水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料及其使用方法与流程

本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料及其使用方法。

背景技术：

环氧树脂是一种高分子聚合物材料，可用于改善混凝土的力学性能。其中，水性环氧树脂是指环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配得的稳定分散体系，在室温环境下发生化学交联反应，具有优异的性能。徐奎生(徐奎生.环氧树脂乳液改性水泥砂浆性能的研究[d].重庆：重庆交通大学，2012)公开了环氧树脂/水泥砂浆材料的性能，随着环氧树脂掺量的增加，水泥砂浆的抗压强度单调递减，抗折强度先增加后降低，在掺量为9％时，抗折强度达到最大值。

不同于传统的混凝土和水泥砂浆，超高性能混凝土(ultra-highperformanceconcrete，简称uhpc)是一类水胶比低、胶凝材料和超细矿物掺合料用量高的高强度、高韧性、低孔隙率的新型建筑材料。采用水性环氧树脂对超高性能混凝土进行改性有望获得力学性能更好的混凝土材料。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种能够提高混凝土力学性能的水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料。

本发明的第二目的是提供一种水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料的使用方法，以获得能够提高混凝土力学性能的混凝土。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料，其由水性环氧树脂、胶凝材料、细集料、外加剂和水制成；胶凝材料包括水泥和活性矿物掺合料；水性环氧树脂的掺量在25kg/m³至75kg/m³之间；胶凝材料的用量大于900kg/m³；水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料的水胶比小于0.2。其中，水胶比是指水与胶凝材料的质量比。

进一步的技术方案是，水性环氧树脂的掺量在50kg/m³至75kg/m³之间。更优选地，水性环氧树脂的掺量为75kg/m³。

进一步的技术方案是，水性环氧树脂由a组分和b组分组成；a组分由e51环氧树脂、水性增韧稀释改性剂和橡胶粉组成；b组分由水性环氧固化剂和促进剂组成，或者所述b组分由环氧固化剂、水性增韧稀释改性剂和促进剂组成。

更进一步的技术方案是，a组分按质量份由以下成分组成：e51环氧树脂100质量份；水性增韧改性稀释剂45至55质量份；橡胶粉20至30质量份，所述橡胶粉粒径在200目至300目之间；b组分按质量份由以下成分组成：水性环氧固化剂20至25质量份；水性增韧稀释改性剂50至55质量份；促进剂0.2至1质量份。

进一步的技术方案是，水泥为p.ⅱ42.5r水泥；活性矿物掺合料包括硅灰、粉煤灰、偏高岭土和活性氧化铝；水泥、硅灰、粉煤灰、偏高岭土和活性氧化铝的质量比为1：(0.08至0.11)：(0.24至0.28)：(0.07至0.11)：(0.005至0.04)。

进一步的技术方案是，细集料由两种不同粒径的砂组成，第一种砂的粒径大于0且小于0.6mm，第二种砂的粒径在0.6mm至1.25mm之间；第一种砂与第二种砂的质量比为1：(0.27至0.29)。

进一步的技术方案是，外加剂为聚羧酸减水剂，减水剂的用量为32kg/m³至34kg/m³。

进一步的技术方案是，胶凝材料、细集料、外加剂和水的质量比为1：(0.90至0.91)：(0.29至0.31)：(0.15至0.16)。

为实现本发明的第二目的，本发明提供了上述任一方案中的水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料的使用方法，其包括以下步骤：

步骤一：将胶凝材料和细集料干拌均匀；

步骤二：加入部分的水和外加剂搅拌均匀后倒入搅拌机内进行湿拌；

步骤三：加入剩余的水，搅拌形成浆体，并继续搅拌；

步骤四：把橡胶粉加入水性增韧改性稀释剂中，搅拌溶解后加入e51环氧树脂，形成a组分；水性环氧固化剂和促进剂或环氧固化剂、水性增韧稀释改性剂和促进剂混合后形成b组分。

步骤五：将a组分和b组分混合得到水性环氧树脂；搅拌过程中加入水性环氧树脂，继续湿拌。

进一步的技术方案是，在步骤一中，干拌时间为1至3分钟；在步骤二中，湿拌时间为1至3分钟，搅拌速率为135至145r/min，所加入部分的水的量为全部水的75％；在步骤三中，继续搅拌时间为1至2分钟；在步骤五中，继续湿拌时间为1至3分钟，搅拌速率为135至145r/min。

与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

本发明通过在超高性能混凝土中掺入水性环氧树脂，制备了水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料。其中，超高性能混凝土作为基本材料，其水胶比低、胶凝材料用量高，具有高强度和高韧性的优点。本发明在超高性能混凝土加入水性环氧树脂进行改性的过程中，创造性地发现水性环氧树脂掺量不超过75kg/m³时，能够改善超高性能混凝土界面的密实性并形成均匀的交联结构，从而提高超高性能混凝土后期28天龄期的抗压强度、抗折强度和抗拉性能。

附图说明

图1显示本发明水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料实施例和对比例的3天龄期和28天龄期的抗压强度。

图2显示本发明水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料实施例和对比例的3天龄期和28天龄期的抗折强度。

图3显示本发明水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料实施例和对比例经过切割打磨后的扫描电镜图，其中(a)为对比例1的扫描电镜图，(b)至(d)分别为实施例1至3的扫描电镜图，(e)为对比例2的扫描电镜图。

以下将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

具体实施方式

在以下实施例和对比例中，胶凝材料中的水泥为广东江门华润水泥投资有限公司生产的p.ⅱ42.5r水泥，实测28d抗压强度为60.7mpa，抗折强度为8.3mpa；硅灰由成都东南星科技发展有限公司生产；粉煤灰是珠海高栏电厂生产的一级粉煤灰。胶凝材料的化学成分组成如下表1所示。

表1胶凝材料的化学成分组成

砂分两种：粒径范围分别在0至0.6mm、0.6mm至1.25mm之间的天然河砂。减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为25％，减水率为40％，用于降低浆体粘聚性；拌和用水为洁净自来水。

水性环氧树脂由a组分和b组分组成。具体地，a组分由橡胶粉、e51环氧树脂和武汉森茂牌cyh-277-s水性增韧稀释改性剂按一定比例混合而成，b组分由武汉森茂牌wzh-155g水性环氧固化剂、武汉森茂牌cyh-277-s水性增韧稀释改性剂、dmp-30促进剂按一定比例混合而成。其中，橡胶粉为粒径在200目至300目之间的橡胶粉，能够起到增韧作用；cyh-277-s为超支化聚合物多功能改性化合物，能够提高环氧树脂韧性、强度、耐候、水性化等方面性能。水性环氧树脂各组分的比例如表2所示，试验时先按比例制备a,b组分，静置2小时以上，水性环氧树脂的各组分均不含有水。

表2水性环氧树脂各组分的质量配合比

采用上述原料制备混凝土材料，实施例1至3以及对比例1至2的各组分用量如下表3所示：

表3对比例以及实施例的配合比(kg/m³)

依据gb/t17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，成型40mm×40mm×160mm棱柱试体进行水泥抗压强度和抗折强度的测定。抗拉强度试验采用美国mts810材料试验机。加载采用位移控制模式，速度为0.0025mm/s,采集数据包括时间、位移、承载力和应变。28天的标准砂浆试件，通过德国atm薄片切割打磨系统，切割打磨成2cm*2cm的光滑平面块，通过荷兰phenomprox电镜-能谱一体机进行微观分析。浆体的搅拌工艺包括以下五个步骤：(1)成型过程中先将粉体和细集料干拌均匀(慢搅2分钟)；(2)搅拌过程中将75％水和外加剂混合均匀后缓慢地倒入搅拌机内，以140±5r/min速率湿拌2分钟；(3)加入剩余的水，继续搅拌至形成浆体；(4)浆体快速搅拌1min；(5)在搅拌过程中缓慢加入水性环氧树脂(a,b两组分先混合均匀后再加入)，继续以140±5r/min速率湿拌2分钟。

水性环氧树脂的掺量对超高性能混凝土在3d、28d抗压强度影响如图1所示。结果表明，随着水性环氧树脂的掺量增加，早期(3d)抗压强度逐渐下降。加入水性环氧树脂掺量低于50kg/m³时，砂浆的3d抗压强度比空白样要略低；加入水性环氧树脂掺量高于50kg/m³以上时，抗压强度下降较为明显。这是由于水性环氧树脂需要10天时间才能完全硬化，早期加入到超高性能混凝土浆体中的水性环氧树脂刚度和弹性模量较小，且与超高性能混凝土浆体交联反应程度低，在承受压力作用下，水性环氧树脂的支撑作用低于胶凝材料水化产物，因此水性环氧树脂改性砂浆的抗压强度小于空白样，当水性环氧树脂量继续增大，进一步延缓了水化进程，导致抗压强度进一步降低。

随着水性环氧树脂的掺量增加，后期(28d)抗压强度先增加后下降，水性环氧树脂掺量在75kg/m3时，同一龄期抗压强度达到最大值。这是由于水性环氧树脂逐渐硬化，后期抗压强度逐渐增加，但水性环氧树脂的掺量大于75kg/m³时，由于前期水化进程延缓，导致形成不均匀的界面，导致强度下降。

水性环氧树脂的掺量对超高性能混凝土在3d、28d抗折强度影响如图2所示。随着水性环氧树脂的掺量增加，同一龄期超高性能混凝土抗折强度先增加后下降，水性环氧树脂掺量在75kg/m³时，抗折强度达到最大值。早期(3d)由于水性环氧树脂未完全硬化，抗折强度相对于空白样增长不大；后期(28d)抗折强度提高的原因是，虽然水性环氧树脂的弹性模量小于胶凝的弹性模量，但是水性环氧树脂形成的聚合物网络结构，能提高水泥浆体的韧性；另一方面，水性环氧树脂中的某些活性基团可能与水化产物发生化学反应，形成某种特殊桥键作用，与水化产物相互交联在一起，在荷载作用下，缓解内应力，从而可以提高砂浆的抗折强度。但是过量的水性环氧树脂也会带来不利的影响，过量的水性环氧树脂会破坏砂浆的均匀性，另外，水泥水化程度过低，导致水泥浆体结构发展不完善，从而水泥砂浆的抗折强度降低。

水性环氧树脂的掺量对超高性能混凝土在3d、28d抗拉性能的影响如下表4所示。

表4对比例以及实施例在不同龄期的抗拉性能

可见，3d和28d抗拉性能变化趋势和抗折强度变化趋势基本吻合，主要也是由于水性环氧树脂形成的聚合物网络结构，能提高水化产物的韧性；另一方面，水性环氧树脂中的某些活性基团可能与水化产物发生化学反应，形成某种特殊桥键作用，与水化产物相互交联在一起，进一步提高材料整体间的粘结力和密实性，从而进一步增加抗拉性能。但当水性环氧树脂的量超过75kg/m³时，抗拉性能出现下降，这是由于过量的水性环氧树脂会破坏砂浆的均匀性和降低胶凝材料水化程度。

图3是对比例1至2以及实施例1至3的28天龄期的经过切割打磨后是扫描电镜图片。如图3(a)所示，uwe-0空白样的水化产物和硅灰、粉煤灰间界面存在缝隙，水化产物上有少量孔洞和裂缝。图3(b)所示，加入少量水性环氧树脂后的水化产物和硅灰、粉煤灰间界面形成了少量条棒状的产物，此产物贯穿在水化产物和硅灰、粉煤灰之间，使整体的界面较为密实，水化产物上的孔洞和裂缝相对空白样也减少。图3(c)所示，继续增加水性环氧树脂掺量，水化产物和硅灰、粉煤灰间界面形成了更多条棒状的产物，且产物的形成了空间交联结构，使得条棒状产物与水化产物和硅灰、粉煤灰间的结合更加密实，使整体的界面缺陷进一步减少。如图3(d)所示，当水性环氧树脂掺量达到75kg/m³时，水化产物和硅灰、粉煤灰间界面形成了团状的产物，团状产物与水化产物和硅灰、粉煤灰间的接触面积更大，分布更加均匀，形成了空间交联结构的各组分间的结合力更大，使得结构更加密实，缺陷更少。如图3(e)所示，当水性环氧树脂的量超过75kg/m³时，过量的水性环氧树脂形成了过多的团状产物，破坏整体的均匀性和降低各个组分间的交联程度，降低了结构的密实性。通过对水性环氧树脂改性超高性能混凝土水化产物形貌和界面分析，也在一定程度上解释了材料宏观的力学性能的变化规律。

由上可见，本发明的水性环氧树脂改性超高性能混凝土材料中的水性环氧树脂掺量低于75kg/m³时，水化产物和硅灰、粉煤灰间界面形成了交联的产物，混凝土材料早期抗折、抗拉强度以及后期抗压、抗折和抗拉强度有所提高。尤其是水性环氧树脂掺量到达75kg/m³时，交联产物更加密实，缺陷更少，早期的抗压强度有所下降，但早期的抗折、抗拉强度以及后期的抗压、抗折和抗拉强度均有较大提高。可见，本发明能够提高超高性能混凝土材料的力学性能。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。