环氧树脂混凝土现状与分析

编辑/作者:管理员  发布时间:2010-2-2  字号:

众所周知,普通硅酸盐水泥混凝土在使用过程中存在一定的问题。比如,混凝土抗压强度很高,但抗拉强度却不高。而且普通硅酸盐水泥混凝土易开裂、耐化学腐蚀性差等缺点。为了克服上述缺点,树脂混凝土与普通混凝土相比,具有以下优点:1. 具有极好的耐久性和良好的力学性能,其抗拉强度、抗压强度和抗弯强度均高于普通混凝土;抗冲耐磨性能、抗冻、抗渗性、耐水性、耐化学腐蚀性能良好;2. 由于树脂混凝土强度增长速度比普通水泥混凝土快得多,可以在常温和低温下固化,24h强度可以达到最终强度的80%;3. 由于树脂混凝土与大多数材料有很好的粘附性,是一种高效的快速修补材料。因此,这类材料得到广泛重视和实际应用。树脂混凝土是一种新型建筑材料,其研究历史只有50年,开展深入研究并逐步应用与工程中也不过20年,我国在该领域的研究处于起步阶段,理论尚不成熟,设计及施工经验有待积累。迄今为止,常见的树脂混凝土为环氧树脂混凝土,环氧树脂具有强度高、粘接性能好、耐磨性好、价廉等优点,与水泥混凝土的粘结性很好,但其脆性仍较大。因此,应对环氧树脂混凝土进行改性处理,降低其脆性,增加其韧性。笔者将通过对在树脂混凝土中加入增韧剂,纤维等对环氧树脂混凝土改性进行探讨。

1国内外在该方向的研究现状

1.1环氧树脂混凝土复合材料的研究现状

    环氧树脂是含有环氧基的高分子聚合物,由环氧氯丙烷及二酚基丙烷(双酚A)在碱的作用下缩聚而成的液体树脂。环氧树脂是线性结构的热塑性聚合物,加热呈塑性,本身不会硬化;当加入一定量硬化剂后,经室温放置或加热处理后,与固化剂发生交联固化反应,变成不溶于水的坚固型网状结构巨大分子高聚物,其性能亦能由热塑性变成热固性。固化后显出强度高、粘结力大、收缩性小及化学稳定性好等特点。

    然而,环氧树脂混凝土是纯聚合物混凝土的一种。美国20世纪50年代就开始了纯聚合物混凝土的商业应用。70年代中期,纯聚合物混凝土用于修复波特兰水泥混凝土构件,主要是公路和桥梁构件;七八十年代,美国政府部门资助聚合物混凝土的研究,至今市场上已有众多纯聚合物混凝土预制构件,包括管件、地面排水构件、各种大小窨井及窨井盖、公路中央篱栅及路缘石、电器构件、机床基础等。由于技术和造价等诸多因素的限制,相比之下,我国在这方面的研究较少,对环氧树脂混凝土的研究处于起步阶段。应该说,环氧树脂混凝土具有广阔的研究和应用前景。

    目前,环氧树脂混凝土复合材料的研究主要有以下几个方向:1. 环氧树脂混凝土性能的研究。即对在不同因素影响下的环氧树脂混凝土收缩性、耐火性、耐化学腐蚀性、抗冻性、阻尼性能等各种性能的研究;2. 环氧树脂混凝土的级配研究 如对不同设计强度要求下的基本组分级配研究,树脂混凝土中添加矿质集料的研究及骨料度分布研究等;3. 环氧树脂混凝土应用于结构加固的研究。环氧树脂混凝土应用于结构的改造、修复,因承载力部足或结构物破坏后的加固补强研究;4. 环氧树脂研究。另外,还有对环氧树脂混凝土经济型研究等。

    长沙理工大学公路工程学院的李宇峙等人,研究了环氧树脂混凝土抗压强度和弹性模量,认为混凝土的抗压强度是其力学性能中最基本且重要的一项,常作为基本参量确定混凝土的质量等级,并决定其他力学性能,如抗拉强度、弹性模量和峰值应变等。弹性模量是混凝土重要的力学性能,他反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系;是混凝土路面设计中的一项重要设计参数,用以计算面层在载荷作用下产生的应力及温度变形受限制时产生的应力,混凝土弹性模量的大小,影响路面设计的结果及其合理性,这也是计算混凝土结构的变形、裂缝开展和大体积混凝土的温度应力所必须的参数之一。环氧树脂混凝土强度形成所需时间短,且早期强度很高,适用于水泥混凝土路面的修补、工程抢修等,有开放交通早、节约交通管制费用等优点,在环氧树脂混凝土抗压强度和水泥混凝土抗压强度相同的情况下,环氧树脂混凝土的弹性模量要小于水泥混凝土的弹性模量。由此可知,在相同荷载作用下,环氧树脂混凝土产生的变形要大于水泥混凝土产生的变形,即环氧树脂混凝土的韧性要优于水泥混凝土的韧性。

    辽宁工程大学土木系的周梅等人研究了填料品和用量对环氧树脂混凝土强度的影响,通过试验研究了不同品种的填料,及其用量对树脂混凝土环氧胶黏剂剪切强度的影响。在此基础上,研究了不同填料对树脂混凝土抗压、抗折强度等性能的影响。

1.2环氧树脂混凝土在土木工程中的应用现状

    近几年,随着新型环氧材料的出现,环氧树脂材料在水利水电、工民建等各领域的工程应用也越来越多。随着对树脂混凝土的深入研究,树脂混凝土正被广泛应用于土木工程和各行各业,特别是环氧树脂混凝土加固技术在建筑结构加固补强中的应用。

    近年来,以环氧树脂制成的环氧胶性能优越、改性途径较多,在混凝土领域中得到应用,且发展较快。多用于混凝土构件的粘接和修补、桥梁工程、飞机跑道、公路修造、混凝土结构修补加固或防渗堵漏灌浆等。混凝土及钢筋混凝土结构虽以经久耐用而著称,但其在使用哪个过程中引起钢筋混凝土结构损坏的原因多种。既有结构设计、施工方面的原因,又有原材料及结构使用环境方面的原因。

    环氧树脂混凝土应用最多的是混凝土构件的粘接和修补。首先,是新旧混凝土的粘接,传统的新旧混凝连接的方法是先在清洗好的木槎上浇一层稀砂浆、然后浇灌新混凝土,该方法粘接度低、防水性差,为了获得高强度的粘接而在混凝土的槎口上涂覆环氧胶黏剂,是目前较为流行的方法。新旧混凝土的粘接难点是胶黏剂必须同含水率较高的新混凝土接触,通过选用不溶于水的聚酰胺、多元芳香胺及潜性脂肪胺固化的环氧胶黏剂,来粘接潮湿混凝土可获得满意效果。

    环氧树脂在混凝土中另一个重要应用时在桥梁工程中的应用。桥梁是承受应力较大的土木工程,大量的预应力钢筋混凝土用于桥梁的制造,为了防止桥基下相邻的预应力钢筋混凝土将由于长期的振动而产生间隙,往往采用压缩强度较高的胶黏剂进行粘接使其成为整体。在桥面与桥墩的混凝土连接处产生裂缝时,一般都用较高初期胶黏剂强度的环氧树脂胶施工;也可以用低粘度的环氧树脂进行注入式修补,同时,可用于大桥伸缩缝施工中。过去在公路强梁伸缩施工中,大多采用高标号混凝土填充梁体与橡胶伸缩体之间的空隙,但此施工方法缺点是车辆在行驶过程中通过伸缩时,从刚性的混凝土直接到柔性的橡胶体伸缩体,易产生“跳车”现象。当在梁体与橡胶伸缩体之间采用环氧树脂混凝土填充,由于环氧树脂混凝土混凝土具有高强度、抗冲击强度大的特点,较好地解决了车辆在通过桥梁伸缩时的“跳车”现象。应用于建筑物的加固补强,如环氧树脂混凝土用于修补建筑梁板的裂缝,或以树脂混凝土代替普通混凝土对构建进行扩大截面的加固补强等。

    环氧树脂作为混凝土结构的补强正越来越发挥其重要作用。用环氧树脂因高强、耐磨、抗渗、抗冻和抗冲击性能好等特点而愈来愈受人们重视,已成为现今研究和应用发展最快的建筑材料之一。虽然近年来气应用效果显著,但其自身的一些性能仍有待改善。因此,笔者将通过加入纤维等一系列性能进行探讨。

2改善措施

2.1加入有机纤维

    纤维在普通混凝土中应用已为人们所知,纤维混凝土中的纤维在混凝土中呈现三维乱向分布,并有不同程度、不同类型的定向性。又由于纤维混凝土是一种多相、多组分、非均质且不连续的材料,加之纤维形状和表面性能及不同施工方式,造成纤维不同形式的分布,导致纤维增强机理十分复杂。虽然自纤维混凝土问世后有诸多研究者对其理论进行了研究,但迄今为止,尚无一个无争议的理论来反映纤维增强本质。比较一致的观点认为:由于纤维的掺入,对混凝土基体产生了增强、增韧和阻裂等效应,从而增加了混凝土的强度、韧性、耐腐蚀性等性能。改变了混凝土的脆性,易开裂及其破坏形态,延长了混凝土的使用寿命。在纤维混凝土中纤维的主要作用,在于吸收水泥基材开裂时释放的能量,并因此阻止基材中裂缝的扩展。其阻裂机制和阻裂效果主要取决于纤维的种类与性能、纤维的体积率、纤维的长度与分布情况、纤维的取向、纤维与水泥基材的粘接强度等。

2.2加入反应型环氧增韧剂CYH-277

    CYH-277既是环氧树脂高性能增韧改性剂,又是良好的活性稀释剂。CYH-277为支化、带有多个活性端基的低粘度液态聚合物,分子内部空穴导致固化物产生大量剪切形变而耗散冲击能量,因而具有良好的增韧性能和反应活性,可大幅度地改善环氧树脂固化物的耐冲击、耐压缩、抗开裂以及粘结强度等机械性能。CYH-277分子链中含有多个极性键,与各类环氧树脂、环氧固化剂及助剂都有良好的相容性,对硅微粉、氧化铝等各种填料和颜料具有浸润性;添加于环氧树脂固化体系中,可显著延长其可使时间(延长约1/3)和降低固化放热峰值,使环氧树脂固化反应平稳。所以,在环氧树脂混凝土中加入反应型环氧增韧剂CYH-277,能使环氧树脂混凝土的脆性得到很大的改观。

3结语

    在环氧树脂混凝土中,纤维贯穿孔隙在环氧树脂混凝土内部形成三维钢筋网络结构。而反应型环氧增韧剂CYH-277能使环氧树脂的韧性大大提高。纤维与反应型环氧增韧剂CYH-277的共同作用,能充分发挥其各自的优点来改善环氧树脂的韧性。因此,探讨有机纤维与反应型环氧增韧剂CYH-277对环氧树脂混凝土韧性的改善时必要的。