陳瑞芳，張琰鑫

（1 鄭州城市職業(yè)學(xué)院,河南鄭州452370；2 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,河南鄭州450000）

混凝土是工程建設(shè)中用量最大的材料之一,為提升建筑用混凝土的高強(qiáng)高韌屬性,環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料開(kāi)始在建筑領(lǐng)域推廣[1]。隨著環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土市場(chǎng)前景的拓展,該材料的力學(xué)性能和耐老化性能研究也成為眾多研究人員關(guān)注的重點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3]針對(duì)不同摻量的材料,進(jìn)行抗紫外老化性能研究。通過(guò)熔融共混技術(shù)制備多份材料,將其放置于不同溫度條件下,記錄材料性能變化,從而獲取材料抗老化性能分析結(jié)果。但是,該方法得到的結(jié)果準(zhǔn)確性還有待提高。文獻(xiàn)[4]以研究混合材料的老化性能為核心,提出依托于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的分析方法。設(shè)計(jì)黏度測(cè)試、凍融劈裂測(cè)試以及浸水馬歇爾測(cè)試等多種方案,獲取材料老化模擬后的性能變化。但是,該分析結(jié)果不夠完整。文獻(xiàn)[5]模擬多種氣候環(huán)境特征,分析不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下材料耐老化性能,并以此為基礎(chǔ)分析未來(lái)老化性能研究方向。但是,該性能分析結(jié)果受到外觀因素的影響較大。

文中參考上述分析方法,針對(duì)建筑用環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料,提出一種新的耐老化性能分析方法。強(qiáng)紫外線照射引起的老化問(wèn)題,是材料遭到破壞的主要途徑之一。文中利用實(shí)驗(yàn)材料制作環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料試塊,再通過(guò)紫外光加速材料老化,分析老化后材料性能變化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

制作建筑用環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料所需的實(shí)驗(yàn)材料,除了混凝土骨料外,需要在基礎(chǔ)材料中添加環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑。為了便于后續(xù)攪拌處理,環(huán)氧樹(shù)脂選用常溫液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂,而固化劑選用常規(guī)的胺類固化劑,將環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑混合得到環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑[6]。本次實(shí)驗(yàn)樹(shù)脂按照2:1的比例固化劑混合。

此外,選用砂石為混凝土骨料,通過(guò)按級(jí)配比的方式篩選實(shí)驗(yàn)所需的骨料,提升制作完成后的混凝土試塊材料強(qiáng)度,根據(jù)材料的耐老化性能的分析要求,設(shè)置混凝土骨料級(jí)配方案見(jiàn)表1。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土骨料級(jí)配方案Table 1 Epoxy resin-concrete aggregate gradation scheme

續(xù)表1

1.2 制備工藝

利用上述實(shí)驗(yàn)材料,按照固定比例混合制作混凝土試塊。具體流程如下：（1）根據(jù)表1所示的混凝土骨料級(jí)配方案,選取多個(gè)粒徑的石料,將其攪拌均勻得到實(shí)驗(yàn)骨料；（2）確定環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的質(zhì)量,并將二者均勻混合。再將環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑倒入石料中,進(jìn)行15 min以上的攪拌,為了便于后續(xù)實(shí)驗(yàn),將充分?jǐn)嚢韬蟮幕旌衔锏谷?0cm×30cm×30cm模具內(nèi)；（3）將夯實(shí)后的模具放入烘箱內(nèi)進(jìn)行為期三天的養(yǎng)護(hù),脫模后得到所需材料試塊。

為了便于混凝土試塊的成形,將試塊養(yǎng)護(hù)的溫度設(shè)置為25℃[7]?？紤]到季節(jié)變化特點(diǎn)和環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的流動(dòng)性,將環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土制作環(huán)境設(shè)置為5℃以上。當(dāng)環(huán)境無(wú)法達(dá)到制作要求時(shí),預(yù)先加熱環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑再進(jìn)行后續(xù)制備步驟[8]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到引起建筑用環(huán)氧樹(shù)脂基混凝土老化的主要因素是紫外線的照射[9],實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用紫外光實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行試塊的加速老化處理。

根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料試塊的大小,設(shè)置實(shí)驗(yàn)箱的尺寸為120cm×120cm×700cm ,并在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)安裝放置試塊的架子、紫外光燈管、噴淋水管和水槽。

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)紫外光燈管數(shù)量為8根,并且每根燈管的短波光譜范圍為300～350 nm,紫外光加速老化處理過(guò)程中,設(shè)置燈管的額定功率和紫外光發(fā)射功率分別為40W、12W。為了保證紫外光照的均勻,設(shè)置實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)燈管中心與材料試塊之間的距離大于10cm。考慮到建筑用混凝土材料的平均陽(yáng)光照射溫度,將實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)溫度設(shè)置為（50±5）℃,濕度設(shè)置為45%?？紤]到實(shí)際日、夜時(shí)間分布情況,設(shè)置實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)紫外光暴露和冷凝處理每4h一交替。在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)安裝12個(gè)噴嘴,模擬雨水沖刷環(huán)境,對(duì)試塊進(jìn)行老化處理。

按照上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行加速老化處理,試塊表面紫外光平均強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式（1）中,x表示紫外光平均強(qiáng)度,A表示發(fā)射紫外光的功率,C表示試驗(yàn)箱內(nèi)燈管數(shù)量,ε表示燈管距試塊的平均距離,P表示燈管額定功率。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料時(shí)間紫外光的平均強(qiáng)度達(dá)到了1560W/m2。考慮到我國(guó)大部分區(qū)域的日太陽(yáng)輻射為98MJ/m2,年紫外線輻射總量為263.898MJ/m2。綜上所述模擬1年環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料老化,需要進(jìn)行95h左右紫外老化試驗(yàn),3年為285h左右,6年為570h左右。通過(guò)調(diào)查可知[10],混凝土建筑第一次病害的平均出現(xiàn)時(shí)間為6年,文中將最長(zhǎng)老化時(shí)間設(shè)置為6年。為了提高耐老化性能分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,經(jīng)由實(shí)驗(yàn)箱獲取模擬1年、3年與6年老化試驗(yàn)處理的試塊,進(jìn)行后續(xù)混凝土性能分析。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 抗沖擊力測(cè)試

根據(jù)分離式Hopkinson壓桿測(cè)試裝置,測(cè)試不同老化時(shí)間的試塊在應(yīng)力條件下,抗沖擊性能變化情況。實(shí)際操作過(guò)程中,在空桿狀態(tài)下進(jìn)行3次裝置測(cè)試,確保實(shí)驗(yàn)裝置操作正常,并調(diào)整桿件軸線高度統(tǒng)一。將環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料試塊放在入射桿和透射桿間,設(shè)置觸發(fā)電壓為0.9MPa,發(fā)射沖擊速率為12.4m/s的子彈,獲取試塊破壞形態(tài)。為了對(duì)比試塊的耐老化性能,針對(duì)1年、3年與6年老化時(shí)間的試塊進(jìn)行沖擊力測(cè)試時(shí),觸發(fā)電壓和子彈發(fā)射沖擊速率保持不變。

1.4.2 抗彎拉性能測(cè)試

利用四點(diǎn)彎曲方法測(cè)試試塊的抗彎拉性能。按照試塊尺度,設(shè)置跨徑為30cm,在跨徑兩側(cè)預(yù)留5cm。將中間部分劃分為3個(gè)10cm的部分,并利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)在試塊三分點(diǎn)處施加等值荷載,在2cm/min加載速率條件下,計(jì)算試塊的抗拉伸強(qiáng)度。

1.4.3 吸水率測(cè)試

材料吸水率測(cè)試之前,將老化處理后的試塊從實(shí)驗(yàn)箱取出進(jìn)行烘干,并在正常室溫條件下自動(dòng)冷卻,針對(duì)冷卻后的試塊進(jìn)行稱重。再將試塊完全浸泡在水中24h,對(duì)泡水后的試塊再次稱重。利用烘干后質(zhì)量和泡水后質(zhì)量計(jì)算混凝土試塊的吸水率。

式中,ω表示吸水率,c表示浸泡后試塊質(zhì)量,c0表示烘干狀態(tài)下試塊質(zhì)量。

為了提高吸水率測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以6塊材料為一組,分別計(jì)算每塊材料的吸水率,最終取平均值。

1.4.4 表面接觸角測(cè)試

表面接觸角的變化情況反映出混凝土材料憎水性能。將試塊水平放置在桌面,利用滴管在表面滴―滴水滴,等待兩分鐘后,采用數(shù)字顯微鏡采集試塊表面圖像,再結(jié)合計(jì)算機(jī)處理軟件獲取接觸角數(shù)據(jù)。材料的憎水性能會(huì)隨著接觸角的增大而提升,根據(jù)憎水性能的變化情況,可判斷環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料的耐老化性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗沖擊性

將未經(jīng)過(guò)老化處理、模擬1年老化、3年老化、6年老化處理的試塊,采用分離式Hopkinson壓桿測(cè)試裝置進(jìn)行抗沖擊性能測(cè)試。結(jié)果顯示,4種試塊的材料破壞形態(tài)較為相似,試塊表面均出現(xiàn)開(kāi)裂情況,但并未完全碎裂。表明環(huán)氧樹(shù)脂基混凝土材料的抗沖擊性能并未因?yàn)槔匣瘯r(shí)間的增加而降低。

2.2 抗彎拉性

記錄四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,獲取試塊載荷位移曲線,從而獲取試塊底層的應(yīng)力應(yīng)變曲線,生成圖1所示老化后材料的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比曲線。

圖1 老化后材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 1 Stress-strain curve of aged material

根據(jù)圖1所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知,未老化試件的應(yīng)力應(yīng)變值較高,在應(yīng)變?yōu)?.0086的時(shí)候,彎曲應(yīng)力達(dá)到了18.4MPa。且整體分析可以發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料的加速老化,并未引起應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀的較大改變。

考慮到應(yīng)力應(yīng)變峰值的降低會(huì)引起載荷直線下降,導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂,引起材料抗彎拉強(qiáng)度的降低。雖然試件應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值和材料抗彎拉強(qiáng)度有所關(guān)聯(lián),但是圖1所示的不同老化時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變峰值并未表現(xiàn)出規(guī)律。為了深入分析試塊抗彎拉性能隨著老化時(shí)間增加的變化情況,應(yīng)用試驗(yàn)機(jī)壓頭進(jìn)行材料壓縮處理。其中,以壓頭位移為基礎(chǔ)獲取應(yīng)變位移,得到不同老化時(shí)間的抗彎拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果,如圖2所示。

圖2 紫外加速老化后試塊抗彎拉強(qiáng)度變化Fig. 2 Variation of flexural tensile strength of test block after UV accelerated aging

針對(duì)圖2所示的抗彎拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知,材料老化時(shí)間的增長(zhǎng)導(dǎo)致抗彎拉強(qiáng)度的降低,未經(jīng)過(guò)老化處理的試塊抗彎拉強(qiáng)度為33.5MPa,模擬1年老化試塊、3年老化試塊、6年老化試塊的抗彎拉強(qiáng)度分別為31.2MPa、30.1MPa、28.6MPa。通過(guò)計(jì)算試塊的抗彎拉強(qiáng)度衰減比例可知,環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料經(jīng)過(guò)模擬6年的老化處理,抗彎拉強(qiáng)度有所降低,但依舊保持在85%以上。表明材料的耐老化性能較好。

2.3 吸水率

針對(duì)不同老化時(shí)間的試塊進(jìn)行烘干稱重和泡水稱重,得到吸水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：未老化試塊的烘干后質(zhì)量為296.54 g,泡水后質(zhì)量為297.34 g；模擬1年老化試塊烘干后質(zhì)量為284.35g,泡水后質(zhì)量為285.40g；模擬3年老化試塊烘干后質(zhì)量為263.14g,泡水后質(zhì)量為266.00 g；模擬6年老化試塊烘干后質(zhì)量為250.29g,泡水后質(zhì)量為258.99g。

由以上數(shù)據(jù)可知,隨著老化時(shí)間的增加試塊的烘干后質(zhì)量、泡水后質(zhì)量均處于不斷降低的狀態(tài),結(jié)合公式計(jì)算可知,未經(jīng)過(guò)老化處理的試塊吸水率為0.2%,隨著老化時(shí)間的變化,1年、3年、6年后試塊的吸水率分別增加至0.4%、1.1%、3.5%。

2.4 表面接觸角

試塊表面接觸角直接反映了材料吸水性能,對(duì)比不同老化時(shí)間試塊的接觸角,可以直觀描述材料的耐老化性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,未經(jīng)老化、模擬1年老化、3年老化、6年老化試塊的表面接觸角分別為141°、141°、100°、82°。第1年試塊的表面接觸角基本不會(huì)發(fā)生變化,此后會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。結(jié)果表明,混凝土材料受到紫外光加速老化的影響,表面會(huì)發(fā)生一定程度的風(fēng)化,但是經(jīng)過(guò)表面打磨處理,試塊的憎水性就可以得到良好恢復(fù),這表明紫外光加速老化并未破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu),該混凝土材料具有較強(qiáng)的耐老化性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,分析環(huán)氧樹(shù)脂基混凝土材料的耐老化性能。利用紫外光加速老化處理的方式分析不同老化時(shí)間條件下抗彎拉強(qiáng)度、抗沖擊性能、吸水率以及表面接觸角的變化,明確材料的耐老化能力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土作為一種新型材料,具有良好的耐老化性能,將其應(yīng)用在建筑領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的應(yīng)用效果。文中得出的分析結(jié)果,為環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土材料的后續(xù)推廣應(yīng)用提供理論參考,但受到研究時(shí)間的限制,部分問(wèn)題研究還不夠深入,未來(lái)可以根據(jù)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的適用性進(jìn)行分析,獲取符合實(shí)際建筑要求的建筑材料。