冻融循环下环氧砂浆材料力学性能试验研究

万庆玲

(江西省源河工程有限责任公司，江西 南昌 330200)

1 概述

在自然环境和运行年限等多重因素的影响下，水利工程混凝土结构容易产生结构疲劳甚至破坏[1- 3]。环氧砂浆作为常用的水工混凝土修补材料，其能够有效解决混凝土裂缝问题并快速修补。李鹏等[4]制备了一种水性环氧砂浆并对其展开了试验研究，最后指出环氧水泥砂浆的最佳施工厚度为1～3mm，此时防护效果最好。此外，部分学者也提出采用环氧树脂改良碱性矿渣水泥砂浆或纤维增强砂浆等手段，能够有效提升环氧砂浆材料的修复效果和力学性能[5- 7]。

此外，冻融循环影响下，环氧砂浆修补材料的工程性能会产生一定的劣化效应。混凝土结构和修补材料的力学性能、稳定性在冻融循环的影响下不断变差，对其工程性能影响较大[8- 10]。然而，现有关于冻融循环影响下环氧砂浆材料力学性能的研究较少。因此，为研究冻融循环影响下环氧砂浆材料的工程力学性质，本文对不同冻融循环次数下的环氧砂浆材料开展了质量损失率、抗压强度及抗折强度试验，以期研究成果为我国水利工程混凝土修复工作提供一定的指导作用。

2 试验设计

2.1 原材料

本次试验所用环氧砂浆材料的制备涉及到的原材料主要包括：①E- 44型环氧树脂，材料的环氧当量为210～230g/mol，软化点为14～23℃；②稀释剂，主要成分为环氧氯丙烷；③石英砂，密度约为1.48g/cm3；④固化剂；⑤增韧剂，添加量为2%～5%。

2.2 材料制备

环氧砂浆材料的制备工序复杂，主要涉及到以下流程：①将环氧树脂、稀释剂和石英砂混合制备为环氧砂浆组分A，再将固化剂、增韧剂、稀释剂及其他助剂混合得到组分B；②将砂浆A和B按照15∶1的质量比混合，再以30rpm的速率混匀搅拌10min，直至浆液颜色均匀且无凝结块体；③将拌制好的环氧砂浆分2次装填入模具中，每次都用振捣棒振实，刮去高于模具边缘的砂浆，并用抹刀将试件表面压平抹光，在室温条件下进行养护28d直至凝结、结石；④利用冻融循环试验机对养护成型后的环氧砂浆材料试样进行冻融循环处理，冻融循环次数分别为0、50、100、150、200次。冻融试验过程中，冻结温度下限为-20℃，解冻温度为室温，每次冻结时间为30min。

2.3 试验设计

为研究冻融循环试验条件下环氧砂浆材料的综合工程性质，本次研究室内制备了不同冻融循环次数下(n=0、50、100、150、200)环氧砂浆养护成型试样，并对其展开了质量测试、抗压强度测试以及抗折强度试验。其中，质量测试的研究对象为冻融循环次数为200次的环氧砂浆成型试样，在其分别经历0、50、100、150、200次冻融循环后及时展开质量测试。抗压强度试验和抗折强度试验则是分别针对不同循环次数下的环氧砂浆养护成型试样展开，试验设备为万能试验机。抗压强度试验所用试样为150mm×150mm×150mm的立方体标准试样，抗折强度试验则采用150mm×150mm×600mm的棱柱标准试样。

3 试验结果分析

3.1 质量损失率

根据冻融循环200次环氧砂浆试样的质量测试结果，得到其试样的质量和质量损失率随冻融循环次数变化关系如图1所示。由图1可知，环氧砂浆试样的质量逐渐减小、质量损失率逐渐增大。结合试样表面观测结果进行分析，笔者认为，在冻融循环的影响下，环氧砂浆材料表面出现了小范围的局部损失现象，且这种情况随着冻融循环次数的增加而不断变得明显，因此环氧砂浆材料的质量逐渐减小。进一步分析可以发现，经过50次冻融循环处理的环氧砂浆质量损失率为2.14%，而经过200次冻融循环处理的环氧砂浆试样的质量损失率也仅有5.64%。上述研究结果表明，即使在200次-20℃～常温的冻融循环影响下，环氧砂浆材料也能保持较好的稳定性，材料的质量损失很小。

图1 环氧砂浆材料质量随冻融循环次数变化关系

3.2 抗压强度

室内对不同冻融循环次数下(n=0、50、100、150、200)的环氧砂浆成型试样展开了抗压强度试验，得到其抗压强度随冻融循环次数变化关系见表1。由表1可知，随着冻融循环次数的增加，环氧砂浆成型试样的抗压强度呈现出先增大后减小的变化趋势。初始条件下(n=0)，养护28d后的环氧砂浆试样的抗压强度为86.43MPa。随后，材料的抗压强度逐渐增大，并且在冻融循环次数为100次时取得最大值，此时其立方体抗压强度为95.09MPa，较EM- 1试样强度提升10.02%。此后，材料的抗压强度逐渐减小，当冻融循环次数为200次时，材料的抗压强度为82.11MPa。分析认为，相较于水泥基材料，环氧砂浆材料具有韧性高、密实等特殊优势。在冻融循环过程中，水分很难渗入到环氧砂浆材料内部，因此冻融循环并不会导致内部出现大范围的冻涨损伤。此外，冻融循环在一定程度上会引起环氧树脂材料的冻结硬化，因此，在100次冻融循环下，材料的抗压能力得到了很好的加强，因此其抗压强度出现了增大现象。

表1 不同冻融循环次数下环氧砂浆材料抗压强度

3.3 抗折强度

不同冻融循环次数下环氧砂浆材料的抗折强度如图2所示。由图2可知，当冻融循环次数为0时，环氧砂浆材料的抗折强度为27.14MPa，此后，材料的抗折强度分别为26.33、25.20、23.88、23.01MPa，较初始条件下分别降低2.98%、7.15%、12.01%、15.22%。进一步对环氧砂浆材料抗折强度和冻融循环次数之间的关系进行拟合，发现二者之间符合负线性函数关系，即，材料的抗折强度随冻融循环次数成线性逐渐降低的变化趋势。线性相关系数为0.9919，拟合效果良好。

图2 环氧砂浆材料抗折强度随冻融循环次数变化关系

4 结论

(1)随着冻融循环次数的不断增加，环氧砂浆试样的质量和抗折强度逐渐减小。经过200次冻融循环处理的环氧砂浆试样，其质量损失率为5.64%，抗折强度则相对降低15.22%。

(2)随着冻融循环次数的增大，材料的抗压强度呈现出先增大后见效的变化趋势。n=0时，环氧砂浆试样的抗压强度为86.43MPa；此后材料的抗压强度逐渐增大，并且在冻融循环次数为100次时取得最大值，此时其立方体抗压强度为95.09MPa，较EM- 1试样强度提升10.02%。

(3)本次研究仅从物理参数和力学性质角度分析冻融循环次数对材料性质的影响，缺乏微观结构分析，下一步应当开展电镜扫描试验展开相关研究。