环氧树脂胶凝砂砾石材料抗冲磨性能试验研究

车南雪

(河北省子牙河务中心，河北 衡水 053000)

胶凝砂砾石材料是将水泥、粉煤灰等胶凝材料、水、原状砂砾或工程废弃料通过简易拌合所得到的新型筑坝材料[1]。胶凝砂砾石材料坝可以充分利用大坝坝址部位的天然砂石料和开挖弃料，有效拓展了骨料的使用范围，不仅施工方便，还可以大幅降低工程投资，相对于土石坝具有漫顶不溃的巨大优势，在水利工程领域拥有十分广阔的应用前景[2]。目前，关于胶凝砂砾石材料的研究主要集中于强度、渗透性以及抗冻性等物理力学性质方面，对抗冲磨性能的关注不多[3]。但是，水利工程运行过程中，高速水流经常会携带大量的泥沙，会对胶凝砂砾石大坝的防渗保护层产生比较严重的冲刷和磨蚀破坏，从而降低大坝的安全性，不利于大坝的安全、稳定运行[4]。因此，提高胶凝砂砾石材料的抗冲磨性能具有十分重要的工程应用价值。环氧树脂作为一种新型建筑材料，其本身的抗冲磨性能较差，但是其与砂砾石材料之间有良好的黏结作用，可以有效抵抗含沙水流地冲磨影响[5]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，研究环氧树脂、稀释剂的种类以及掺量对胶凝砂砾石材料抗冲磨性能的影响，为胶凝砂砾石材料的使用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

此次研究中使用的水泥为辽宁鞍山通达水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。对水泥样品进行实验室检验，其28 d抗压强度为56.5 MPa，抗折强度为8.4 MPa；初凝时间为187 min；终凝时间为241 min，各项指标均满足实验要求，可以用于此次试验研究。

粉煤灰为电厂的副产品，将其用于胶凝砂砾石材料可以减少水泥用量，降低工程成本，同时还可以提高材料的强度。此次研究选用的是热电厂干排粉煤灰。经测定，粉煤灰样品的表观密度为2.21 g/cm3、需水比为101.5%、烧失量为1.67%。

试验用骨料为取自河道并经过筛分的天然砂砾石材料，其最大粒径为150 mm。压碎指标为3.2%。试验用高效减水剂和引气剂均由北京中水科海利工程有限公司生产；试验用水为普通自来水。

试验用环氧树脂为中石化沧州石化厂出品的双酚A环氧树脂，具有良好的酸碱环境耐受性，使用成本较低；固化剂为唐山冀胜化工有限公司生产的593固化剂。该固化剂可以和水互溶，同时黏度较小，容易调胶。由于环氧树脂黏度较大，往往需要添加适量稀释剂[6]。此次研究选择HK-66 活性稀释剂和丙酮进行对比。

1.2 试样制备

在试验中使用JZW350强制式多功能搅拌机进行胶凝砂砾石材料的拌合。在拌合之前，首先根据设计好的配合比，称量好水泥、粉煤灰、砂砾石料，然后加入搅拌机搅拌10 s，使上述拌合物充分搅拌均匀后，再加入水和外加剂，再搅拌120 s。采用两次拌合的方式，可以实现胶凝材料和骨料的充分接触，并均匀包裹住骨料。将环氧树脂、固化剂和稀释剂充分搅拌均匀，然后将其加入拌合完成的胶结砂砾石材料中再次搅拌3 min并立即成型试件[7]。试验采用的模具规格为内径300 mm、高100 mm的圆柱形试模。在模具装料之前，要首先对模具内部进行清理冲洗并擦拭干净，然后均匀涂抹一层脱模剂。将制作完成的胶凝砂砾石材料迅速装入试模，并从四周向中心进行环向人工振捣。为了保证试件的密实度，插捣次数应在25次以上。在插捣完毕之后，用抹刀抹平试件的表面，特别是注意封堵好明显的孔洞。在试件成型之后在自然环境下静置24 h后拆模，然后在标准养护室养护至28 d龄期，然后取出试件在室外自然环境下静置至90 d龄期。

1.3 试验方法

抗冲磨性能试验使用HCKM-2型混凝土抗冲磨试验机，其基本原理是通过电磁调速电机带动叶轮，使叶轮的转速达到1 200 r/s并带动水搅动70个直径大小不等的钢球对试件进行72 h的摩擦磨损，以验证试件表面的抗磨损能力[8]。试验中利用单位面积上的磨损质量所需要的时间表示试件的抗冲磨强度，其计算如式(1)：

(1)

式中：R为试件的抗冲磨强度，m2h/kg；T为冲磨时长，h；A为试件的表面积，m2；MT为冲磨后试件的质量损失，kg。

1.4 试验方案

环氧树脂和稀释剂的种类和添加量均为试验结果的重要影响因素，结合相关研究经验，试验中选择油性和水性两种环氧树脂种类，设置3%、6%和9%等3种不同的掺加比例进行试验。由于水性环氧树脂可以通过拌和水稀释，因此不需要添加稀释剂。对于油性环氧树脂，选择活性和非活性两种稀释剂，并设置5%、10%和15%等3种相对于环氧树脂重量的掺加水平进行试验。同时，将不掺加环氧树脂作为对比方案。具体的试验方案设计如表1所示。

表1 试验方案参数设计表

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

对不同试验方案的抗冲磨性能进行试验，获得的抗冲磨强度如表2所示。由计算结果可以看出，不同试验方案的试件抗冲磨强度存在比较显著的差异，说明环氧树脂和稀释剂的种类及掺量会对胶凝砂砾石材料的抗冲磨性能存在显著影响。

表2 试件抗冲磨强度试验结果

2.2 试验结果分析

2.2.1 环氧树脂种类

利用试验数据，绘制出如图1所示的不同环氧树脂种类试件的抗冲磨强度随环氧树脂掺量的变化曲线。由图可知，在胶凝砂砾石材料中掺加环氧树脂可以显著提高其抗冲磨性能，同时，掺加比例越大，抗冲磨性能越好。但是，当掺加量大于6%时，抗冲磨强度增加速率明显变小。因此，考虑工程的经济性，不应大幅增加环氧树脂的掺量。从水性和油性环氧树脂的对比来看，掺加水性环氧树脂的效果更明显。原因是水性环氧树脂不需要稀释，而没有稀释的油性环氧树脂黏性较大，与水泥等材料的拌合效果较差，不利于其性能的有效发挥。

图1 不同环氧树脂种类抗冲磨强度变化曲线

2.2.2 稀释剂

利用试验数据，绘制出如图2所示的不同种类稀释剂试件的抗冲磨强度随掺量的变化曲线。由图可知，添加5%、10%和15%活性稀释剂的条件下，试件的抗冲磨强度分别提升了14.02%、22.35%和23.11%。所以，在油性环氧树脂添加活性稀释剂之后，试件的抗冲磨强度得到明显提升，但是稀释剂的掺量大于10%时的作用效果极为有限。同时，不同掺加量下的抗冲磨强度均超过掺加水性环氧树脂的试验方案。在掺加非活性稀释剂的情况下，试件的抗冲磨强度呈现出不断减小的趋势，也就是说掺加非活性稀释剂反而不利于试件抗冲磨强度的提高。原因是活性稀释剂不仅可以降低拌合物的黏稠度，改善拌合效果，还可以和环氧树脂发生固化反应，从而增强胶凝砂砾石的抗冲磨性能。非活性稀释剂丙酮虽然可以降低环氧树脂的黏稠度，提高材料的拌合效果，但并不与环氧树脂发生反应，而后期丙酮的挥发还会造成试件内部孔隙结构的增加，降低试件的抗冲磨强度。总体来看，在胶凝砂砾石材料中掺加活性稀释剂+油性环氧树脂可以取得更好的抗冲磨效果，从工程经济性来看，油性环氧树脂和活性稀释剂的最佳掺量应该为6%和10%。

图2 不同稀释剂种类抗冲磨强度变化曲线

3 结 论

此次研究通过室内试验的方法，探讨分析了环氧树脂对胶凝砂砾石材料抗冲磨性能的影响，获得的主要结论如下：

(1)在胶凝砂砾石中掺加环氧树脂可以显著提高其抗冲磨性能，当掺加量大于6%时，提高抗冲磨强度的作用显著降低。

(2)在不掺加稀释剂的情况下，掺加水性环氧树脂对提高胶凝砂砾石材料抗冲磨性能的作用更为显著。

(3)在油性环氧树脂中掺加活性稀释剂有助于提高胶凝砂砾石材料的抗冲磨性能，而掺加非活性稀释剂反而会降低胶凝砂砾石材料的抗冲磨性能。

(4)在条件允许的情况下，建议在胶凝砂砾石材料中添加6%的油性环氧树脂，并用10%的活性稀释剂稀释。