攪拌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，搗實刮平后分別在室溫、加熱及微波發射裝置中固化成型。
微波固化環氧樹脂混凝土性能試驗。不同固化條件下環氧樹脂混凝土抗壓強度成型5組立方體抗壓試件，每組3個，放置于微波喇叭口下，采用微波功率為3×450W,輻照不同時間后測試每組試件的抗壓強度，結果如表2所示。成型5組立方體抗壓試件，每組3個，分別在室溫（恒定溫度為（25±0.5）℃）和電子烘箱加熱條件下（溫度設定為100℃）進行固化，經過不同固化時間后測試每組試件的抗壓強度，結果如表3,4所示。
由表3,4可見，常溫下環氧樹脂混凝土初凝時間在4h以上，具有較長的操作時間，當環氧樹脂混凝土抗壓強度達40MPa時，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氧樹脂混凝土的固化速率。對于普通道路水泥混凝土路面，其抗壓強度要求大于25MPa,而對變形能力并無具體要求。
試驗結果表明微波固化環氧樹脂混凝土能在很短時間內實現快速固化，且固化物強度滿足路面材料抗壓強度要求。環氧樹脂混凝土室溫抗彎拉強度抗彎拉強度是路用材料最重要的性能指標。試驗中在試件的下邊緣兩側對稱布置電子引伸計，用來連續測量試件的彎拉應變，電子引伸計記錄的應變突變值即為試件的彎曲極限應變，結果取3次試驗的平均值。
試驗結果見表5.由表5可知，環氧樹脂混凝土的抗彎拉性能優于普通混凝土，能滿足路用材料對抗彎拉強度的需求。環氧樹脂混凝土低溫抗彎拉強度高低溫性能是路面材料的重要使用性能。因環氧樹脂是熱固性膠黏材料，其固化條件及自身的結構決定了環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來進行驗證。
試驗尺寸、固化條件及加載方式與2.2小節相同，試驗溫度控制在（-10±0.5）℃。同常溫抗折強度試驗一樣，計算出試件在低溫條件下的抗彎拉強度及彎曲極限應變，見表6.
由表6可知，低溫條件下環氧樹脂混凝土的抗彎拉強度并未降低，但變形能力急劇下降，較室溫極限應變值下降了40%左右，但仍能滿足路面材料的變形要求。環氧樹脂混凝土與原混凝土路面的黏結性能與原混凝土結構黏結質量良好，是保證道路搶修質量和耐久性能的關鍵。TJ073.1-2001《公路水泥混凝土路面養護技術規范》附錄A3.3.1規定：若新老混凝土連接強度好，則新舊混凝土結合處剪切強度應達到混凝土整體強度的55%.為研究環氧樹脂混凝土與原結構的黏結性能，參考尹健的測試方法進行了試驗。
將齡期為60d的C30混凝土立方體試件（10cm×10cm×10cm）通過劈裂抗拉試驗劈開，清理掉表面松動的砂漿及骨料，將半立方體試件放入模具中制成水泥-環氧樹脂混凝土試件，在微波條件下輻射10min進行固化，待試件溫度降為室溫后即對試件進行劈拉試驗，見圖2.
水泥-環氧樹脂混凝土試件的劈拉強度值即為新老界面的黏結強度，試驗結果見表7.由表7可知，水泥-環氧樹脂混凝土試件的劈拉強度與原試件的劈拉強度基本相近。從劈裂破壞位置以及破壞斷面看，新的劈裂破壞面出現在水泥混凝土上而未發生在黏結界面處，可見微波固化環氧樹脂混凝土與原水泥混凝土界面黏結良好。
結論
（1）采用E51和V125制備的環氧樹脂混凝土常溫下初凝時間約為4h,具有較長的施工操作時間；在微波條件下10min就可快速固化，其抗拉強度達10MPa以上，抗壓強度近50MPa.
（2）室溫彎拉和低溫彎拉試驗結果表明環氧樹脂混凝土有較高的抗彎拉強度，低溫時環氧樹脂混凝土的抗彎拉強度未降低，變形能力卻急劇下降，其較室溫極限應變值下降了40%左右。
（3）對水泥-環氧樹脂混凝土立方體試件進行新老混凝土黏結性能試驗，其劈拉強度與原試件基本相近且破壞面未出現在界面處，表明微波固化環氧樹脂混凝土與原水泥混凝土截面黏結良好。
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