摻粉煤灰的樹(shù)脂混凝土的性能和應(yīng)用

摘要：用粉煤灰替代15 %的砂可使無(wú)筋樹(shù)脂混凝土柱體的抗壓強(qiáng)度提高約30 % ，鋼筋樹(shù)脂混凝土梁的抗彎強(qiáng)度提高約15 %在熱循環(huán)作用下，可比波特蘭水泥混凝土的抗拉結(jié)合強(qiáng)度約提高7 % ，徐變?nèi)岫燃s降低5 % ，但不會(huì)影響樹(shù)脂混凝土的抗剪強(qiáng)度。摻灰的樹(shù)脂混凝土可用在橋梁和樓板的薄層覆面、修補(bǔ)混凝土橋梁、路面和飛機(jī)跑道道面，以及墻板、樓板、地下拱頂?shù)阮A(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)方面。

關(guān)鍵詞：樹(shù)脂混凝土；粉煤灰；性能；用途

1 　引言

      目前，國(guó)外一些砼工作者從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性方面著眼，已把目光投向“在樹(shù)脂混凝土中摻用粉煤灰，以提高混凝土性能”的研究上，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)及實(shí)踐，已取得很好的成果。本文以K. S. Rebeiz 教授為代表的有關(guān)研究成果[1 ] 為主，結(jié)合其它有關(guān)資料作簡(jiǎn)要介紹。

      樹(shù)脂混凝土是通過(guò)將分級(jí)良好的無(wú)機(jī)骨料與一種樹(shù)脂膠結(jié)劑拌合而成的高性能樹(shù)脂膠結(jié)復(fù)合材料。不飽和聚酯由于其良好特性和較低價(jià)格，成為用于樹(shù)脂混凝土最普遍的膠結(jié)劑。該混凝土比波特蘭水泥混凝土有高得多的強(qiáng)度和更好的耐久性，比水泥基材料硬化快得多，前者只需幾分鐘或幾小時(shí)，后者則須幾天或幾周。目前人們對(duì)樹(shù)脂混凝土還不夠熟悉，加上其成

      本比傳統(tǒng)材料高，故其應(yīng)用仍屬有限。本文介紹的摻粉煤灰的樹(shù)脂混凝土的性能，包括抗壓強(qiáng)度、在熱循環(huán)下對(duì)波特蘭水泥混凝土基體的抗拉結(jié)合強(qiáng)度、徐變?nèi)岫取摻顦?shù)脂混凝土梁的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度， 以及摻粉煤灰的樹(shù)脂混凝土的原料及配制。

      摻灰樹(shù)脂混凝土的主要原料為不飽和聚酯樹(shù)脂礫石(粗骨料) 、砂和F 級(jí)粉煤灰(細(xì)骨料) 。礫石和砂須在125 ℃烘干至少24 小時(shí)，使含水量降至0.5 %以下， 以確保樹(shù)脂基材與骨料間有良好的粘結(jié)。研究所用粉煤灰的主要組分列于表1 。所有粉煤灰均通過(guò)200 目(0.075mm) 篩，通常從供應(yīng)商獲取的干灰則不需烘干。

      樹(shù)脂混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合其用途，并使其和易性、強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳化。

       生產(chǎn)中把占樹(shù)脂重量1 %的9 %活性氧甲基·乙基酮過(guò)氧化物引發(fā)劑和占樹(shù)脂重量0.1 %的12 %溶解狀態(tài)的環(huán)烷酸鈷(CoNp ) 助催化劑加入液態(tài)不飽和聚酯樹(shù)脂中進(jìn)行硬化。然后將礫石、砂和粉煤灰加入不飽和聚酯中，拌合3 分鐘后澆注成型，并在室溫下養(yǎng)護(hù)。引發(fā)劑起引發(fā)聚合作用，助催化劑起加速反應(yīng)作用。由于苯乙烯與聚酯鏈的活性雙鍵結(jié)合，便將它們連在一起形成高強(qiáng)三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，硬化也就發(fā)生。由于聚酯樹(shù)脂膠結(jié)劑的作用便將分級(jí)良好的骨料膠結(jié)在一起構(gòu)成樹(shù)脂混凝土。

　　試驗(yàn)齡期定在試件澆筑后的第7 天，以便樹(shù)脂混凝土有足夠的時(shí)間達(dá)到最終強(qiáng)度。

2 　試驗(yàn)及其結(jié)果討論

2.1 　抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

      試驗(yàn)采用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)。供試驗(yàn)的兩種樹(shù)脂混凝土為RC1 和RC2 。RCl 的重量配合比為10 %樹(shù)脂、45 %豆礫石和45 %砂。RC2 的重量配合比為10 %樹(shù)脂、45 %豆礫石、30 %砂和15 %粉煤灰。分別將RC1 和RC2 制作成<76mm ×152mm 圓柱體試件。將試件置于液壓加載試驗(yàn)機(jī)中，以441500N/ min 的加載速率測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。RC1 和RC2 的典型壓縮應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線示于圖1 。

      一般來(lái)說(shuō)，用粉煤灰替代重量15 %的砂可使樹(shù)脂混凝土的抗壓強(qiáng)度提高約30 %。粉煤灰的細(xì)小球形顆粒能使新拌樹(shù)脂混凝土獲得較好的潤(rùn)滑性，從而改善混合物的塑性和粘聚性，生產(chǎn)出質(zhì)均致密的樹(shù)脂混凝土制品。在樹(shù)脂混凝土中使用粉煤灰作為填充料， 還具有其它一些優(yōu)點(diǎn)，這里不作討論。不過(guò)對(duì)于摻灰量較大的情況應(yīng)謹(jǐn)慎從事，因?yàn)榛业母弑缺砻娣e可能導(dǎo)致混合物粘稠而難以灌筑。

2.2 　熱循環(huán)試驗(yàn)

      熱循環(huán)能引起樹(shù)脂混凝土覆面層與波特蘭水泥混凝土基體間粘結(jié)強(qiáng)度降低。為使樹(shù)脂混凝土能適應(yīng)這方面的應(yīng)用，需作熱循環(huán)試驗(yàn)。

      供試的兩種試件為RC3 和RC4 。其骨料與樹(shù)脂的重量比均為4 ：1 ，二者均采用相同柔性的不飽和聚酯膠結(jié)劑配成。RC3 的配合比為20 %的樹(shù)脂和8 %的砂；RC4 的配合比為20 %的樹(shù)脂、60 %的砂及20 %的粉煤灰。

      在噴砂的波特蘭水泥混凝土板上澆筑6mm 厚的樹(shù)脂混凝土面層，然后作熱循環(huán)試驗(yàn)。在長(zhǎng)達(dá)24 小時(shí)的每個(gè)循環(huán)中其室內(nèi)溫度從- 25 ℃變化到75 ℃。每一次熱循環(huán)取出一些試件，采用拔拉結(jié)合力試驗(yàn)法對(duì)試件的面層進(jìn)行測(cè)試。首先，穿過(guò)其面層取芯，然后在取芯處用粘結(jié)力強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂將一些圓形鋼盤(pán)粘結(jié)到噴砂的樹(shù)脂混凝土面層上。最后施加拉力拔拉這些鋼盤(pán)，測(cè)定粘合破壞類型和量級(jí)。

      混凝土基體間的粘結(jié)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)80 次熱循環(huán)其粘結(jié)強(qiáng)度可減小45 %以上。其原因是樹(shù)脂混凝土的熱膨脹系數(shù)比相應(yīng)的波特蘭水泥混凝土的值高4 倍。熱循環(huán)還可能導(dǎo)致材料熱疲勞。在路面和橋梁中，應(yīng)避免樹(shù)脂混凝土面層剝離破壞，因?yàn)槟菢訒?huì)降低其對(duì)水和氯離子的抗?jié)B性。

       圖2 表明：摻灰的RC4 覆面層比未摻灰的RC3 覆面層的抗熱循環(huán)性能約提高7 %。這是因?yàn)榉勖夯沂够旌狭汐@得了優(yōu)良的和易性，從而使得作成的面層具有優(yōu)良的澆筑質(zhì)量。然而決定RC 覆面抗熱循環(huán)性能的最重要因素則是用于制作覆面的樹(shù)脂種類。對(duì)于須要經(jīng)受大的熱脹縮的RC 覆面應(yīng)使用具有低彈性模量和高極限拉應(yīng)變的柔性樹(shù)脂膠結(jié)劑，以使制得的低彈性模量RC 面層與基體界面上的應(yīng)力減到最低程度，并使具有高極限拉應(yīng)變的樹(shù)脂能承受住溫度變化引起的顯著伸張而不致破壞。

2.3 　鋼筋樹(shù)脂混凝土抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

      供試的兩種樹(shù)脂混凝土的重量配合比與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所用的兩種完全相同，仍為RC1 和RC2 。鋼筋樹(shù)脂混凝土梁具有100mm ×150mm 的矩形橫截面。矩形鋼筋的保護(hù)層為35mm。試驗(yàn)時(shí)將梁簡(jiǎn)支，在跨度1/ 3 點(diǎn)處施加等荷載，加載速率為451000N/ min 。測(cè)試兩鋼筋樹(shù)脂混凝土剪力梁和彎曲梁的結(jié)構(gòu)性能。

      圖3 給出具有不同鋼筋百分比的樹(shù)脂混凝土RC1 和RC2 的彎矩強(qiáng)度曲線。從中可以看出，用粉煤灰替代15 %的砂能使鋼筋樹(shù)脂混凝土梁的抗彎強(qiáng)度提高15 %。鋼筋百分比對(duì)提高RC1 和RC2 的彎矩強(qiáng)度相當(dāng)有效。其彎曲破壞從截面的彎曲裂縫起源處開(kāi)始， 并隨著加載增大循著受壓區(qū)向上擴(kuò)展。當(dāng)達(dá)到樹(shù)脂混凝土的極限壓應(yīng)變時(shí)，梁便發(fā)生破壞，混凝土的受壓部分呈V 字形破裂。

2.4 　樹(shù)脂混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

      圖4 表示在不同剪力跨距—高度比時(shí)RC1 和RC2 的抗剪強(qiáng)度。雖然摻灰能使樹(shù)脂混凝土的抗彎強(qiáng)度顯著提高，但圖4 顯示RC1 梁和RC2 梁的抗剪強(qiáng)度幾乎相同。這表明粉煤灰的效應(yīng)對(duì)樹(shù)脂混凝土的抗剪強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響。實(shí)際上，樹(shù)脂混凝土梁的剪切破壞是突然性的，因而應(yīng)在設(shè)計(jì)中采取預(yù)防措施，加以避免。

       圖4 顯示，由于彎- 剪裂縫擴(kuò)展到梁的受壓區(qū)而使其受到超限應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)壓力破壞，并進(jìn)而導(dǎo)致受壓區(qū)斷面越來(lái)越小，達(dá)到最終破壞。由于混凝土沿鋼筋發(fā)生的破裂與受壓區(qū)混凝土的壓破同時(shí)出現(xiàn)，因而成為對(duì)高強(qiáng)混凝土來(lái)說(shuō)可能是特有的第三種破壞形式。

2.5 　樹(shù)脂混凝土徐變?cè)囼?yàn)

       對(duì)于長(zhǎng)期承受大荷載的場(chǎng)合，為預(yù)防因其粘彈性可能引起過(guò)大的徐變變形，進(jìn)行了徐變?cè)囼?yàn)。供試樹(shù)脂混凝土為RC5 和RC6 。RC5 的重量配合比為10 % 的樹(shù)脂、43 %的豆礫石和47 %的砂；RC6 的重量配合比為10 %的樹(shù)脂、43 %的豆礫石、30 %的砂和17 %的粉煤灰。所制供試徐變?cè)嚰?lt;75mm ×105mm 圓柱體。試驗(yàn)時(shí)將諸試件相互疊置對(duì)中，以確保各試件受力相同。試驗(yàn)裝置由電應(yīng)變儀和自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)組成。為了確保試驗(yàn)期內(nèi)溫度恒定在25 ℃，須將試件封在一個(gè)絕熱的泡沫聚苯乙烯盒子中。RC5 和RC6 的徐變?nèi)岫仁居趫D5 。從圖5 可知： 在3000 小時(shí)后， RC5 和RC6 的徐變?nèi)岫确謩e為68μm/ MPa 、64μm/ MPa ，即摻入粉煤灰可使樹(shù)脂混凝土的徐變?nèi)岫冉档图s5 %。盡管摻灰有如此效果，但其最重要的因素還是樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)，即樹(shù)脂交聯(lián)或分子重量增加，都能影響分子間的滑移而導(dǎo)致徐變減小。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是： 當(dāng)徐變應(yīng)力強(qiáng)度比超過(guò)約50 % 時(shí)，樹(shù)脂混凝土?xí)霈F(xiàn)過(guò)大徐變變形和突然破壞。

3 　摻灰的樹(shù)脂混凝土的應(yīng)用

      由于摻粉煤灰的樹(shù)脂混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，在熱循環(huán)作用下比波特蘭水水泥混凝土有較高的抗拉結(jié)合強(qiáng)度，且徐變?nèi)岫扔兴鶞p小，故可用于垂直和側(cè)向重荷載條件下的各種結(jié)構(gòu)中，如承受風(fēng)力及地震力荷載的墻板， 承受車輛荷載的拱頂和公共地下設(shè)施的覆蓋層，承受大范圍荷載作用的機(jī)床零件， 能抵抗住側(cè)面土壓的地下拱頂， 承受鐵道靜動(dòng)荷載的軌枕，以及作為單面層和夾心板型式生產(chǎn)的建筑板材、樓板或磚等。此外，也可將該混凝土用在波特蘭水泥混凝土路面和橋梁上制作成厚度5mm～25mm 的覆面，防止?jié)B透的保護(hù)基體。該混凝土還可作為鋪面材料用于修補(bǔ)剝落損壞的波特蘭水泥混凝土路面。由于這種摻粉煤灰的混凝土具有良好的力學(xué)性能及耐久性，故用在結(jié)構(gòu)物上用量較少，能減輕自重，并可減少維護(hù)和修善工作量。再者，這種混凝土固化很快，夜間施工，第二天即可恢復(fù)使用?，F(xiàn)場(chǎng)的施工質(zhì)量和連續(xù)監(jiān)控將決定著這些材料的長(zhǎng)期使用性能，因而是應(yīng)當(dāng)認(rèn)真對(duì)待的。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 　K. S. Rebeiz ， M. ASCE 等. Properties of Polymer Concrete Using Fly Ash [J ] ，《Journal of Materials in Civil Engineering》， 2004 年，1～2 月號(hào)