第40卷第5期2021年5月
硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol.40㊀No.5
May,2021
聚合物改性自密实混凝土的工作性能及力学性能侯圣均1，蒋晨晨1，汤维宇1，陶文江2，安雪晖3，马嘉均4 (1.中电建路桥集团有限公司，北京㊀100048;2.中国水利水电第四工程局有限公司，西宁㊀810007;
3.清华大学土木水利学院，北京㊀100084;
4.北方工业大学土木工程学院，北京㊀100144)
摘要：聚合物改性水泥混凝土具备较好的抗拉性能和耐久性，其应用较为广泛，而聚合物改性自密实混凝土的应用较少㊂本文主要针对环氧树脂改性自密实混凝土基本力学性能和工作性能进行研究，试验采 用四种掺量(0%㊁5%㊁10%㊁15%，质量分数)的环氧树脂，得到不同环氧树脂掺量对改性自密实混凝土基本力学性能和工作性能的影响㊂结果表明：与普通自密实混凝土相比，当环氧树脂的质量分数为5%时，对抗压强度有一定的改善作用；当环氧树脂的质量分数为10%时，抗折强度增强效果最优；当环氧树脂的质量分数大于等于10%时，混凝土中大孔转变为微孔；当环氧树脂的质量分数达到15%时，环氧树脂会固化成团，破坏混凝土内部结构㊂自密实混凝土的弯曲韧性随着环氧树脂掺量的增加而提升㊂虽然环氧树脂的掺量较多时，会减小自密实混凝土的流动度，但适当增加减水剂可增大流动度㊂
关键词：环氧树脂；自密实混凝土；工作性能；抗压强度；抗折强度；弯曲韧性；孔隙分布
中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)05-1489-08 Workability and Mechanical Properties of Polymer Modified
Self-Compacting Concrete
HOU Shengjun1,JIANG Chenchen1,TANG Weiyu1,TAO Wenjiang2,AN Xuehui3,MA Jiajun4
(1.Power China Road Bridge Group Co.,Ltd.,Beijing100048,China;2.Sinohydro Engineering Bureau4Co.,Ltd.,
Xining810007,China;3.School of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China;
4.School of Civil Engineering,North China University of Technology,Beijing100144,China) Abstract:The polymer modified cement concrete has good tensile properties and durability,and it is widely used,while the polymer modified self-compacting concrete is rarely used.The basic mechanical properties and workability of epoxy resin modified self-compacting concrete were studied.Four kinds of epoxy resin content(0%,5%,10%,15%,mass fraction)were used in the experiment,and the effect of different epoxy resin content on the basic mechanical properties and workability of modified self-compacting concrete were obtained.The results show that:compared with ordinary self-compacting concrete,when the mass fraction of epoxy resin is5%,the compressive strength is improved to a certain extent;when the mass fraction of epoxy resin is10%,the flexural strength is the best;when the mass fraction of epoxy resin is10%or more than10%,the macropores in concrete turn into micropores;when the mass fraction of epoxy resin reaches15%,the epoxy resin solidifies into clusters and destroys the internal structure of concrete.The flexural toughness of self-compacting concrete is improved with the increase of epoxy resin content.When the content of epoxy resin is high, the fluidity of self-compacting concrete decreases,but the fluidity can be improved by appropriately blending a water reducing agent.
Key words:epoxy resin;self-compacting concrete;workability;compressive strength;flexural strength;flexural toughness; pore distribution㊀
收稿日期:2020-12-02；修订日期:2021-02-10
基金项目：交通运输行业重点科技项目面上项目(2018-MS2-051)；国家自然科学基金青年基金(51709026)
作者简介：侯圣均(1985 )，男，工程师㊂主要从事工程技术管理工作㊂E-mail:365615401@qq
机械科学与技术
通信作者：马嘉均，硕士研究生㊂E-mail:150****6682@126
1490㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷0㊀引㊀言
自密实混凝土是指在无需振捣仅依靠自身重力作用下，就可以填充至钢筋间隙㊁模板或石料块之间孔隙的高性能混凝土材料，被视为20世纪混凝土技术的革命性突破[1-2]㊂自密实混凝土在施工时，没有振动噪声，减少了施工时间和人工成本，消除了振动，提高了填充能力，从而能提供更好的工作环境[3-4]㊂普通水泥混凝土的抗拉强度㊁抗折强度㊁抗冲击性能㊁防水及防腐蚀性能都较弱，导致其在建筑领域应用受到限制[5]㊂随着聚合物的广泛应用，国内外学者对聚合物改性水泥混凝土这种新型复合材料进行了研究㊂日本学者Ohama[6]对水泥水化时聚合物的微观结构进行了研究，提出了聚合物薄膜
包裹水泥水化产物的Ohama简化模型㊂钟世云等[7]分析了乳液类型及聚灰比对水泥颗粒表面吸附聚合物乳液的影响㊂黄华等[8]分析了改性混凝土的改性机理及其对混凝土性能的影响㊂研究发现将聚合物掺入到混凝土中可以明显提高混凝土的抗折强度和抗拉强度，但对混凝土抗压强度提升作用不大，甚至会降低其抗压强度[9-10]㊂同时，聚合物改性混凝土提供了较高的耐燃性㊁耐腐蚀性㊁抗冻性以及适度的引气性等优良性能[11]㊂但是聚合物改性自密实混凝土的研究相对较少，王涛等[12]研究了聚合物胶乳㊁增稠剂㊁聚合物纤维等对自密实混凝土渗透性能的影响㊂刘理等[13]配制出矿物与聚合物复合改性的自密实混凝土，试验证明复合改性自密实混凝土的抗酸蚀性能比普通自密实混凝土有明显改善㊂
近年来，聚合物改性水泥砂浆被用于修补钢筋混凝土构件㊂在修补应用中，尤其当存在压实困难时，需要采用自密实混凝土㊂王波等[14]根据道路养护问题设计了聚合物改性自密实混凝土，研究了聚合物改性自密实混凝土的配制㊁力学性能与工程应用㊂聚合物改性自密实混凝土可应用于修复混凝土构件或建造新的混凝土构件，特别是在复杂的混凝土浇筑条件下㊂研究聚合物改性自密实混凝土的工作性能及力学性能有着重要的工程意义㊂本研究选用环氧树脂作为自密实混凝土改性用聚合物，研究环氧树脂掺量在0%㊁5%㊁10%㊁15%(质量分数，下同)的条件下，聚合物改性自密实混凝土基本力学性能和工作性能的变化规律㊂
1㊀实㊀验
1.1㊀原材料
(1)水泥：拉法基P㊃O42.5普通硅酸盐水泥，符合国家水泥标准GB175 2007‘通用硅酸盐水泥“，密度为3.08g/cm3，比表面积为350m2/kg;
(2)粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰，密度为2.55g/cm3;
(3)中石：具有连续级配(9.5~20mm)的石灰石，表观密度为2.70g/cm3，堆积密度为1.36g/cm3;
(4)小石：具有连续级配(4.75~9.5mm)的石灰石，表观密度为2.70g/cm3，堆积密度为1.36g/cm3;
(5)砂料：具有连续级配(0.075~4.75mm)的机制砂，密度为2.64g/cm3;
(6)水：自来水;
(7)聚合物：凤凰牌环氧树脂WSR6101(E44)，双酚A型，环氧值为0.45，固化剂采用T31型固化剂，并与活性环氧树脂稀释剂AGE配合使用;
(8)减水剂：液态聚羧酸系高效减水剂，固含量20%㊂
采用X射线荧光光谱(X-ray fluorescence,XRF)分析水泥和粉煤灰的主要化学成分，结果如表1所示㊂水
泥㊁粉煤灰㊁石子㊁机制砂的级配曲线如图1所示㊂
表1㊀粉体的主要化学成分
Table1㊀Main chemical composition of powders
Powder Mass fraction/%
CaO SiO2Al2O3MgO SO3Fe2O3K2O P2O5TiO2 Cement65.8721.02 3.49 1.27 3.14 2.810.490.470.46 Fly ash37.6231.287.71 2.38 4.3713.750.57 1.160.89
第5期侯圣均等：聚合物改性自密实混凝土的工作性能及力学性能1491
㊀
图1㊀材料级配曲线
蓝与白
Fig.1㊀Gradation curves of materials
1.2㊀配合比
聚合物改性自密实混凝土基准配合比参考已有的研究成果[15-18]，水胶比(W/B)为0.34,m(中石)ʒm(小石)=4ʒ6，砂率为45%㊂聚合物配制比例为m(环氧树脂)ʒm(稀释剂)ʒm(固化剂)=1ʒ0.15ʒ0.20㊂胶凝材料(水泥和粉煤灰)中环氧树脂的质量分数(P/C)分别为0%㊁5%㊁10%㊁15%，在配制聚合物改性自密实混凝土时，不同的环氧树脂掺量配合比保持水胶比不变㊂聚合物改性自密实混凝土的配合比见表2㊂
表2㊀改性自密实混凝土配合比
Table2㊀Mix ratio of modified self-compacting concrete
P/C(mass fraction)/%W/B
Mix ratio/(kg㊃m-3)
Cement Fly ash Sand Aggregate Water Superplasticizer Epoxy resinzne1
00.34403.17140.25807.84810.00182.22 4.8910
50.34403.17140.25807.84810.00182.22 4.89127.17
100.34403.17140.25807.84810.00182.22 6.52154.34 150.34403.17140.25807.84810.00182.2211.09081.51
刘礼祖
1.3㊀试样制备
制备聚合物改性自密实混凝土具体方法如下：将称量好的水泥㊁粗骨料与细骨料放入搅拌机内，搅拌30s使其混合均匀；按比例称量环氧树脂和稀释剂后进行混合搅拌，稀释剂用来减小环氧树脂的黏稠度使其能与自密实混凝土充分混合，并按配合比称量固化剂备用；搅拌机中加入水和减水剂搅拌120s初步形成自密实混凝土，然后再加入环氧树脂溶液和固化剂充分拌和120s㊂
对新拌改性自密实混凝土进行坍落扩展度和V型漏斗时间测量，然后倒入试模成型㊂抗压强度㊁抗折强度测试试件尺寸分别为150mmˑ150mmˑ150mm和150mmˑ150mmˑ550mm㊂浇筑好的试件在标准养护室中养护24h后脱模，随后在标准养护室中养护至规定龄期(28d)㊂
1.4㊀测试方法
1.4.1㊀力学性能测试
按照GB/T50081 2002‘普通混凝土力学性能试验方法标准“进行抗压强度与抗折强度试验㊂在WDW-00E型微机控制电子万能试验机进行抗折强度测试，加载速度0.05~0.08MPa/s，用位移计测量抗折试件的跨中位移㊂在TYE-000B型混凝土压力试验机进行抗压强度测试，加载速度0.5~0.8MPa/s㊂每组试验测试三个试件，其算术平均值作为该组试件的强度值，强度计算公式如下:
f cu=F max A(1)
f m=F max l
bh2
(2)式中:f cu㊁f m分别为混凝土标准抗压强度和抗折强度,MPa;F max为试验时加载到试件上最大荷载,kN;A为试
1492㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷
件承压面积,mm 2;l 为抗折支座间距,mm;b ㊁h 分别为抗折试件截面宽度与高度,mm㊂
1.4.2㊀孔隙结构测试(MIP)采用Micromeritics AutoPore IV 9500型压汞仪对硬化砂浆进行孔隙结构测试㊂将强度试验后的混凝土
试件砸碎，取中心部分碎块放入无水乙醇中浸泡以终止水泥水化㊂待测试前将试样从无水乙醇中取出，放入
40ħ真空烘箱烘干48h 以上，随后进行孔隙结构测试㊂1.4.3㊀扫描电子显微镜(SEM)测试采用日立公司S-3400N 型SEM 对改性自密实混凝土试件进行微观结构表征㊂将抗折强度试验后的混凝土试件敲碎，选取较为规整的薄片(取样时选择试件中的砂浆部分)放入无水乙醇中浸泡以终止水泥水
化㊂待测试前将试样从无水乙醇中取出，放入40ħ真空烘箱烘干48h 以上，随后用SEM 进行观察㊂
1.4.4㊀工作性能测试采用坍落度扩展度试验和V 型漏斗试验，对聚合物改性自密实混凝土新拌和物进行工作性能测定㊂坍落扩展度反映流动性能,V 型漏斗时间反映黏性㊂当坍落扩展度在600~800mm 之间，同时V 型漏斗时间在5~25s 之间时，改性自密实混凝土的工作性能符合标准，即具有足够的流动性以达到自密实效果同时也具有足够的黏性保证不发生泌水㊁离析等现象㊂当V 型漏斗时间小于4s 时，改性自密实混凝土没有足够的黏性，有离析的风险㊂如果V 型漏斗时间超过25s，则表明改性自密实混凝土非常黏稠或已严重离析导致砂浆与骨料分离㊂
2㊀结果与讨论2.1㊀试验结果
巴蜀文化不同环氧树脂掺量的聚合物改性自密实混凝土的工作性能及力学性能如表3所示㊂
表3㊀不同环氧树脂掺量的改性自密实混凝土性能
Table 3㊀Performance of modified self-compacting concrete with different epoxy resin content
P /C (mass fraction)/%Slump flow value /mm V-funnel time /s Compressive strength /MPa Flexural strength /MPa 0680/7207.7261.55 5.205720/77012.1465.75 5.8110780/75011.7257.76 6.0315750/69014.0451.48 4.17
2.2㊀
工作性能
图2㊀不同掺量环氧树脂对聚合物改性自密实混凝土坍落扩展度的影响Fig.2㊀Effect of different epoxy resin content on slump flow of polymer modified self-compacting concrete 不同掺量环氧树脂对聚合物改性自密实混凝土坍
落扩展度的影响如图2所示，环氧树脂改性自密实混
凝土扩展度测试结果如图3所示㊂从图中可以看出,
改性自密实混凝土坍落扩展度随环氧树脂掺量的增加
呈先上升后下降趋势㊂普通自密实混凝土的坍落扩展
度为700mm㊂当环氧树脂掺量为5%时，改性自密实
混凝土的坍落扩展度达到了745mm，高于普通自密实
混凝土㊂当环氧树脂掺量为10%，减水剂掺量为0.9%(质量分数，下同)时，改性自密实混凝土的坍落
扩展度仅为500mm，其流动性不足㊂将改性自密实混凝土重新回锅，增加0.3%的减水剂，其坍落扩展达到
了765mm㊂当环氧树脂掺量继续增大到15%时，同时
把减水剂掺量增加到2.0%，得到了坍落扩展度达为720mm 的改性自密实混凝土㊂由表3可知，随着环氧
树脂掺量的增加,V 型漏斗时间都在5~25s 内，其保
水性与黏性均良好㊂
㊀第5期侯圣均等：聚合物改性自密实混凝土的工作性能及力学性能1493在环氧树脂改性自密实混凝土中，当环氧树脂掺量较少时，环氧树脂颗粒均匀分散在自密实混凝土中起到了滚珠效应，使自密实混凝土的流动性变大；当环氧树脂掺量较多时，环氧树脂和固化剂的乳液聚合成一团将自由水包裹，减少了自密实混凝土中的自由水，使自密实混凝土的流动性变小㊂适当增加减水剂掺量后，减水剂产生的静电斥力可使水泥颗粒和环氧树脂颗粒相互排斥，从而释放出自由水，起到了减水的效果[19]㊂
图3㊀环氧树脂改性自密实混凝土扩展度测试结果
网络大学Fig.3㊀Test results of slump flow of epoxy resin modified self-compacting concrete
2.3㊀力学性能
2.3.1㊀抗压强度和抗折强度
图4为不同环氧树脂掺量改性自密实混凝土的抗压强度㊁抗折强度，由图4(a)可知，改性自密实混凝土的抗压强度随环氧树脂掺量的增加先增大后减小㊂环氧树脂掺量为0%的普通自密实混凝土抗压强度为61.55MPa，环氧树脂掺量为5%时抗压强度为65.75MPa，比普通自密实混凝土提高了7%左右㊂随环氧树脂掺量的继续增大，抗压强度有较大的下降趋势㊂当环氧树脂掺量达到10%时，抗压强度为57.76MPa，与普通自密实混凝土相比降低了6%左右；当环氧树脂掺量达到15%时，抗压强度降低了17%左右㊂自密实混凝土中环氧树脂掺量在0%~5%时，抗压强度提高的原因是掺入环氧树脂后，固化的环氧树脂填充了混凝土内部的孔隙，增加了混凝土的密实度，在一定程度上提高了混凝土抗压强度[14]㊂随着环氧树脂掺量的继续增加，大量环氧树脂聚合成团包裹自由水，同时环氧树脂吸附在水泥颗粒表面，阻碍了水泥与水的接触，影响了水泥水化的过程㊂一般来说，混凝土的抗压强度主要由水泥水化产生，所以当环氧树脂掺量大于5%时，混凝土的抗压强度下降㊂
由图4(b)可知，改性自密实混凝土的抗折强度随着环氧树脂掺量的增加呈先增大后减小的趋势㊂环氧树脂掺量为10%时抗折强度提高最大，提高了16%左右；随掺量的继续增加，呈急剧下降趋势，环氧
树脂掺量为15%的改性自密实混凝土抗折强度低于普通自密实混凝土㊂当环氧树脂掺量在0%~10%时，混凝土中水散失后，环氧树脂发生固化形成的网状结构将水泥水化产物和骨料交错缠绕，从而增强了内部接触力，显著提高了混凝土承受拉应力的能力[20]㊂当环氧树脂掺量大于10%时，因大量环氧树脂在混凝土中聚合成团，阻碍了水泥的水化过程，使混凝土本身提供的抗折能力减弱㊂
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