灌注式路面层用水性环氧树脂改性的砂浆性能
                      李　强,刘其诚,徐协文,王明明,龚陶然     
              (长沙理工大学摩擦与耐磨材料研究所,湖南长沙　410004)
    摘要：研究了水性环氧树脂对灌注式路面面层用新拌水泥砂浆的性能以及养护后砂浆力学性能的影响.利用正交实验方法,确定了实验配方,并对由这些配方所得砂浆进行了稠度和粘度试验,分析了砂浆组成对砂浆和易性的影响;测定了不同掺量下的水性环氧树脂水泥砂浆硬化后在7和28 d两个龄期的力学性能,同时使用扫描电镜观测了砂浆试样硬化后断面的形貌,对水性环氧树脂改性水泥砂浆性能指标的机理进行了分析.研究结果表明,用2. 5%水性环氧树脂改性后,砂浆的流动性明显好于普通水泥砂浆;添加水性环氧树脂的砂浆硬化后,由于水性环氧树脂在界面区改善了骨料与水泥基体的粘结性,减少了裂隙的形成,使其结构更加密实;同时水性环氧树脂能跨越裂纹并抑制裂缝扩展,桥接了界面区,使得砂浆硬化后的强度有所增加.
    关键词：路面面层;水性环氧树脂;改性砂浆;力学性能
    中图分类号：TU528. 41　　　文献标识码：A　　
    灌注式路面层[1-3]是树脂改性刚性面层复合成型的一种新型路面材料,它是将树脂改性水泥砂浆灌入大孔隙沥青混合料母体中形成的一种高等级路面结构材料.有机高分子灌浆材料因具有许多水泥系和水玻璃系浆材无法比拟的优异性能,而成为工程中必不可少的灌浆材料.研制并开发无公害浆材已成为灌浆材料发展的一个重要方向.
    水性环氧树脂[4-7]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而配成的稳定树脂材料.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,并能提高水泥砂浆和混凝土的早期强度、韧性及抗冲击性能,增强防水性能;且施工性好,可在潮湿环境施工,设备易于清洗、储运及使用安全.因此,在水泥基材料中得到了较广泛的应用.本研究采用水性环氧树脂改性水泥砂浆制成灌注式路面材料,并对相应灌注材料的稠度、流变性、抗压强度、抗折强度以及微观结构等性能进行了研究.
    1　实验材料与方法
    1.1　路面层浆料的配制
    原材料包括①水泥:桔洲牌P·OⅡ32. 5R普通硅酸盐水泥(长沙水泥厂生产);②细砂:含泥量为8%,最大粒径为1. 18 mm;③粉煤灰:低钙Ⅰ级灰(F),密度为2. 2 kg/m3,细度≤12%;④水性环氧树脂:巴陵石化公司生产的水性环氧树脂,环氧树脂固含量为50%,环氧当量为1 350 g/eq,旋转粘度为5. 1 Pa·s(25℃);⑤固化剂:巴陵石化公司生产的水性胺类固化剂.
    改性水泥砂浆的配合比[8-10]参考国内、外经验资料,考虑到水性环氧树脂是一种亲水性的乳液,因此,将水性环氧树脂加入水泥砂浆中可视为加入的是全部水分,考虑到需要对比水性环氧树脂改性后的水泥砂浆与未改性的水泥砂浆的各项性能指标,故未改性的水泥砂浆中的水分需根据掺入水性环氧树脂的用量而改变.通过正交实验进行优化(见表1),确定最佳配合比.
               
    1.2　试样测试
    1. 2. 1　稠度测试
    砂浆稠度仪[9]由两部分构成:上底面内径为155 mm、下底面内径为10 mm的空心倒圆台和内径为10 mm的空心圆柱.在容积约为1 250 mL处设一条刻度线.如图1所示.
               
    树脂改性水泥砂浆的拌合方法为:将水性环氧树脂与固化剂按比例分别称量后加入一个清洁容器内,再按配合比分别加入水、粉煤灰、水泥和细砂,充分搅拌均匀,混合好的浆料应在2~3 h(25℃)内用完.
    用手指封住底部出口,把砂浆倒入稠度仪约1 250 mL处,然后松开手指,开始计时,让水泥砂浆自由流入1 000 mL的量筒或烧杯,当水泥砂浆达到1 000 mL刻度时,停止计时,记录流淌时间.
    1. 2. 2　粘度测试
    参照试验规程[11],在常温条件下采用NDJ-7旋转粘度计测试砂浆的粘度,转子剪切速率为350 s-1.
    1. 2. 3　抗压、抗折强度测试
    参照试验规程[11],采用万能材料实验机测试抗压、抗折强度.试模尺寸分别为70. 7 mm×70. 7 mm×70. 7mm和40mm×40mm×160mm.
    1. 2. 4　微观形貌
    用国产KyKy-2000型扫描电子显微镜观察试样硬化后断面的形貌.
    2　结果分析
    采用正交试验设计方法[12]对实验配方组合,并对各配方的主要考核指标进行测量和数据分析,实验结果见表2.
              
    对实验结果进行方差分析表明,水灰比和水性环氧树脂含量对实验配方有着显著性的影响,得出的最佳配合比为表2中第8组实验方案,即砂浆的水灰比为0. 56,水性环氧树脂最佳掺量为2. 5%.
    2.1　水性环氧树脂对砂浆稠度的影响
    砂浆的稠度将直接影响砂浆的使用性能.在采用灌浆工艺的混凝土中,砂浆的稠度以流淌时间来反映,流淌时间越长稠度越大,一般要求砂浆稠度的流淌时间为8~10 s.影响砂浆稠度的因素很多,而水性环氧树脂的加入,对砂浆稠度产生了较为明显的影响.
    在第8组实验配合比的基础上,研究水性环氧树脂含量对砂浆稠度的影响.当水性环氧树脂含量分别为2. 0%, 2. 5%, 3. 0%及3. 5%时,测试砂浆的稠度流淌时间,如图2所示.从图2中可以看出,在水灰比同为0. 56时,随着水性环氧树脂含量的增加,砂浆稠度越小,也即砂浆的和易性越好.但是,出于施工成本因素的考虑,水性环氧树脂掺入量不宜过高,建议其掺量为2. 5%左右.
               
    2.2　水性环氧树脂对砂浆流变性变化的影响
    流变性的表征参数是粘度,它与时间、温度、剪切速率及压力都有着复杂的关系.目前在灌浆工程中,使用的浆材种类比较多,由于每种浆体的成分和结构不同,浆液的力学性质表现出显著的依时性,因此在灌浆施工中,其流变行为也不同.
    在第8组实验配合比的基础上,研究了水性环氧树脂含量对粘度的影响.当水性环氧树脂含量分别为2. 0%, 2. 25%, 2. 5%, 2. 75%, 3. 0%,3. 25%及3. 5%时,测试了砂浆的粘度,其结果如图3所示.从图3中可以看出,水灰比为0. 56时,随着水性环氧树脂含量的增加,砂浆粘度先下降后逐渐增加.这是由于砂浆在拌和过程中,水泥颗粒某些边棱角互相碰撞吸附,并在范德华力作用下形成絮凝状结构,包裹了很多拌和水.因此,当水性环氧树脂加入时,若其含量比较小则仍可视为自由水分,但随着水性环氧树脂含量的增加,水性环氧树脂的亲水基团可使包裹的拌和水析出,从而表现为砂浆粘度突然下降;到了后期,水性环氧树脂与砂浆的黏附作用逐渐增强,表现为砂浆粘度逐渐上升,但当其掺量为2. 5%时,砂浆粘度最小,易于灌浆.
                
    2.3　水性环氧树脂对砂浆抗压、抗折强度的影响砂浆强度是衡量砂浆好坏的一个重要指标.从正交实验中各个因素对砂浆性能的影响可以看出,表2第8组实验结果是一个优异的砂浆配合比,分别比较它与相同配合比时不掺树脂的普通砂浆在7和28 d的抗压、抗折强度,发现它们有明显的差别(其结果见表3).树脂改性水泥砂浆的抗压、抗折强度稍大于普通水泥砂浆的抗压、抗折强度,这说明水性环氧树脂的掺入对水泥砂浆抗压、抗折强度略有改善.同时还可以看出,尽管普通砂浆稠度明显优于水性环氧树脂砂浆稠度,但两者的砂浆强度相差不大,这表明砂浆的和易性对砂浆强度并没有直接的影响.
           
    2.4　水性环氧树脂改性砂浆的微观结构
    通过SEM电子显微结构可以发现,环氧树脂改性对水泥砂浆结构的影响是显著的.比较掺与不掺水性环氧树脂的SEM电镜图4, 5,再分别比较砂浆内部晶体生长过程图4, 6和图5, 7(其中B区为针棒状的Ca(OH)2晶体, C区呈绒网状的物质为环氧树脂在Ca(OH)2晶体上的粘附),可以发现:在早期未改性砂浆结构中,存在着较多的大颗粒水化产物结构,形成大量空隙和大晶体.而环氧树脂的改性减缓了水泥水化,使得体系在某种程度上能够抑制Ca(OH)2的生长,这个过程产生的应力使Ca(OH)2的晶形发生改变,不至于沿着晶面过分生长.因此,在环氧树脂改性水泥砂浆中,这种结构大大减少,表现为Ca(OH)2的晶形更为均匀,砂浆整体结构更为密实,这从砂浆后期的微观结构图6, 7可以看出.比较图6的B区和图7的C区,可以看出,水泥水化过程中聚合物在不同界面上有明显的结合作用.在改性砂浆中,环氧树脂沿水化物晶面桥接大量的微断口,在砂浆内部空间形成一个网状的连接,这大大增强了水泥浆对集料的粘附力,并且进一步减小了孔尺寸和结晶度,增加体积密实度.在不使用聚合物改性时,由于水泥早期水化产生的应力作用,加上水泥水化较快,使得Ca(OH)2晶体在未水化区累积,影响了材料的微观空隙结构.在未掺树脂的图6A区,存在明显的大孔隙,而掺加树脂的结构图7中,并不存在这样的大孔隙.水泥砂浆的过渡区被认为是砂浆中的加强———减弱界面区,其特点是在界面区存在大量的空隙和较规则的晶体,界面间的材料互异性较大,因此易造成破坏.添加环氧树脂后,聚合物在界面区改善了骨料与水泥基体的粘结,减少了裂隙的形成,使其结构更加密实.
         
    此外,经水性环氧树脂改性的砂浆应用于灌浆沥青混凝土路面后,不但能使路面结构刚柔并济,而且还具有较好的耐高温流动性能、耐油蚀性及较强的耐磨耗性,因此,采用环氧砂浆对于灌浆沥青混凝土有着良好的应用前景.
           
    3　结论
    1)通过稠度实验可以看出,水性环氧树脂的加入可以很好地改善砂浆的和易性,但其用量受到施工成本的限制,一般为2. 5%左右.
    2)通过砂浆抗压、抗折实验可以看出,掺加树脂的水泥砂浆强度比普通砂浆强度略有增加.
    3)水性环氧树脂含量对砂浆粘度有一定的影响,随着水性环氧树脂含量的增加,砂浆粘度先下降后逐渐增加.
    4)通过SEM观察可以看出,环氧树脂在聚合物界面区改善了骨料与水泥基体的粘结,减少了裂隙的形成,使其结构更加密实,在砂浆基体中环氧树脂能跨越裂纹并抑制裂缝扩展,桥接了界面区,使得砂浆的强度有所增加,其效果明显.
    参考文献(References):
    [1]　姚爱玲,方荣渝.灌注式半刚性复合材料路用性能试验研究[J].西安公路交通大学学报, 2001, 21(3):17-20. 
    [2]　徐培华,宋哲玉,姚爱玲,等.灌注式半刚性路面面层复合材料试验研究[J].中国公路学报2002, 15(4):7-11. 
    [3]　蒋硕忠.我国化学灌浆技术发展与展望[J].长江科学院院报, 2003, 20(5): 25-27. 
    [4]　钟世云,袁华.聚合物在混凝土中的应用[M].北京:化学工业出版社, 2003. 
    [5]　吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社, 1999. 
    [6]　Schulze J. Influence ofwater—cement ratio and cemencontent
 on the properties of polymer-modified mortar[J]. Cement and Concrete
 Research, 1999, 14 (29):909-915.
    [7]　MichaelV D M, KurtA K. Formulation ofwaterbornepoxy[J].American Paint
 and Coating, 1997, 17(1):20-21.
    [8]　Sakai E, Sugita J. Composite mechanism of polymemodified cement[J]. 
Cement and Concrete Research,1995, 25(1): 127-135.
    [9]　李秋忠,王兵,吕贵宾.树脂改性水泥砂浆性能研究[J].山西建筑, 2007, 33 (15): 172, 252. 
    [10]　杨相玺,程贤甦.水性环氧树脂改性水泥砂浆性能的研究[J].西安工程科技学院学报, 2007, 21(6):
    [11]　中国水利水电研究院.DL/T 5126-2001聚合物改性水泥砂浆试验规程[S].北京:中国电力出版社,2001. 
    [12]　方开泰,马长兴.正交设计与均匀设计[M].北京:科学出版社, 2001.