環(huán)氧樹脂膠泥在混凝土抗?jié)B試驗中的應(yīng)用
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尚守平， 呂軍在
（湖南大學土木工程學院，長沙410082）
[摘要] 混凝土試件的密封是混凝土抗?jié)B試驗能否成功的關(guān)鍵。針對混凝土抗?jié)B試驗中密封效果差的問題，對試驗中密封材料的封模方法進行了探究。以傳統(tǒng)的密封材料石蠟作為對比，在常溫下對不同比例固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥的脫模及密封效果進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧樹脂膠泥作密封材料方便可行、試驗結(jié)果穩(wěn)定，有效保證試驗中不會因密封材料原因?qū)е逻吘壨杆M而影響混凝土的抗?jié)B性能的判斷，大大提高了抗?jié)B試驗的成功率。
0 引言
水能直接導致混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)和硫酸鹽侵蝕，會造成混凝土品質(zhì)劣化。由于混凝土中大量孔隙的存在，水還能滲透到混凝土的內(nèi)部直接導致混凝土膨脹和開裂，因此混凝土的抗?jié)B性能是混凝土的一項重要的耐久性指標，是試驗時主要的檢測項目。
在傳統(tǒng)的混凝土抗?jié)B試驗中，密封方法是試驗能否成功的關(guān)鍵，也是難點。《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》( GB/T 50082-2009)中，混凝土的抗?jié)B試驗采用的是石蠟密封，但石蠟密封存在著許多問題，諸如密封效果差、溫度難控制、試驗成功率低等。而環(huán)氧樹脂能在潮濕面和水中自身成團固化，密封性好，近幾年發(fā)展很快。將環(huán)氧樹脂用于混凝土抗?jié)B試驗中，經(jīng)過不斷改進和嘗試，最終采用不需加熱的環(huán)氧樹脂膠泥進行密封，并取得了成功，該密封方法操作簡單，試驗效果明顯。
1 環(huán)氧樹脂膠泥中作為密封材料的可行性
1.1環(huán)氧樹脂膠泥中固化劑的選擇
環(huán)氧樹脂膠泥由A膠（改性環(huán)氧樹脂）和B膠（固化劑）組成。由于環(huán)氧樹脂膠泥是用來密封而非粘結(jié)的，故環(huán)氧樹脂膠泥并不需要固化完全。聚酰胺樹脂是一種改性脂肪胺，由二聚酸和脂肪多元胺縮合而成，由于分子鏈段較長，兩個端胺基與環(huán)氧樹脂開環(huán)交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強的粘結(jié)性和韌性。聚酰胺樹脂在開環(huán)固化過程中溫度提升緩慢、持久，收縮應(yīng)力小，而且分子量大、胺值低，與環(huán)氧樹脂的配比寬，可以在環(huán)氧樹脂用量中占10%~100%。這樣寬的用量比例范圍是其他類型的固化劑很難達到的，故能夠很方便地在實驗室或現(xiàn)場調(diào)配使用。另外，聚酰胺樹脂在常溫下適用期長，適合于大量配合而不暴聚，這也是一般固化劑所難有的特性。而且聚酰胺樹脂來源廣泛，易于購買；試驗中采用的改性聚酰胺樹脂相對于普通聚酰胺樹脂又降低了粘結(jié)強度。鑒于以上多種優(yōu)點，選用改性聚酰胺樹脂作為密封材料環(huán)氧樹脂膠泥的固化劑。
1.2試件脫模試驗及固化反應(yīng)數(shù)據(jù)分析
使用環(huán)氧樹脂膠泥進行密封，既要密封效果好（在2MPa壓強下不滲（透）水），又要脫模容易，這兩者是矛盾的。環(huán)氧樹脂膠泥若完全固化，其粘結(jié)強度一般比較大，脫模有困難，但是由于環(huán)氧樹脂膠泥在抗?jié)B試驗中只是起到密封作用，并不需要高強度，所以可減少固化劑的用量。固化劑的減少可大大減緩固化速率以及固化強度，從而降低脫模難度，又保證了環(huán)氧樹脂膠泥的密封性。在抗?jié)B試驗中，只采用10%~30%低含量固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥進行脫模試驗研究。
1.2.1試驗原料
脫模試驗所用改性環(huán)氧樹脂和固化劑（改性聚酰胺樹脂）均由湖南某專業(yè)公司提供。
1.2.2試驗過程概述
由于脫模試驗與混凝土抗?jié)B試驗是同一個試驗體系，所以采用抗?jié)B模具以及20t的多功能壓力機進行試件的脫模試驗，如圖1所示。
制定上口內(nèi)徑為175mm、下口內(nèi)徑為185mm、高度為150mm的圓臺體試件，共12組，每組5個有效試件；用三角刀將不同比例固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥均勻地刮涂在試件側(cè)面上，厚度應(yīng)為1~ 2mm。試驗前將試件進行編號并置于干燥箱中24h。試驗時，多功能壓力機可以上下調(diào)整支座，并且使加載壓頭保持光滑平整，試驗時以恒定速率沿試件軸向進行壓縮，待試件完全脫離模具，記錄壓力表讀數(shù)。
1.2.3試驗數(shù)據(jù)分析
改性環(huán)氧樹脂與固化劑按照五種比例( 10%,15%，20%，25%，30%)在20℃下混合后，改性環(huán)氧樹脂與固化劑開始發(fā)生反應(yīng)。在溫度一定的情況下，隨著固化時間的增長，固化產(chǎn)物的分子量不斷增大，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及支化結(jié)構(gòu)，環(huán)氧樹脂膠泥的強度會隨著固化程度的逐步加深而不斷提高，脫模時所需施加的壓力也會隨之增大，五種不同固化劑比例環(huán)氧樹脂膠泥的脫模試驗結(jié)果見表1。
加載壓頭對混凝土試件施加壓力時，由于試件本身存在重力，試件側(cè)壁剪應(yīng)力與試件高度有關(guān)，所以采用簡化計算模型（圖2）計算側(cè)壁的平均剪應(yīng)力（平均剪應(yīng)力值為模具與試件之間的粘結(jié)強度），用平均剪應(yīng)力值來粗略描述環(huán)氧樹脂膠泥的固化程度，從理論上論證環(huán)氧樹脂膠泥脫模的可能性。
環(huán)氧樹脂膠泥的計算公式如下：
式中：To為環(huán)氧樹脂膠泥的粘結(jié)強度；σ為壓力表的示數(shù)；As加載壓頭截面面積；r，R分別是棱柱體上底面和下底面的半徑；h為棱柱體的高；G為混凝土試件的自重。
將式(2)代入式(1)，化簡得：
由于抗?jié)B試驗棱柱體形狀一定，采用的壓力機加載壓頭不變，所以式(3)可進一步化簡為：
由式(4)可得環(huán)氧樹脂膠泥1~6d的粘結(jié)強度，
見表2。
改性環(huán)氧樹脂與固化劑（改性聚酰胺樹脂）在(23±2)℃環(huán)境下固化后，鋼一混凝土的粘結(jié)強度達到4MPa。從表2中可以看出，相比于10%，15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥，20%，25%，30%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥固化相對較快，早期強度即達到環(huán)氧樹脂膠泥完全固化強度的1/10，僅在前1～3d可以脫模，后期脫模困難，不能作為封模材料使用。而10%，15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥的6d強度才達到環(huán)氧樹脂膠泥完全固化的強度的1/10，脫模容易，
能夠滿足P4~P12的混凝土抗?jié)B試驗的要求。當溫度降低（比如冬季進行混凝土的抗?jié)B試驗）時，由于環(huán)氧樹脂膠泥的固化反應(yīng)減緩，15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥在進行配比前可將改性環(huán)氧樹脂加熱到30～40℃，然后再加入固化劑進行反應(yīng)，密封效果及脫模均不受影響。
2 環(huán)氧樹脂膠泥密封效果跟蹤分析
2.1試驗過程概述
將養(yǎng)護好的混凝土試件取出晾干，在試件的側(cè)面分別涂一層10%，15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥或石蠟作為密封材料，然后用壓力機將試件壓入試件套中，放置24h后，在混凝土抗?jié)B儀上安裝好，進行抗?jié)B試驗。試驗水壓從0. lMPa開始，每隔8h自動升壓0. 1MPa，注意隨時觀察試件表面的滲水情況，隨時做好記錄。當?shù)?個試件表面開始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象或者試件密封邊緣出現(xiàn)透水現(xiàn)象時，關(guān)閉閥門，停止試驗，記下壓力表此時的水壓值。以下是對
采用三種密封材料制作的抗?jié)B標號為P8的混凝土試件進行抗?jié)B試驗的結(jié)果。
2.2試驗結(jié)果
試驗結(jié)果見表3。第一種是采用石蠟密封的試件，當水壓加到0. 2MPa時就有試件出現(xiàn)邊緣透水現(xiàn)象；當水壓加到0. 8MPa時，所有12個試件均出現(xiàn)邊緣透水，沒有試件出現(xiàn)表面滲水。第二種是采用10%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥密封的試件，當水壓加到0. 2MPa時，開始有試件出現(xiàn)邊緣透水；水壓加到0. 8MPa時，只有2個試件出現(xiàn)邊緣透水，2個試件出現(xiàn)表面滲水。第三種是采用15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥密封的試件，水壓加到0. 8MPa時，12個試件沒有一個試件出現(xiàn)邊緣透水，僅有2個試件出現(xiàn)表面滲水。
表4為采用15 010固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥密封的12個試件，增加水壓后進行抗?jié)B試驗的結(jié)果，在水壓小于1. 8MPa時，試件邊緣均未出現(xiàn)透水現(xiàn)象。從前述脫模試驗中可以看出，制作抗?jié)B性能指標為P18以上的混凝土時，環(huán)氧樹脂膠泥的固化程度會進一步加強，脫模會變得更加困難。因此將15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥作為密封材料進行抗?jié)B試驗時，用于制作抗?jié)B性能指標小于P18時的混凝土時能夠滿足要求。
2.3兩種封模方法對比分析
混凝土抗?jié)B試驗使用石蠟作為密封材料時需將石蠟熔化，而后將試件側(cè)面滾涂上石蠟，待其冷卻之前，趁熱裝入已經(jīng)預熱過的試模中。試驗過程需要非常小心，特別是要掌握好溫度，否則容易密封不好，水壓尚未加載到規(guī)定值時水就會從周邊滲出，造成返工。而采用環(huán)氧樹脂膠泥作為密封材料，只需按比例配好環(huán)氧樹脂膠泥，涂抹于試件側(cè)壁，然后裝入試模中，全過程不需加熱，常溫下操作即可。
采用石蠟密封，試驗水壓尚未達到規(guī)定值時，試件就出現(xiàn)邊緣透水情況，會影響對試驗結(jié)果的判斷，試件需要返工，試驗成功率較低。而采用lOqo固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥密封，雖然早期密封效果較差，邊緣透水，試驗成功率較低，但試驗后期邊緣不透水，密封效果較佳：采用15%固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥密封，試件密封效果好，邊緣不透水，試驗成功率最高。
從成功脫模后的試件可以看出，環(huán)氧樹脂膠泥密封的試件側(cè)壁光滑，而石蠟密封的試件側(cè)壁孔洞較多，見圖3，可見采用環(huán)氧樹脂膠泥密封，能有效阻止壓力水從側(cè)壁滲出。石蠟密封的試件脫模后其抗?jié)B模具側(cè)壁必須清理，而環(huán)氧樹脂膠泥密封的試件脫模后其抗?jié)B模具側(cè)壁光滑，只需涂上油下次即可直接使用，方便快捷。
3 結(jié)論
(1)將環(huán)氧樹脂膠泥作為混凝土抗?jié)B試驗的密封材料方便快捷。從試驗結(jié)果看，環(huán)氧樹脂膠泥作為密封材料值得推廣，其在操作工藝、試驗時間以及環(huán)境等方面均比采用石蠟要好。
(2)研究了在常溫下?lián)郊硬煌壤袒瘎┑沫h(huán)氧樹脂膠泥的密封效果，并通過公式推導計算出相應(yīng)環(huán)氧樹脂膠泥的剪切強度，可知不同摻量固化劑的環(huán)氧樹脂膠泥在一定時間內(nèi)的固化程度不同，脫模難易程度也不同。當在環(huán)氧樹脂膠泥中摻加15%的固化劑時，環(huán)氧樹脂膠泥的密封性能最好。
