基于正交试验的超早强环氧砂浆配合比优化

唐江明

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)



基于正交试验的超早强环氧砂浆配合比优化

唐江明

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

摘要：通过对普通环氧砂浆添加促进剂并运用正交试验法优化环氧砂浆配合比，研究了填料掺量、稀释剂掺量、固化剂掺量、促进剂掺量四个因素对环氧砂浆早期强度的影响规律。结果表明：填料掺量对环氧砂浆的抗压强度、劈裂强度的影响最为显著，得到最优化组合为A2B2C3D2。验证组的测试表明经优化的配合比环氧砂浆超早期(4 h,养护温度25 ℃)抗压强度可达71.4 MPa,劈裂强度6.72 MPa，经现场拉拔测试抗拔力达到171 kN。可应用于结构植筋、交通工程的快速修补等工程。

关键词：超早强环氧砂浆；配合比优化；正交试验；抗压强度；劈裂强度；抗拔力

交通工程快速抢修、救灾加固等特殊工程对超早强建筑胶黏材料提出较高要求。为此一大批学者对此展开了研究：无机方面有查炎鹏[1]、周华新[2]、代国忠[3]、王晓翠[4]等众多学者，他们以高铝水泥或普通硅酸盐水泥为基础，通过添加减水剂、早强剂等外加剂，研制出了超早强的水泥砂浆类建筑胶黏材料，但上述研究成果的超早期强度还是难以满足军事、抢险救灾等工程的需求。有机方面，黑龙江石化院以聚醚巯为固化剂先后研发了改性环氧树脂快固胶J-156、J-182、J-183等产品；兵工部53所研发的WJ-53-HN50胶黏剂虽然凝胶时间短、固化速度快，但是固化温度必须保持在25～30 ℃，且主要用于金属之间的粘结[5]。本文针对目前环氧砂浆固化慢、超早期强度低等缺点进行研究，配制克服这些缺点的超早强环氧砂浆。

1 环氧砂浆的强度形成机理及影响因素

环氧砂浆是环氧树脂、固化剂、稀释剂、填料等经过复杂物理作用及化学反应而生成的建筑胶黏复合材料，其中填料降低固化时收缩率和热膨胀系数，改善环氧树脂固化的脆性，大粒径填料形成骨架结构，有利于提高抗压强度。王伟的研究表明填料掺量的增加，能有效提高环氧砂浆的抗压强度及其弹性模量，但对抗拉强度有较大影响，且这些影响随着填料的增加其趋势逐渐减缓[6]。环氧树脂作为胶黏剂将填料包裹粘黏在一起再与固化剂发生聚合反应形成立体网状结构的高分子化合物。在此通过分析环氧砂浆在制备和反应过程中发生的物理变化和化学反应来研究影响超早期强度的影响因素。

(1)环氧树脂-固化剂体系对填料的浸润作用。影响浸润作用的两个主要因素是环氧树脂的初期粘度和胶液与填料的相容性。各种无机填料，特别是中性或弱碱性的石料、矿粉、水泥、矿渣在环氧树脂稀释液中能够达到很好的浸润效果[7]，因此在本试验中采用河砂与水泥作为填料。

表1 最大密度曲线各粒径通过百分率

由计算结果可知：各级粒径之比为29%∶21%∶15%∶10%∶25%，也即砂∶水泥为3∶1。温度控制：在环境温度较低时，环氧树脂流动性较小，可以对其进行水浴加热(水浴温度不得超过80 ℃)，提高其流动性。

(3)固化物形成过程。在一定的条件下环氧树脂与固化剂反应，经历胶液凝胶三维交联过程形成固化物。主要的影响因素是体系的热历程，包括：预热温度、升降温速度、固化温度、固化时间、养护条件及时间等。研究指出加入促进剂可以降低体系的反应温度[11]，固化时间缩短[12]，这是因为加入促进剂后，放热效率明显增大，在一定程度上降低了体系的反应温度，缩短了固化时间，但是当促进剂DMP-30过量时，其与一部分E-44发生反应，部分固化剂处于游离状态，反而进一步降低了固化物的交联密度，影响固化反应速率及固化物的物理性能[13]。故本文通过添加促进剂DMP-30并运用正交试验确定最佳掺量来提高固化速率，以达到超早强的目的。

(4)环氧材料界面层结构的形成。它是随着环氧树脂固化反应的进行逐步形成的。不仅取决于胶液配方和体系的热历程，而且还与填料等材料的表面性能密切相关。主要要求填料不含结合水，对环氧树脂及固化剂为惰性，对液体和气体吸附性较小，甚至无吸附性。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

环氧树脂：采用南通星辰合成材料有限公司生产的双酚A型(6101)，环氧值为0.44 mol/(100 g)。稀释剂：采用上海久亿化学试剂有限公司生产的分析纯丙酮。固化剂：采用广东葵邦化工有限公司生产的第三代改性T31。促进剂：采用广东葵邦化工有限公司生产的DMP-30。填料(细集料)：采用南京当地的河砂， 细度模数为2.7， 属于中砂，经烘干含水率<0.5%。水泥：采用南京江南一小野田水泥有限公司生产的P.II42.5硅酸盐水泥。

2.2 试验方法

2.2.1 环氧砂浆正交抗压、劈裂试验

参照国家标准《建筑砂浆基本性能试验方法与标准》和《普通混凝土力学性能试验方法标准》,采用万能材料试验机测试抗压强度和劈裂强度.试件尺寸分别为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm。

2.2.2 经配合比优化的环氧砂浆锚固力测试

(1)在弱风化的花岗岩(花岗岩力学参数为：单轴抗压强度为104 MPa,劈裂强度为3.85 MPa)中钻直径32 mm、深度25 cm的孔洞。

(2)将∅20 mm的HRB400螺纹钢用环氧砂浆植入其中，注意钢筋要垂直插入孔洞。

(3)4 h后，用拉拔仪测其抗拔力。

3 正交试验设计

3.1 试验指标

项目研究目的是用于抢险救灾结构物的植筋加固、交通工程抢修等特殊工程情形，要求环氧砂浆快速凝固及早承载。因此，主要考察环氧砂浆4 h的单轴抗压强度和劈裂强度。

3.2 正交试验设计

通过对影响环氧砂浆强度的因素进行研究得出正交试验的因素及水平如表2所示。

表2 正交设计试验因素水平表　g

注：表中数据为每1 g环氧树脂所耗用其他材料的量。

由表2可知，本试验为L9(34)四因素、 三水平正交试验，其与三因素 、 三水平正交试验L9(33)设计原理类似，故可按照相关原则选用正交试验表格[14]。试验方案及强度数据如表3所示。

4 正交试验结果及分析

4.1 正交试验结果

表3 正交试验方案及强度数据表

正交试验的数据结果如表4所示。

表4 正交试验结果数据表　MPa

注：Ki表示任一列上水平号为i(i=1、2、3)时所对应的试验结果之和；ki表示任一列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值；R为极差，在任一列上的最大值与最小值之差，通过R的大小可以判断各因素的水平改变对试验结果影响的大小，R值越大影响越大，反之亦然。

4.2 物理力学性能影响因素分析

4.2.1 填料的影响

环氧砂浆4 h抗压强度随着填料用量的增大抗压强度增大，而劈裂强度随着填料的增大而减小。填料颗粒均匀分散在环氧树脂基体中，形成骨架，有利于降低胶粘体的收缩从而降低环氧树脂固化过程中的残余应力，所以当填料增加抗压强度也随着增大；但是填料的增加致使单位体积环氧砂浆的环氧树脂掺量减少，导致粘结强度变小，从而劈裂强度减小。

4.2.2 稀释剂的影响

环氧砂浆的抗压强度和劈裂强度随着稀释剂掺量增大呈现先增大后减小的变化趋势。添加稀释剂的目的是为了降低树脂的粘度，提高环氧树脂对砂粒的浸润力从而提高环氧砂浆的强度，但是掺量过大会导致多余的稀释剂残留在砂浆里，影响固化过程最终影响环氧砂浆的强度。

4.2.3 固化剂的影响

从图1和图2可知，环氧砂浆在固化剂掺量C1水平(0.22 g)固化剂不足(经计算理论掺量为0.26 g)时，导致环氧树脂固化不完全，材料变形小强度低。随着掺量的增加环氧树脂砂浆的抗压强度、劈裂强度也随着增大，在掺量为C3水平(0.3 g)时，抗压强度、劈裂强度均达到最大。

图1　影响环氧砂浆4 h抗压强度的因素分析图

图2 影响环氧砂浆4 h劈裂强度的因素分析图

4.2.4 促进剂的影响

从图1、图2可知，抗压强度、劈裂强度随着促进剂的增加呈现先增大后减小的趋势。这是由于促进剂的加入在一定程度上降低了体系的反应活化能，反应程度得到提高，促进了环氧固化物交联结构的完整性。但加入过量的促进剂会使体系固化反应过快，链段得不到有效调整，从而导致固化物内应力过大，粘结强度降低[15]。

综上，由表4中极值R的大小及以上影响因素分析可知，影响抗压强度因素的主次顺序为：填料、固化剂、促进剂、稀释剂。其优化组合为A3B2C3D2。影响劈裂强度因素的主次顺序为：填料、稀释剂、固化剂、促进剂，其优化组合为A1B2C3D2。由此可知抗压优化组合和劈裂优化组合不同之处在于填料掺量，在做正交试验时发现填料掺量越大，环氧砂浆的流动性越小，在填料掺量A2水平时流动性比较适中便于施工，同时也综合平衡了抗压强度和劈裂强度。最后确定最优组合为A2B2C3D2。

4.3 优化组合验证试验

按照优化组合的配合比拌制环氧砂浆并制作试件，经抗压、劈裂试验测试得出抗压强度为71.4 MPa、劈裂强度为6.72 MPa。同时进行了现场锚杆锚固力测试，锚杆达到极限承载能力171 kN被拉断破坏。这表明经优化的环氧砂浆能够满足抢修等特殊工程需要，具有工程应用价值。

5 结论

(1)填料的掺量是影响抗压强度和劈裂强度的主要因素，随着填料掺量的增加抗压强度增大，但劈裂强度反而减小。

(2)经综合分析得出最优组合A2B2C3D2，并经验证测试抗压强度为71.4 MPa、劈裂强度为6.72 MPa，现场抗拔锚固力为171 kN。

本文主要是从添加促进剂和优化配合比这两大方面提高环氧砂浆的超早期强度，尚未考虑到稀释剂活性、偶联剂的影响。下步工作可以通过改变稀释剂的活性及添加偶联剂等工作进一步提高环氧砂浆的超早期强度。

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On the Optimization of the Mix Ratio of the Orthogonal-Test-Based Ultra-Early-Strength Epoxy Mortar

Tang Jiangming

(College of Field Engineering, Univ. of Sci. &. Tech. of the PLA,Nanjing 210007,China)

Abstract:The laws of the effects of the four factors of respectively the mixing amount of the filler, the mixing amount of the diluting agent,the mixing amount of the solidifying agent and the mixing amount of the activating agent are studied in the paper by adding the accelerator into the ordinary epoxy mortar and using the orthogonal test method.The test results show that the effect of the mixing amount of the filler on the compressive strength and the splitting strength of the epoxy mortar is the most obvious, with the most optimal combination of A2B2C3D2 obtained.Tests of the validation group show that the ultra-early compressive strength of an optimized mix epoxy mortar is up to 71.4 MPa,and the splitting strength is 6.72 MPa,with the field-tested drawing pullout force reaching 171 kN,in which case it can be applied to anchorage structures and the rush-repair of traffic projects.

Key words:ultra-early-strength epoxy mortar； optimization of the mix ratio； orthogonal test；compressive strength;splitting strength;anti-uplifting force

收稿日期：2016-01-29

作者简介：唐江明(1985—)，男，硕士研究生，研究方向为建筑与土木工程649667269@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.006

中图分类号：TU578.1

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)03-0023-04