隧道工程用环氧树脂基混凝土配合比设计试验研究

罗宏涛

（甘肃路桥第四公路工程有限责任公司，兰州 730050）

受地理因素的影响，我国隧道所处地段多半都在山区，恶劣的环境因素导致隧道混凝土很容易出现病害，如开裂、漏水等。如何提高隧道混凝土性能，进而加强对隧道工程路面中混凝土的修补，是目前研究的重点课题。而在这其中，最为关键的是要解决隧道路面混凝土自身力学性能和抗冲击性能等问题，这样才能更好的提高隧道工程路面的使用寿命。如黄德楷（2019）尝试在隧道混凝土中掺入一定的粉煤灰，并就粉煤灰添加量对其性能影响进行探讨，以此提高混凝土的压缩性能[1]；高建平（2019）则尝试对隧道二次衬砌混凝土的配比进行优化，得出二次衬砌混凝土性能的最佳配比[2]；钱慧丽（2013）等则尝试在混凝土中加入环氧树脂，试验表明随着掺量的增加，混凝土的抗冲击性能。以上专家的研究给隧道混凝土配比优化提供了理论基础，但对于隧道路面混凝土的修补还存在一定不足。因此，本研究尝试用环氧树脂胶为基底，制备环氧树脂基混凝土，并寻找最佳配比，以求制备出一种高性能的隧道混凝土，为隧道工程混凝土发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料与设备如表1、表2所示。

表1 试验主要材料Tab.1 Main test materials

表2 试验主要设备Tab.2 main test equipment

1.2 样品制备

1.2.1 环氧树脂基体制备

环氧树脂固化到获取稳定力学性能的时间决定了环氧树脂基混凝土的养护时间。参照《塑料拉伸性能测试方法》，将双酚A 环氧树脂与胺类固化剂按比例混合，混合均匀后浇筑在橡胶模具中，在烘箱内分别养护1~4d。试件脱模后，按图1中的尺寸制备标准环氧树脂基体拉伸试件。

图1 环氧树脂基体拉伸试件Fig.1 Epoxy resin matrix tensile test piece

1.2.2 混凝土试件制备

1）提前对骨料进行预热备用，将骨料和环氧树脂胶搅拌均匀，使所有骨料和胶粘剂混合均匀，骨料间相互裹挟即可。

2）将搅拌均匀的环氧树脂骨料倒入模具后夯实，在倒入模具时，保证相同配比填充料的用量一致，确保密度的一致性。

3）将模具放置于25℃环境下养护3d，脱模成型，得到试件。

为对比不同影响因素给环氧树脂基混凝土弯曲拉伸、压缩强度、级配敏感性的影响，按照胶石比8%、11%、13%制备环氧树脂基混凝土；试件养护3h、6h、9h、12h、24h和48h；粒径大于4mm的粗骨料占比为40%、50%、60%。

1.3 性能测试

1.3.1 环氧树脂基体力学性能

1）拉伸性能测定：在基体制备过程中，因环氧树脂会产生较大变形，可忽略与夹具产生的滑移，所以可利用试验机位移来计算应变。将拉伸试件放置于万能试验机上，按照1mm/min 的速率进行加载。，直至试件出现断口。具体拉伸强度用公式（1）计算。

式中，T表示试件破坏时的最大荷载（N）；bER表示试件拉断截面的宽度（mm）；hER表示试件拉断截面的厚度（mm）；σTER表示基体的拉伸强度（MPa）。

2）压缩强度试验方案：依据《GBT 1041-1992塑料压缩性能试验方法》，提前对试件进行养护，养护时间为3d，脱模后按图2的标准制备环氧树脂基体试件。

图2 压缩试件Fig.2 Compression specimen

将压缩试件放置于WAW-100B 电液伺服万能试验机上，按照1mm/min的速率进行加载。压缩强度用公式（2）计算。

式中，F 表示试件破坏时的最大载荷（N）；S 表示试件截面面积（mm2）。

1.3.2 环氧树脂基混凝土性能测试

1）环氧树脂基混凝土弯曲拉伸试验：参考《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，将环氧树脂混凝土弯曲拉伸强度试件尺寸设定为50mm×50mm×200mm。按照以上标准分别制备胶石比为8%、11%、13%的环氧树脂基混凝土，分别利用30kN万能试验机和电液伺服万能试验机以2mm/min的速率对试件进行弯曲拉伸强度试验和压缩强度试验。弯曲拉伸强度可用公式（3）计算得知，此时弯曲拉伸强度对应的应变计算公式（4）。

式中，P 表示最大载荷（N）；L 表示跨径（mm）；b 表示试件宽（mm）；h 表示试件高（mm）；f表示试件与夹头接触点的挠度（mm）。

2）环氧树脂基混凝土的压缩强度试验：参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，制备100mm×100mm的环氧树脂基圆柱形混凝土。压缩强度用公式（5）计算，压缩强度对应的应变用为公式（6）。

式中，P表示最大载荷（N）；r表示试件半径（mm）；f表示压头下降的高度（mm）；h表示试件高（mm）；

2 结果与讨论

2.1 环氧树脂基体的力学性能测试结果

2.1.1 拉伸试验结果分析

在试验过程中，若试件断口处明显气泡，则测试结果无法真实反映材料的强度真实值，该组试验结果舍弃。将不同养护时间的平均拉伸强度结果统计为表3，从表3 可看出，环氧树脂基体拉伸强度随养护时间的增加而增加，养护3d 后，强度值逐渐趋于稳定，此时拉伸强度值为44.6MPa，因此可以推断，环氧树脂基混凝土的最低养护时间为3d。

表3 环氧树脂基体不同养护时间的拉伸强度Tab.3 Tensile strength of epoxy resin matrix at different curing time

2.1.2 压缩试验结果分析

表4为环氧树脂基体的压缩强度及平均值。通过计算5组试验计算得到平均压缩强度为97.2MPa。

表4 环氧树脂基体抗压强度Tab.4 Compressive strength of epoxy resin matrix

2.2 环氧树脂基混凝土性能测试结果

2.2.1 胶石比对弯曲拉伸强度和压缩强度的影响

图3 为胶石比8%时试件断裂后内部结构图，从图3可看出，胶石比较低的试件断面呈现凹凸不平的状态，有些粗骨料从试件中拔出，此现象说明了胶石比较低时，基体与骨料间的粘接程度不牢靠。

图3 试件断裂后内部结构图Fig.3 Internal structure of specimen after fracture

表5 表6 分别为环氧树脂基混凝土不同胶石比的弯曲拉伸强度试验结果和压缩强度试验结果。根据结果可知。胶石比的增加，环氧树脂基混凝土弯曲拉伸强度和压缩强度也增加。当胶石比的大小在8%时，此时的弯拉强度为7.8MPa，满足公路水泥混凝土荷载等级要求，但压缩强度达不到C30的混凝土轴心压缩等级强度。而胶石比为11%时，可达到C30混凝土轴心压缩强度等级，综上分析，胶石比为11%时，可达到弯曲拉伸强度和压缩强度要求。

表5 环氧树脂基混凝土弯曲拉伸强度试验结果Tab.5 Test results of flexural tensile strength of epoxy resin based concrete

表6 不同胶石比的环氧树脂基混凝土的压缩强度试验结果Tab.6 test results of compressive strength of epoxy resin based concrete with different rubber aggregate ratio

2.2.2 养护时间对压缩强度的影响

表7为不同养护时间对压缩强度影响结果，从表7可看出，环氧树脂基混凝土养护时间为3h时，压缩强度较低，只有7.46MPa。当养护时间为9h时，压缩强度达到水泥混凝土C30 水平。养护时间为24h 时，压缩强度达到了50.21MPa，并逐渐趋于稳定。由此可看出，养护时间对抗压强度影响主要分为3 个阶段，第1 阶段为9h 之前，是快速提高阶段，以3.4MPa/h 的速率增加；第2 阶段为9~12h，为缓慢提高阶段，以1.3MPa/h的速率提高；第3阶段为稳定阶段，整个过程大概有1.5MPa 提高。综合上述分析，将该环氧树脂基混凝土运用在实际工程中，对隧道辅装层进行修补后只需养护9~12h即可通车。

表7 养护时间对压缩强度影响试验结果Tab.7 Test results of influence of curing time on compressive strength

2.2.3 级配敏感性试验结果

表8 为级配敏感性的弯曲拉伸试验结果，从表8可看出，三者的弯曲拉伸强度变化不明显，大致相同，此现象说明了粗骨料占比为40%~60%时，环氧树脂基混凝土级配影响较小。

表8 环氧树脂基混凝土弯曲拉伸强度Tab.8 Flexural tensile strength of epoxy resin based concrete

3 结语

本文采用环氧树脂胶体与骨料混合，制备环氧树脂基混凝土，通过对环氧树脂基体和环氧树脂混凝土进行基本性能试验，探究了胶石比、养护时间对环氧树脂基混凝土性能影响，具体结论如下：

1）拉伸及压缩强度表明，环氧树脂基体经固化剂作用养护3d 后的拉伸强度趋于稳定，拉伸强度值为44.6MPa左右，平均压缩强度为98.4MPa。

2）环氧树脂基混凝土弯曲拉伸强度和压缩强度结果表明，胶石比为8%时弯曲拉伸强度已经能够满足铺装材料的相关规范要求，但压缩强度要求无法达到，胶石比为11%时，可达到C30水泥混凝土压缩强度要求，所以工程上对铺装材料的最小胶石比为11%，此时抗弯拉强度为13.75MPa，压缩强度为48.75MPa。

3）环氧树脂基混凝土养护时间对压缩强度影响主要分为3 个阶段，其中9~12h 为缓慢提升压缩强度阶段，此时压缩强度可达到C30水泥混凝土水平，超过12h，压缩强度增长趋于稳定，即该环氧树脂基混凝土用于铺装层修补时，养护9~12h即可通车。

4）级配敏感性试验结果表明，当粗骨料占比40%~60%时，环氧树脂基混凝土的级配影响较小。

综上所述，当环氧树脂基混凝土配比为粗细骨料占比各为50%，养护时间3d，胶石比11%时，力学性能满足工程要求。若用于隧道工程中路面的修补，养护9~12h即可使用。