环氧乳液掺量对UHTCC修复材料不同性能的影响研究

杨元郑,焦晓东

(1.广西桂通工程管理集团有限公司,广西 南宁 530029;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

“十三五”以来,随着国家交通强国、西部陆海新通道等战略的实施,广西区内的交通基础设施建设迎来大发展,尤其是公路建设领域,截至目前广西公路总里程已>14.5万km,其中高速公路总里程已突破8 000 km,实现了“县县通高速”。广西多山的地势导致在公路的建设过程中桥梁占比较高,桥梁伸缩缝作为连接桥梁结构的重要组成部分,其在运营过程中因汽车荷载、气候等因素的复杂性经常会出现锚固区混凝土损坏的情况,大大降低了伸缩缝的服役寿命[1]。伸缩缝锚固区的混凝土通常为C50等级的普通水泥混凝土,具有抗压性能优异但抗拉性能差、脆性大的特点,这使其在温度应力和动载荷作用下容易发生开裂,同时研究发现随着混凝土抗压强度的提升,混凝土的脆性也随之增大,这为高强混凝土在桥梁结构领域的应用带来了局限[2]。

1993年美国密歇根大学Li Victor C开发的工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC),在我国被称为超高韧性水泥基复合材料(Ultra-high toughness cementitious composites,UHTCC)[3]。其由水泥、细硅砂、粉煤灰、聚合纤维、水和高效减水剂组成,其优异的拉伸性能主要是通过纤维和基体之间的相互作用来实现的,是一种基于微观力学调控的高性能纤维增强水泥基复合材料[4-6]。近年来研究者发现使用聚合物改性的新型混凝土和砂浆用作修补材料,同普通水泥砂浆相比,具有优异的力学性能和抗冻融、抗氯离子、抗碳化和抗化学腐蚀性能等耐久性能,因此各类聚合物被引入混凝土材料体系作为性能增强材料[7-10]。部分学者研究发现[11-13],环氧类物质可以有效改善材料的粘结性能,以提高纤维与基体之间的界面结合力。但是,相关报道多集中于单一环氧乳液作用下UHTCC的拉伸性能,且不同文献结果存在差异。因此,需要更为广泛的研究工作,以探索聚合物在UHTCC中的作用机制。

本文通过引入不同类型的环氧乳液,并调整环氧乳液的掺量,研究环氧乳液对UHTCC不同性能的影响,以期为此类材料在桥梁伸缩缝维修养护方面提供新的应用思路。

1 试验

1.1 原材料

(1)水泥等级为P.O42.5R,密度为3.1 g/cm3,其基本性能见表1。

表1 水泥性能表

(2)粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰,比表面积为3 850 cm2/g,密度为2.8 g/cm3;微珠为粉煤灰微珠,比表面积为4 030 cm2/g;硅灰为重庆某公司生产,SiO2占比>94%,比表面积为10 900 cm2/g。

(3)细骨料为南宁某石英砂厂生产的38μm(400目)石英粉。

(4)外加剂为广西某公司生产的ZJ13型减水剂,减水率为27%。环氧乳液为盛禧奥聚合物有限公司生产的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型环氧乳液,固含量(质量分数)为47%。

(5)聚乙烯醇(PVA)纤维为重庆川维石化有限公司生产,其性能如表2所示。

表2 PVA纤维性能表

1.2 试验的配合比设计

试样的基准配合比设计如表3所示,环氧乳液改性UHTCC修复材料的配合比设计如表4所示,K1、K2、K3试样分别代表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型环氧乳液掺量为2%;K3、K4、K5、K6、K7试样代表Ⅲ型环氧乳液掺量分别为2%、3%、4%、5%、6%。其中,PVA纤维的掺量为混合料体积的占比,其他材料掺量均以水泥的质量为基准,改性UHTCC的水胶比、砂胶比、粉煤灰、硅灰、微珠、减水剂以及PVA用量与基准配合比相同。

表3 UHTCC修复材料基准配合比表

表4 改性UHTCC修复材料的配合比表

1.3 试样的制备与测试方法

将水泥、粉煤灰、微珠以及石英砂按照顺序依次加入搅拌机中,搅拌120 s至干粉混合均匀,然后加入水、减水剂和环氧乳液,拌和180 s后加入PVA,高速搅拌240 s至拌和均匀,成型不同尺寸的试件,24 h后脱模,放入标准养护箱中养护至相应测试龄期。

性能测试:(1)拌和物的工作性能测试依据为《普通混凝土拌和物性能试验方法》(GB/T 50080-2016)测试;(2)试件的抗压强度测试依据为《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002);(3)试样的弹性模量与轴向拉伸强度测试依据为《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019);(4)试样的抗渗性能测试依据为《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)。

2 结果分析

2.1 工作性能

图1所示为拌和浆体的工作性能测试结果,桥梁伸缩缝锚固区混凝土修复材料施工中的坍落度通常要求>120 mm,从图1可以看出,所有配合比修复材料的坍落度均>200 mm,能够达到自密实自流动的效果,满足其施工要求。同时K1试样(Ⅰ型环氧乳液)和K2试样(Ⅱ型环氧乳液)相比基准K0(未添加环氧乳液)试样,UHTCC修复材料的坍落度略有提升,而K3试样(Ⅲ型环氧乳液)会明显降低拌和物的工作性能,2%掺量下的坍落度和扩展度仅有245 mm、500 mm,远低于基准K0(未添加环氧乳液),但随着Ⅲ型环氧乳液掺量(K3～K7试样)从2%增加至6%,材料的坍落度和扩展度均在增加,这表明不同类型的环氧乳液对UHTCC修复材料工作性能有着不同的作用效果,其中Ⅰ型和Ⅱ型环氧乳液两种环氧乳液可以降低拌和物的黏度,在较低掺量下改善拌和物的工作性能,而Ⅲ型环氧乳液则会增加拌和物的稠度,降低其工作性能,但随着其掺量的增加,拌和物的工作性能也得到改善。

图1 UHTCC修复材料的工作性能对比柱状图

2.2 抗压强度

下页图2所示为养护至不同龄期时试样的抗压强度。抗压强度是桥梁伸缩缝锚固区混凝土设计时的重要指标。《公路桥梁伸缩装置》(JT/T 327-2004)中规定桥梁伸缩缝锚固区普通混凝土的强度等级通常为C50以上,即混凝土材料28 d抗压强度要求为50 MPa以上。从图2可以看出,所有配合比的UHTCC修复材料的28 d抗压强度均>60 MPa,满足设计使用要求。

图2 UHTCC修复材料试样的抗压强度对比柱状图

从图2还可以看出,添加环氧乳液的UHTCC修复材料抗压强度随着养护龄期的延长而增加,但是与基准试样K0(未添加环氧乳液)相比,其抗压强度大幅度下降。这可能是在引入环氧乳液的同时,增大了胶凝材料体系的水胶比,同时破坏了试样整体结构的均一性。当Ⅲ型环氧乳液掺量(K3～K7试样)从2%增加至6%时,材料在各个龄期的抗压强度均呈现出先降低后增加的趋势,当掺量为4%时,试样(K5)的抗压强度最低,这说明Ⅲ型环氧乳液对于材料抗压强度的影响存在一个阀值。而在环氧乳液掺量均为2%的条件下,当养护龄期为3 d时,添加Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种环氧乳液试样(K1～K3)的抗压强度相比基准试样K0(未添加环氧乳液)分别降低为11.6%、14.3%、16.1%。而在养护至7 d及28 d龄期时,三种试样的变化趋势发生了改变,K3试样(Ⅲ型环氧乳液)的抗压强度高于K1试样(Ⅰ型环氧乳液)与K2试样(Ⅱ型环氧乳液)。表明不同类型的环氧乳液对UHTCC的抗压强度的作用效果存在差异,可能是因为环氧乳液与胶凝材料形成了包覆体系,导致被包覆的颗粒水化延缓或者终止,增加了水化产物之间的微观距离,从而使试样的抗压强度降低,而Ⅲ型环氧乳液其作用机理同Ⅰ型、Ⅱ型存在差异,作用效果减弱,使后期的强度发展较快[14-15]。

2.3 弹性模量

弹性模量是UHTCC修复材料作为桥梁伸缩缝锚固区病害修复研究的重要内容之一,是模拟实际道路车辆荷载下锚固区材料抵抗破坏的重要参数。其弹性模量测试结果如图3所示。与基准组试样K0(未添加环氧乳液)相比,添加不同种类和掺量的环氧乳液后,各组(K1～K7)试样的弹性模量均出现不同程度的增加,这主要是因为有机-无机交联结构的形成,试样中吸收能量的机制增多,试样在弹性变形阶段所能承载的载荷增加,从而使得试样的弹性模量增大,抵抗破坏的能力增强。

图3 UHTCC修复材料试样的弹性模量对比柱状图

2.4 抗渗性

采用电通量法进行混凝土抗氯离子渗透性评价,电通量越小,说明材料的抗渗能力越优异。如图4所示为养护至28 d时试样的电通量,分析试验结果发现,与基准组K0(未添加环氧乳液)试样相比,在添加环氧乳液后试样的电通量下降明显,这说明环氧乳液的添加增强了UHTCC修复材料的抗渗性能。主要是由于随着环氧乳液的添加,UHTCC修复材料体系中的有机-无机交联结构以及乳液形成的膜结构降低了内部水分的蒸发,抑制了部分有害毛细孔的产生,从而减少了氯离子在材料内部的迁移通道,增强了材料抗氯离子渗透的能力。同时还可以发现添加三种环氧乳液试样的电通量相差较小,表明三种环氧乳液的作用效果相当。增加Ⅲ型环氧乳液的掺量,发现K4、K5、K6以及K7试样的电通量在141 C左右,并无明显的变化趋势,这表明在6%掺量范围内,增加Ⅲ型环氧乳液的掺量对试样的抗氯离子渗透性能影响较小。

图4 UHTCC修复材料试样的电通量对比柱状图

3 结语

通过添加环氧乳液对UHTCC性能影响的系列研究,得到以下结论:

(1)不同类型的环氧乳液对UHTCC性能的影响存在差异,2%掺量的Ⅰ型、Ⅱ型环氧乳液均可以提升UHTCC的工作性能,而Ⅲ型环氧乳液在掺量较高时才对UHTCC工作性能起到提升效果。

(2)在UHTCC中添加环氧乳液会引起其抗压强度不同幅度的下降,但是可增强UHTCC的弹性模量,提高其抵抗外界荷载破坏的能力。同时,适宜掺量的环氧乳液可以改善材料的抗氯离子渗透性能。

(3)选择合适类型和掺量的环氧乳液会对UHTCC的力学性能以及耐久性能起到改善作用,可大大提升伸缩缝锚固区混凝土病害的修复效果,提升其运营期间的寿命。