梁波

【摘要：】为探究环氧树脂胶结料是否能够制备性能优良的环氧树脂混凝土，文章对高性能环氧树脂混凝土（HEC-13）进行配合比设计优化，并利用力学性能试验、抗冻性试验验证其各项性能。结果表明：以抗压强度指标为主，试件质量和骨料间距系数指标为辅，可综合优化确定最佳胶石比和促凝剂材料掺量;随胶石比增加，抗压强度、试件质量均呈先增加后下降趋势，骨料间距系数呈持续增加趋势，且骨料间距系数增加幅度远大于抗压强度变化幅度;随养护时间增加，抗压强度、抗折强度均呈持续增加趋势，但在养护0～48 h内，二者呈线性增加趋势，随养护时间持续延长，其变化幅度较平稳;随冻融循环次数增加，HEC-13试件的质量和动弹性模量均呈下降趋势，在超过50次后，动弹性模量指标下降趋势加剧。

【关键词：】桥梁工程;环氧树脂;环氧树脂混凝土;级配设计

U416.03A090284

0 引言

目前，我国桥梁建设正处于高质量发展时期，截止到2019年年末，全国公路桥梁达到87.83万座。伸缩缝装置在桥梁连接部位起到特殊作用，且容易产生破坏，不仅影响行车安全，严重情况下还会危害桥梁结构，因此开展对桥梁伸缩缝方面的研究具有重要意义。王信刚等采用环氧树脂材料对水泥混凝土裂缝进行渗透修复研究，分析了不同类型环氧树脂的使用效果，提出温度变化、裂缝宽度等因素与修复效果的关系[1]。孙杨勇等研发改性树脂桥梁伸缩缝修复料（MRK），并在广清高速公路某匝道连接线上开展了应用，验证了材料的可使用性和耐久性[2]。常利采用粉煤灰、水泥及添加剂制备地聚物修复材料，用于桥梁伸缩缝修复，并开展了一系列性能验证，为桥面伸缩缝修复应用提供了新的方向[3]。蒋玉川等研究了粗骨料间距系数与自密实混凝土的坍落扩展度、流动时间之间的关系，提出了自密实混凝土的粗骨料间距系数的适应范围，且该指标对力学抗压强度指标影响较小[4]。谭哲等利用微观手段研究了石墨烯材料对环氧树脂混凝土抗渗性能影响规律，分析石墨烯材料与环氧树脂的结构组成，提出石墨烯掺量浓度过高会导致环氧树脂混凝土抗渗性能下降的原理[5]。

综上所述，桥梁伸缩缝位置的特殊性导致其在运营过程中易出现疲劳破坏，普遍出现表面裂缝或脱落现象，而针对该问题的研究成果主要涉及修复材料方面。本文通过采用环氧树脂胶结料制备高性能环氧树脂混凝土，并对其开展配合比优化设计与性能验证，为其推广应用提供技术支持。

1 原材料及级配设计

1.1 原材料

试验选择玄武岩集料，分为0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm四档。环氧树脂选择江阴万千化学品有限公司生产的WSR618（E51）型环氧树脂，相关试验结果见表1～3。

1.2 级配设计

高性能环氧树脂混凝土（HEC-13）采用集料公称最大粒径为13.2 mm，其矿料级配依据沥青混合料SMA-13范围，采用马歇尔矿料级配设计方法，各档矿料比例为矿粉∶0～3 mm∶3～5 mm∶5～10 mm∶10～15 mm∶=8∶21∶18∶28∶25。合成级配设计见图1。

2 最佳胶石比优化分析

胶石比（环氧树脂质量占矿料总质量比例）对环氧树脂混凝土各项性能均存在显著影响，在最佳胶石比条件下混凝土才能保证良好的性能。本文依据前期研究成果，采用力学抗压强度指标分析不同胶石比（6%、7%、8%、9%）下力学性能变化规律。试验参数为：试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体，标准养护的环境为温度20 ℃±2 ℃，湿度≥95%，养护时间为24 h;60 ℃养护的环境为温度60 ℃±2 ℃，湿度≥95%，养护时间为18 h。试验结果见图2～3。

由图2～3可知：

（1）胶石比变化对力学性能存在显著影响，随胶石比增加，抗压强度指标呈先增加后下降趋势，且不同养护条件下抗压强度指标变化存在一定的差异。不同养护条件下，HEC-13的抗压强度均在胶石比为8%时达到最大值，分别为36.9 MPa和89.3 MPa。60 ℃养护下的抗压强度值远高于标准养护，约为标准养护的2.0～2.5倍，对HEC-13的早期抗压强度形成有利，有助于工程提前通车运营。胶石比为7%、8%、9%时，60 ℃养护抗压强度指标分别提高了约129.2%、142.0%、144.1%。

（2）极限变形随胶石比增加呈增加趋势，养护条件对极限变形指标也存在较大影响，尤其在60 ℃养护环境下，极限变形受胶石比影响更为显著，在胶石比为8%～9%时，极限变形呈较大幅度增加。在标准养护下，不同胶石比间的极限变形幅度较小，胶石比为8%、9%时分别增加了4.7%、5.6%（与胶石比6%相比）。

（3）随胶石比增加，HEC-13试件质量呈先增高后下降的变化趋势，与抗压强度指标变化规律相一致。在胶石比为8%时，试件质量存在最大值2 673 kg，说明高性能环氧树脂混凝土与水泥混凝土材料相接近，在级配良好情况下，胶石比变化对矿料的分布状态存在影响，只有在最佳胶石比条件下，HEC-13环氧树脂混凝土材料的密实状态最佳。

（4）为进一步分析HEC-13的早期力学性能变化，在标准养护条件下提高早期强度，研究分析了不同促凝剂掺量变化对抗压强度指标影响，即胶石比为8%，标准养护条件下，时间为12 h和24 h，促凝剂掺量为WSR618（E51）环氧树脂时的质量比，結果见图4。由图4分析可知，促凝剂能够显著改善HEC-13的力学性能，随促凝剂掺量增加，抗压强度指标均呈增加趋势，尤其早期强度提高更为显著。养护12 h时，促凝剂掺量为0.5%、1.0%、1.5%的抗压强度指标分别提高了63.9%、141.7%、161.1%;而养护24 h的抗压强度指标分别提高了5.2%、7.4%、9.5%。

3 骨料间距系数指标分析90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086

对于刚性材料，其力学性能的优劣与集料性质、矿料骨架结构、胶结料性能等存在直接关系。相关研究发现在上述其他条件一定的情况下，矿料级配的变化是对其力学性能影响的关键因素之一，内部结构的嵌挤状态越好，其混合料的承载能力越强，力学抗压强度越大。本文利用骨料间距系数指标[4]对上述4个胶石比下环氧树脂混凝土内部矿料分布状态进行分析，试验结果见图5。分析可知，随胶石比增加，骨料间距系数呈逐渐增加趋势。对于HEC-13而言，环氧树脂掺量越大，促使内部结构中粗集料之间的间距越大，如胶石比为7%、8%、9%时，骨料间距系数分别增加了57.5%、163.8%、258.4%。依据矿料级配设计原理，环氧树脂混凝土要产生良好的性能，需要矿料级配形成密实嵌挤结构，粗集料形成骨架结构，逐档细集料再进行填充，保证内部结构的密实度。因此，结合力学抗压性能指标，确定HEC-13的最佳胶石比为8%。

4 长期力学性能分析

桥梁伸缩缝传统的修复材料，在正常运营过程中常出现脱落、裂缝等现象，且在复杂环境中易出现疲劳破坏，因此桥梁伸缩缝的使用寿命与修复材料的长期力学性能密切相关。本文结合上述确定的最佳胶石比8%、促凝剂掺量1%，通过改变养护时间以研究其对长期力学性能影响。依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GBT50081-2019）中的试验方法，抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。試验结果见图6。

由图6可知：

（1）养护时间对抗压强度指标具有显著影响，对HEC-13的早期力学性能影响显著，尤其在0～48 h。而随养护时间持续延长，其抗压强度变化幅度较平稳。与养护12 h相比，养护48 h（2 d）的抗压强度值增加了约714.2%，养护168 h（7 d）的抗压强度值增加了约812.3%。这说明高性能环氧树脂混凝土的力学性能主要在养护前期即48 h内形成（24 h内强度达到40 MPa以上），而随时间延长，力学强度上升空间有限。

（2）抗折强度随养护时间增加也呈增加趋势，与抗压强度变化规律相一致。其强度形成基本在48 h内，但抗折强度在7 d的增加幅度大于抗压强度，约为888.2%，28 d的抗折强度变化幅度为9.1%（与养护12 h相比），这与双组分环氧树脂材料的固化原理理论分析结果相接近。

5 抗冻性能分析

HEC-13的抗冻性是耐久性的关键指标之一，也是判断其使用寿命的关键因素，材料能够抵抗低温结冰破坏才能保证良好的完整性。抗冻性试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GBT50082-2009）中的快冻法，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，循环次数为25次、50次、100次。试验结果见图7。

由图7可知：

（1）随冻融循环次数增加，HEC-13试件的质量和动弹性模量均呈下降趋势，试件质量下降说明冻融循环后出现了剥离破坏，造成试件表面脱落。这与高性能水泥混凝土发生冻融破坏现象相一致。循环50次、100次时，试件质量分别下降了0.111%、0.172%，动弹性模量下降了1.28%、4.96%。说明循环冻融对HEC-13的动弹性模量劣化程度高于试件质量损失，动弹性模量的劣化势必造成力学性能的降低。

（2）对于动弹性模量指标，在冻融循环25～50次时，其劣化程度相接近，约为0.96%～1.28%;而超过50次后，动弹性模量指标呈直线下降，循环100次的劣化程度远大于50次。这说明HEC-13试件的抗冻性能随循环次数的增加而呈劣化加剧状态，一旦超过材料的抗冻临界点，其使用寿命将大大缩短。

6 结语

（1）HEC-13配合比设计过程中，以抗压强度指标为主，试件质量和骨料间距系数指标为辅，可综合确定最佳胶石比和促凝剂材料掺量，矿料级配范围可参考SMA-13级配。

（2）随胶石比增加，抗压强度、试件质量均呈先增加后下降趋势，骨料间距系数持续增加，且骨料间距系数增加幅度远大于抗压强度变化幅度。

（3）随养护时间增加，抗压强度、抗折强度均持续增加，在养护0～48 h内，二者呈线性增加趋势，但随养护时间持续延长，其变化幅度较平稳。随冻融循环次数增加，HEC-13试件的质量和动弹性模量均呈下降趋势，在超过50次后，动弹性模量指标下降趋势加剧。

参考文献：

[1]王信刚，周 镇，赵 华，等.环氧树脂修复水泥基材料微裂缝的渗透机理[J].建筑材料学报，2021（6）：1 200-1 207.

[2]孙杨勇，尹昌宇，周柏瑾.改性树脂修复材料MRK在桥梁伸缩缝中的应用[J].中外公路，2015，35（3）：293-295.

[3]常 利.地聚合物基桥面伸缩缝混凝土制备及性能研究[J].公路，2017，62（10）：229-233.

[4]蒋玉川，王 阳，许金娥.粗骨料对自密实混凝土流变性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品，2017（3）：5-8.

[5]谭 哲，郭思瑶，赵铁军，等.石墨烯增强环氧树脂涂层对混凝土与SHCC的抗渗性能研究[J].混凝土，2020（10）：126-130.90EDABF6-0F4A-4655-8C24-D562FC00C086