环氧树脂和固化剂的比例(用于路面自供电系统埋设的环氧树脂砂浆灌缝材料室内试验研究)
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环氧树脂和固化剂的比例(用于路面自供电系统埋设的环氧树脂砂浆灌缝材料室内试验研究)
赵洲清 李宁
云南省公路科学技术研究院
摘 要：为解决压电盒子埋设过程中路面孔洞的密封处理，自发电系统埋设施工过程中必须实现灌缝材料性能和施工工艺的高标准和严要求。本文初选环氧树脂砂浆作为路面自供电系统埋设中的灌缝材料，对环氧树脂砂浆材料进行了一系列室内试验分析探讨，包括试验方案的制定和环氧树脂砂浆的配合比设计，分析了环氧树脂砂浆抗压强度随干砂掺量的变化趋势、抗压强度随干砂级配的变化趋势，从而确定了最佳的干砂参量和干砂级配，并对提出的掺配比例进行了环氧树脂砂浆路用性能的验证。
关键词：沥青路面;系统埋设;环氧树脂;性能影响;
在交通运输行业迅猛发展的行业背景下，公路行业越来越重视对节能减排措施的研究。沥青路面自供电系统便是基于绿色能源而被公路科研人员关注和开发的。在自供电系统的压电盒子配件埋设过程中，需采用性能优良的灌缝材料来填补孔洞。若采用的灌缝材料性能不佳，在自供电系统运行期间，路面结构层中用来接收机械能的压电盒子配件，其埋设部位由于持续在车辆荷载和自然条件的反复作用下，会出现各种形式的裂缝。裂缝的出现是影响系统正常运行甚至损坏的关键因素。在应力作用下，裂缝会持续扩展，甚至穿过灌缝材料扩展到自供电系统压电盒子部件，形成贯通的裂缝，造成压电盒子部件与路面材料出现脱空。一方面，由于应力的持续作用，脱空现象会越发严重，使得压电盒子受力不均匀而出现变形;另一方面，雨水可通过贯通的裂缝浸入路面结构内部，到达压电盒子部件，雨水的浸入会加速压电盒子部件的老化或破损进程，进而破坏系统的正常运行。因此，为解决压电盒子部件在埋设过程中路面孔洞的密封处理，同时为避免常规路用灌缝材料普遍存在的低温脆裂、高温融流等问题，延长沥青路面自供电系统的服役寿命，确保自发电系统的工作效率以及交通数据采集等功能的正常运行，埋设施工过程中必须实现灌缝材料性能和施工工艺的高标准和严要求。
本文初选环氧树脂砂浆作为路面自供电系统埋设中的灌缝材料，为探索灌缝材料的配方性能，掺配出性能满足灌缝要求的配方，本文开展了对环氧树脂砂浆材料的一系列室内试验研究，包括试验方案的制定和环氧树脂砂浆的配合比设计，分析了环氧树脂砂浆抗压强度性能随干砂掺量的变化趋势、抗压强度性能随干砂级配的变化趋势，从而确定了最佳的干砂掺量和干砂级配，并对提出的掺配比例进行了环氧树脂砂浆路用性能的验证。
1 选用环氧树脂砂浆作为灌缝材料的原因分析
环氧树脂砂浆材料的组分来自3种原料。第一组分为环氧树脂液体，它是由环氧树脂经高温乳化之后，再溶于水变成的乳白色半透明状液体;第二组分为固化剂，它的制作方法与第一组分相同，呈现咖啡色。第三组分是常用的天然砂(0～5mm)，也称作高分子聚合物填料。
通过查询相关文献资料，结合工程经验，对环氧树脂砂浆的性能及使用特点进行了分析:环氧树脂砂浆材料的力学性能优良，并且与混凝土能够牢固粘结，强度很高，既有补强的作用，也有加固的作用;环氧树脂砂浆的热膨胀系数与混凝土很接近，因此从被粘结的混凝土基材上脱开的风险较小，耐久性好;环氧树脂砂浆的抗冲击性能和柔韧性良好，源于通过降低体系产生的内应力来抵抗外力引起的变形，提高材料的适应性能;由环氧树脂砂浆形成的固结体能够不受结构形状的限制，具有高粘结力和高抗压强度的特点;环氧树脂砂浆的耐腐耐候性能好，具有抗冻、抗渗、耐碱、耐盐、耐弱酸腐蚀的性能，化学性能很稳定。
考虑到在自发电系统压电盒子埋设过程中，为保证后续系统能够在环境和车辆持续的反复作用下依然维持良好的使用性能，要求灌缝材料需达到较高的标准，具有优良的密封性能、粘结性能、耐久性、弹性等特点，综合来看，初选环氧树脂砂浆作为自供电系统部件埋设的灌缝材料是一种可探索和尝试的途径。
2 室内试验研究
2.1 主要仪器与原料
本文在室内试验研究中用到的主要仪器有:5t压力机、万能试验机、UTM机、剪强度夹具。原材料包括:环氧树脂、固化剂和砂浆组成。
2.2 试验方案
(1)配合比设计
通过改变干砂的级配和干砂的掺量，来对不同条件下的环氧树脂砂浆进行抗压强度试验，从而确定该材料的配合比。
(2)拌和温度的确定
进行拌和试验，通过观察拌和过程中不同温度状态下的环氧树脂砂浆的流动性和施工和易性，来确定环氧树脂砂浆的拌和温度。通过拌和试验，分析得出了环氧树脂砂浆的拌和温度应控制在40℃～50℃。
(3)最佳级配的确定
通过改变环氧树脂砂浆的掺砂量，进行不同掺砂量下的抗压强度试验。再通过改变环氧树脂砂浆的干砂级配，进行不同干砂级配下的抗压强度试验，从而确定最佳级配。
(4)路用性能分析验证
对确定的最佳级配环氧树脂砂浆进行抗压强度、抗拉强度、水稳定性、抗剪强度、劈裂疲劳等路用性能试验，通过试验数据来分析和验证所确定的混合料配合比的路用性能。
2.3 配合比设计
通过分析参考以往的经验掺配比例数据，初拟环氧树脂和固化剂的掺配比例按1∶4。干砂级配和干砂掺量:干砂级配初拟采用连续级配0.3～2.36mm和不连续级配0.3～0.6mm、0.6～1.18mm、1.18～2.36mm;干砂掺量按胶体质量的40%、60%和80%三种进行试验。
不同干砂级配与不同干砂掺量状态下的环氧树脂砂浆抗压强度试验结果如表1所示。
环氧树脂砂浆的抗压强度随掺砂量的变化趋势如图1所示。
表1 不同级配、不同掺砂量下的抗压强度检验结果/MPa 下载原图
图1 抗压强度随不同掺砂量变化的趋势 下载原图
环氧树脂砂浆的抗压强度随干砂级配变化的趋势如图2所示:
图2 抗压强度随干砂级配变化的趋势 下载原图
从表1和图1可以看出:
(1)采用连续级配0.3～2.36mm时，随着掺砂量的改变，环氧树脂砂浆抗压强度改变不明显。可见，连续级配在环氧树脂砂浆中充当骨架结构，在一定的干砂掺量范围内，抗压强度与掺砂量关系不大，主要影响因素是环氧树脂本身。
(2)采用不连续级配1.18～2.36mm时，随着掺砂量的增加，抗压强度有不用程度的变化，并且抗压强度出现了峰值。干砂掺量为60%时环氧树脂砂浆的抗压强度最大，干砂掺量为40%与80%时其抗压强度相当。
(3)采用不连续级配0.6～1.18mm或0.3～0.6mm时，干砂掺量为60%与80%时抗压强度相当，干砂掺量为40%时其抗压强度最小。可见采用不连续级配，砂掺量对抗压强度的影响较大，并且在60%时抗压强度出现峰值。
从表1和图2可以看出:
(3)采用相同干砂掺量、级配不连续(0.3～0.6mm、0.6～1.18mm、1.18～2.36mm)的情况下，环氧树脂砂浆的抗压强度基本随着级配的偏细而降低;采用相同的干砂掺量，连续级配相比不连续级配，其抗压强度较高。可见，干砂级配的改变对环氧树脂砂浆的抗压强度影响较大。这是因为干砂在环氧树脂砂浆中起到了骨架填充的作用，集料的选取应当符合级配原则，即较细颗粒填充在较粗颗粒集料的骨架空隙中，由环氧树脂充分包裹所有集料表面并填充于集料空隙。这就要求细集料中的粗颗粒和细颗粒必须搭配使用，防止内部形成空穴，影响环氧树脂砂浆抗压强度的形成。
(4)干砂掺量为40%时，其抗压强度随级配变化的影响最大;干砂掺量为80%时，其抗压强度随级配变化的影响最小;干砂掺量为60%时，其抗压强度在不连续级配1.18～2.36mm出现最大值。
(5)干砂级配采用不连续级配1.18～2.36mm，干砂掺量采用60%的情况下的环氧树脂砂浆，其抗压强度达到最高。
2.4 性能试验
通过改变干砂的级配和干砂的掺量，对环氧树脂砂浆进行了大量抗压强度对比试验，通过对试验数据的总结和分析，得出采用干砂级配为1.18～2.36mm，干砂掺量为60%的环氧树脂砂浆抗压强度最高，由此确定采用该配合比进行路用性能指标体系检测。
2.4.1 抗压强度
为进一步验证环氧树脂砂浆性能指标的稳定，对最佳干砂级配和最佳干砂掺量的抗压强度进行复检。复检结果如表2所示。
表2 环氧树脂砂浆抗压强度结果汇总/MPa 下载原图
从上表试验结果可以得出:
(1)环氧树脂砂浆抗压强度单点值波动较小，在25.0～27.5Mpa之间波动。
(2)环氧树脂砂浆抗压强度平均值为26.1MPa，与配合比设计阶段的检测值接近。
2.4.2 抗拉强度
强度是指材料在外力作用下抵抗弹性变形、塑性变形和断裂的能力。本次研究采用拉伸试验来检测材料的抗拉强度指标。抗拉强度试验结果如表3所示。
表3 环氧树脂砂浆抗拉强度结果汇总/MPa 下载原图
从上图试验结果可以得出:
环氧树脂砂浆的抗拉强度平均值为4.4MPa。环氧树脂砂浆作为灌缝材料，其抗拉强度表征在行车碾压过程中所承受的侧向压力相当于拉应力，从试验结果得出的抗拉强度值相比普通水泥砂浆明显优越，可以保证环氧树脂砂浆在应力作用下不受荷载破坏。
2.4.3 抗剪强度
抗剪强度反映了材料抵抗剪切滑动的能力，它是材料被剪切作用时产生的极限强度。本次抗剪强度试验用到项目组自主研发的抗剪强度夹具。在进行抗剪强度试验前，先将两块标准马歇尔试件用环氧树脂砂浆进行粘接，待试件强度完全形成之后置于夹具上，再用万能材料试验机进行抗剪强度试验，试验结果如表4所示。
表4 环氧树脂砂浆抗剪强度结果汇总/MPa 下载原图
从试验结果分析可得:
环氧树脂砂浆的抗剪强度均值可达1.2MPa，而标准的马歇尔试件的劈裂强度为1.3～1.5MPa，可见在同等条件状态下，环氧树脂砂浆抗剪性能接近达到沥青混合料的性能水平。
2.4.4 水稳定性
环氧树脂砂浆作为现场灌缝材料使用，在性能研究中需考虑自然水的侵蚀，因此本次研究采用饱水与不饱水状态进行其抗压强度试验，验证其强度保证率。因自然水侵蚀至路面时，路表或路面结构内部温度一般不会很高，为模拟实际情况，因此饱水试验采用常温状态饱水24h。试验结果如表5所示。
表5 环氧树脂砂浆水稳定性强度结果汇总/MPa 下载原图
从上表试验结果分析可得:
未饱水状态的抗压强度均值13.1MPa，常温饱水24h状态的抗压强度均值12.2MPa，强度保证率系数为93.1%。
2.4.5 劈裂疲劳
沥青路面的疲劳破坏是其主要破坏形式之一，其产生于路面行车荷载的增大、环境因素的变化以及沥青混合料细观结构的变异性。本次研究基于沥青混合料劈裂疲劳试验方法的基础上，采用UTM设备对环氧树脂砂浆粘接的马歇尔试件进行劈裂疲劳试验，以评价环氧树脂砂浆材料的路用性能。
表6 环氧树脂砂浆劈裂疲劳试验结果汇总/MPa 下载原图
对环氧树脂砂浆进行劈裂疲劳试验，在控制荷载与位移的条件下，总循环次数为1130次，达1000次以上，基本可以满足沥青混合料的劈裂疲劳要求。
3 结语
本文将环氧树脂砂浆作为自供电系统埋设过程中的灌缝材料，为满足灌缝的要求，对环氧树脂砂浆进行了一系列室内试验和数据分析研究。试验数据显示:干砂级配采用不连续级配1.18～2.36mm，干砂掺量采用60%的情况下，环氧树脂砂浆的抗压强度相比其他掺量和级配的情况为最高;通过路用性能的验证，环氧树脂砂浆抗压强度平均值为26.1MPa;抗拉强度值相比普通水泥砂浆明显优越，可以保证环氧树脂砂浆在应力作用下不受荷载破坏;环氧树脂砂浆的抗剪强度均值可达1.2MPa，接近沥青混合料的性能水平;未饱水状态的抗压强度均值13.1MPa，常温饱水24h状态的抗压强度均值12.2MPa，强度保证率系数为93.1%;对环氧树脂砂浆灌缝材料进行劈裂疲劳试验，在控制荷载与位移的条件下，总循环次数为1130次，满足沥青混合料的劈裂疲劳要求。
参考文献
[1] 张春喜．沥青路面灌缝材料．科技视界，2016.
[2] 张玮，梁明，等．沥青路面灌缝材料研究进展．石油沥青，2015.
[3] 付静．沥青路面裂缝灌缝施工技术研究．华东公路，2018.
[4] 王慧龙．沥青路面裂缝灌缝新技术在公路养护中的应用．交通视界，2018.
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