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广东建材2 0 1 0 年第2 期研究与探讨 填料物理性质对环氧树脂砂浆性能的影响 陈钊庭- 郭文瑛黎华朝1 郭伟1 杨医博、2 ( 1 华南理工大学土木工程系) ( 2 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室) 摘要：环氧树脂砂浆的力学性能优越，在建筑领域得以广泛应用，同时也由于环氧树脂砂浆的价 格较高，导致其应用受到一定地限制。改善环氧树脂砂浆中的丰要组成部分填料可使在一定幅度 内降低环氧树脂砂浆的价格。本文主要针对填料的物理性质及其对环氧树脂砂浆性能的影响进行探 讨。 关键词：环氧砂浆；填料；材料性能 1 前言 环氧树脂是指分子结构中含有两个或两个以上环 氧基的高分子化合物，根据其结构上的差异，可分为双 酚A 型环氧树脂、脂肪族环氧树脂、酚醛环氧树脂、脂环 族环氧树脂等类型。由于其分子链中含有活泼的环氧基 团，使得它与各种固化剂相配合，并经固化过程可获得 具有各种特性的、有实际应用价值的树脂固化物 。因 此，环氧树脂行业的发展十分迅猛【2 踟。同时，这一特性 亦使得它能适用于多种成型工艺配制成不同配方，而且 调节粘度范围大，因而能适应于不同的生产工艺 6 ，环 氧树脂砂浆就是其中典型的一例。 环氧树脂砂浆是以环氧树脂为主要成分，掺入适量 固化剂、增塑剂、稀释剂及填料作为胶粘剂而组成的一 种复合材料。这种砂浆具有良好的振动和易性，而且强 度高、抗冲磨性能好、粘结力强并耐水和化学溶剂侵蚀1 7 1 。 对比传统的修补材料( 水泥砂浆) ，环氧树脂砂浆的粘结 性能、强度性能、耐久性能都要比传统的修补材料更优 越。正是由于环氧树脂砂浆的这些特性，其可被广泛用 于修补裂缝，尤其是修补混凝土裂缝L 8 9 】、梁楼结点间的 漏洞，以及用作腐蚀环境的粘结剂，使用效果很好 1 0 - - - t z 。 虽然环氧树脂砂浆具有良好的性能，但是环氧树脂 砂浆也存在一些不足之处，如价格高，有老化、开裂、脱 空现象n4 I ，制作工艺复杂，部分原料有毒，有刺激性气 味，易造成环境污染，施工要求严格n s 等。特别是环氧树 脂砂浆价格高使得环氧树脂砂浆未能在工程修补中大 范围使用。 而作为环氧树脂砂浆的主要组成部分填料，不 仅能使环氧树脂胶粘剂的性能进一步改进，降低胶粘剂 的收缩率和热膨胀系数，增加热导率和机械强度 1 6 】，提 高材料的黏结力、耐磨性，改善材料的老化性能，增长其 使用寿命等等；同时，加入大量廉价的填料，亦可使得环 氧树脂的用量下降【H 、1 8 ，从而使环氧树脂砂浆的总体价 格得到降低。因此，研究环氧树脂砂浆中掺入的填料，无 论是对提高环氧砂浆的力学性能，还是对降低环氧树脂 砂浆的成本，都有重要的意义。 2 填料的物理性质 可作为环氧树脂砂浆填料的材料有很多种，而填料 的物理性质有很多，包括密度、颗粒尺寸、颗粒表面形 态、孔隙率、颗粒形状、比表面积、硬度等等，本文主要选 取其颗粒尺寸、形状以及比表面积来进行论述。 2 1 填料的类型 常用的中性或弱碱性填料有：石棉纤维、玻璃纤维、 石英粉( 砂) 、瓷粉、铁粉、水泥、金刚砂、石墨粉、滑石粉、 石英粉、铸石粉、金刚砂及其他磨料等等，其对砂浆性能 的影响见表l 。 表1 填料对环氧材料性能影响嗍 填料名称作用 石棉纤维、玻璃纤维增加韧性、耐冲击 石英粉( 砂) 、瓷粉、铁粉、水泥、金 刚砂 提高硬度 氧化铝、瓷粉增加粘接力，增加机械强度 石棉粉、硅胶粉、高温水泥提高耐热性 石棉粉、石英粉( 砂) 、4 i 粉降低收缩率 石墨粉、滑彳I 彩 、石英粉、铸石粉提高抗磨性能及润滑性能 金刚砂及其他磨料 提岛抗磨性能 各种颜料、白墨调整色彩 2 2 填料的颗粒尺寸 颗粒尺寸是填料的一个重要性质，它密切影响着填 料使用的每一个方面，甚至可以决定填料是否可用。填 料的颗粒尺寸对填充材料的拉伸强度，抗冲击性，弯曲 强度，硬度等方面的性质都有着不同程度的影响。 一1 3 万方数据 研究与探讨广东建材2 0 1 0 年第2 期 由于颗粒尺寸的测定会因尺寸分布、粒子结合和颗 粒形状不同而复杂化。又由于较为精确的分析只有在了 解某一性质而严格控制的实验的范围内才可实验，而不 可能广泛应用于生产实际。这就使得人们难以找到一种 精确的测定颗粒尺寸的方法例。对于环氧树脂砂浆而 言，由于主要用于实际工程中，故在此不详细论述。 2 3 填料的颗粒形状 填料颗粒的典型形状主要有球形、立方体、片状、树 枝状、薄片、细长状、不规则形等。每一种颗粒形状都有 其优点，如球形颗粒( 如氧化铝) 具有最高的堆积密度和 均匀的应力分布，可增加熔融流动性和粉末流动性，并 可降低粘度；立方体和片状( 如砂) 具有良好的增强性和 堆积密度；树枝状颗粒( 如镍粉) 有非常大的表面积，有 利于发生相互作用；薄片( 如滑石粉) 有较大的反射表 面，有利于取向，且具有较低的液体、气体和蒸气的渗透 性；细长状颗粒( 如二氧化钛) 具有较高的强度，可减少 收缩和热膨胀，并可提高触变性：而不规则的颗粒虽然 不具有特殊的优势，但由于其比较容易制造，因此是较 为便宜的填料。 2 4 填料的比表面积 填料的比表面积是指单位体积的填料具有的表面 积大小，其大小与颗粒的粒径、形状、表面缺陷及孔结构 密切相关。如无孔大颗粒的比表面积最低，矿物填料颗 粒次之，有适当孔的小颗粒填料的比表面积属中等，而 颗粒很小的聚集体和高孔隙率矿物有最大的比表瓶积。 比表面积的大小对物质的许多物理及化学性能会 产生很人影响，如比表面积越大，其表面效应，如表面活 性、表面吸附能力、催化能力等也越强。特别是随着物质 颗粒粒径的变小，比表面积就成了衡量物质性能的一项 非常重要的参量。 作为表征填料的方便手段，填料的比表面积与其大 多数的性能特征及整个体系的性质都有着较为密切的 关系。因此，比表面积的测量无论在科研还是工业生产 中，都具有十分重要的意义 2 0 1 。 3 填料对环氧砂浆性能的影响 在环氧树脂里加入的填料，对改善环氧树脂的性 能、减小固化收缩、降低固化反应中的放热量、降低材料 造价都有重要影响。填料的加入可影响环氧材料的密 度、抗压强度、粘接强度、弹性模量、线胀系数等等 1 9 】。 3 1 填料的性质对材料性能的影响 1 4 - 3 1 1 填料粒径对材料性能的影响 祝君 2 1 1 通过室内成型的力学试件及试验现场取样 发现，对于弹性环氧砂浆，填料粒径的大小对环氧砂浆 的固体结构有明显的影响，通过肉眼观察即可发现明显 差异( 见表2 ) ，室内试验发现配方3 最密实，其次为配 方1 ，空隙分布较均匀，配方2 在振捣过程中出现填料 离析现象，上部密实，下部空隙多。 表2 填料粒径对材料性能的影响【2 1 1 配方1配方1配方1 最犬耗径( 哪) 0 6 3 2 5 1 2 5 1 ，J 鼬径( m m )0 0 7 4 0 0 7 40 3 与环氧树脂比例 1 ：9 l ：1 l 1 ：9 试验试件中部存室内试件底部存 现象 在大景窄隙f 1 现在大量窄隙日现 无明显 场实验底部彳r 脱场试验底部，f r 脱 空隙 窄现象】空现象 3 1 2 填料的含水率对材料性能的影响 骨料和填充料必须保持干燥，其含水率应在0 5 以下，或为胶结材料的0 3 以F ，这是保证环氧树脂 砂浆质量的关键。 砂子含水率对环氧砂浆的强度有很人影响，砂子含 水量大时，在砂粒表面形成。4 层水膜，降低粘结力，因此 使用时必须烘干，使其含水率0 2 t 引。表3 为孙长明 所做实验砂子含水率对环氧砂浆强度的影响的实 验数据： 表3 砂子含水率对环氧砂浆强度的影响固I 配合比环氧树脂1 0 0 二】脂1 7 乙二胺8 巾沙2 5 0 砂含水率O 0 4 0 1O 20 4O 611 52 抗拉强度 1 8 21 6 51 51 3 81 3 5 1 2 6 1 1 68 8 m P a 抗压强度 7 2 5 6 1 45 75 8 95 8 3 5 5 6 5 1 74 9 7 M P a 从表3 可以看出，砂予含水率对材料强度影响非常 大，当含水率达到1 左右，抗压强度就已损失2 3 ，抗拉 强度更是损失3 1 ，当含水率达到2 ，则强度损失得更 为严重。 所以填料中含有多少水分，填料是否有吸水性通常 很重要。在大多数应用中，必须采取一定措施减少填料 的水分。如环氧焦油砂浆，其填料有水泥、砂、煤焦油、石 棉泥等。而煤焦油具有憎水作用，再加上外加的压浆荷 载，使得环氧材料与混凝土之间的水层被排挤出去，减 少了水分对材料性能的影响 矧。 3 2 填料比例对材料性能的影响 万方数据 广东建材2 0 1 0 年第2 期研究与探讨 环氧树脂砂浆的配合比设计是否合理，对其性能及 成本有很大影响。一个好的配合比能使骨料与树脂达到 高度的有机结合，从而使材料的性能得以充分地应用于 实际工程中。因此，配合比设计必须满足环氧树脂砂浆 的耐久性、安定性、施工成本蚴。 砂胶比对环氧砂浆的工作性和力学性能均会产生 较为显著的影响。由于环氧胶结料的需求量取决于砂粒 间的空隙率和砂粒总表面积的大小。因此，若砂胶比过 大，而环氧胶结料数量不足，则砂浆拌和物的性能难以 保证；但若砂胶比过小，则又会导致砂浆收缩大，容易渗 胶。 杨伟才通过试验得到结论为：从拌制环氧砂浆的情 况看( 砂浆的填料为石英砂) ，当砂胶比为3 0 0 时，拌合 物的流淌性过大，表面泛浆严重，不利于工程施工。当砂 胶比为9 0 0 时，由于胶结料过少，拌合物的和易性较 差。随着砂胶比的不断增加，环氧砂浆的磨损率不断增 加。砂胶比从3 0 0 增加到7 0 0 时，磨损率的增大趋势较 缓。而从7 0 0 增加到9 0 0 时，磨损率急剧增加，这说明 纯环氧树脂的抗悬移质冲磨性能最好，随着石英砂填料 掺量的增加，其抗冲磨性能是降低的。随着砂胶比的增 大，环氧砂浆的抗压强度先是增大，但当砂胶比大于 7 0 0 后，其抗压强度却又开始降低，说明仅用抗压强度 不能反映环氧砂浆的抗冲磨性能。环氧砂浆的抗拉强度 随着砂胶比的增加一直减小，这说明填料的加入影响环 氧树脂的力学性能，使其抗拉强度不断降低嘲。 李保红与彭勃通过类似的实验，发现在砂胶比较小 时砂浆太粘，不容易成型，且胶结料容易渗出，工作性 差，随着砂胶比的增大，环氧砂浆的磨损率、抗压强度均 提高，和易性逐渐变好，但太大时砂浆会太干，不容易振 捣，因而工作性变差。故综合考虑工作性和力学性能，采 用6 ：1 或5 ：l 砂胶比较为适宜嘲。 同时，在梁剑锋等人的实验中发现，石英砂合理的 尺寸搭配能有效地降低环氧树脂的用量。因此使用良好 的级配砂能提高砂胶比，其级配砂的性能( 如石英砂表 面吸油量、级配尺寸和程度) 也最终决定环氧砂浆中添 砂比例的极限值嘲。 现在国外有研究表明，通过粗石英砂、细石英砂、石 英粉的最佳比例配合及石英砂和石英粉之间的表面浸 润性改性，可以把级配砂的添加量提高到9 2 即( 环氧 树脂+ 固化剂) ：石英砂= 1 ：1 2 ，甚至9 4 且P ( 环氧树脂+ 固化剂) ：石英砂= l ：1 5 ，而砂浆层的整体强度力学性能 还能保证在一个合理的范围跏。 3 3 填料类型对材料性能的影响 填料类型的不同会对砂浆的性能有较大的影响，国 内的陈忠达和张登良选用水泥及细砂两种不同的填料 ( 其中水泥为4 2 5 # 普通硅酸盐水泥，而细砂则为标准 砂) 进行有关“填料类型对砂浆粘结强度的影响”的试 验，其结果列于表4 中。 表4 填料类型对粘结强度的影响圆 G X 8 9 ：1 5 D B P ：1 0 二甲苯：1 0 配合比 E 一4 4 ：1 0 0 ( t = 2 4 h ；T = 2 6 ) 填料用量 3 04 05 06 07 0 水泥 粘结强度 4 1 0 5 6 56 9 07 0 36 1 5 细砂 ( M P a ) 4 2 55 1 05 8 05 9 54 6 5 由表中数据可知，环氧砂浆的粘结强度随着填料用 量的变化而变化，而且在5 0 - - 一6 0 的用量之间存在着 一个最佳用量，使得砂浆的粘结强度最大。同时，数据表 明，水泥与细砂的用量对粘结强度的变化规律基本一 致，但水泥填料的效果优于细砂填料【嚣】。 3 4 填料在环氧结构胶粘剂中的作用 环氧树脂砂浆以掺入的【矧化剂、增塑剂、稀释剂及 填料作为胶粘剂，而近年来，胶粘剂用填料有这样的发 展趋势：( 1 ) 采用超微或超细颗粒( 细度在1 “ - - - 2 0l am 范围 内) ；( 2 ) 对填料颗粒进行表面改性处理。如采用针状结构 且长度和直径比大于1 0 以上超细钛酰钾和硅灰石做填 料，则能得到很好的增强效果。 又如，采用经偶联处理过的二氧化硅去填充环氧树 脂，当其细度为3 0 一- - 4 0l am 时，具有最好的增韧效果嘲。 同时，这也是因为在偶联处理的过程中，偶联剂的与填 料发生了相瓦作用，偶联剂影响了填料的性能，而改性 的填料又影响整个体系。大量的研究工作也采用这种填 料改性方法。 4 结语 从前人的研究中可见填料的物理性质( 如填料的粒 径，类型，用量，级配，含水率等) 对环氧砂浆力学性能有 显著的影响。但这些研究主要从环氧树脂砂浆的使用性 能和力学性能出发，研究填料对砂浆性能的影响，而并 未从环氧树脂砂浆的价格与性能出发，通过提高填料的 含量，以最人限度地减少环氧树脂的用量来降低环氧砂 浆的成本。如何使用较低价格的材料( 甚至是废料) 充当 填料以得到较好性能的环氧砂浆，那无论是对环氧砂浆 这种材料的研究，还是对工业建筑的发展都有重要的积 一1 5 万方数据 研究与探讨广东建材2 0 1 0 年第2 期 极意义。 【参考文献】 1 祝大同环氧树脂的结构、物性及其高性能化的研究 J 覆 铜板资讯2 0 0 8 ( 1 ) ：3 4 3 5 2 何睿环氧树脂市场消费与发展趋势 J 中国涂料2 0 0 6 ( 1 2 ) ：2 4 - 2 7 3 李丽娟2 0 0 6 2 0 0 7 年国外环氧树脂工业进展 J 热固性树 脂2 0 0 8 2 3 ( 2 ) ：4 1 4 7 4 唐芬芬中国环氧树脂市场简要分析 J 热固性树脂 2 0 0 6 2 1 ( 6 ) ：4 6 - 4 8 5 许馨予，李小丽，彭素梅等环氧树脂生产现状以及发展趋 势 J 广州化工2 0 0 9 3 7 ( 3 ) ：4 9 5 7 6 胡志鹏我国环氧树脂市场发展综述 J 开发指南2 0 0 8 ( 1 ) ：1 6 - 1 7 7 吕咏梅国内外环氧树脂生产现状与发展趋势 J 中国氯 碱2 0 0 2 ( 7 ) ：4 5 8 高杰，胡高平，肖卫东环氧砂浆在道路修复中的应用 J 粘接2 0 0 9 ( 6 ) ：7 4 7 5 9 冀玲芳，李养平环氧树脂砂浆在混凝土修补工程中的应用 J 天津建设科技2 0 0 1 ( 4 ) ：1 4 1 5 1 0 李国荣，魏晔，王伟环氧树脂砂浆的应用 J 山东建 材2 0 0 4 2 5 ( 2 ) ：4 5 4 6 11 卢晓青，尚静媛环氧树脂砂浆的性能和应用 J 天津建 设科技2 0 0 0 ( 2 ) ：1 2 1 3 1 2 陈建斌环氧树脂砂浆及其应用 J 江西化工2 0 0 5 ( 3 ) ： 1 1 5 1 1 6 1 3 高琨也谈环氧树脂砂浆 J 科技信息2 0 0 9 ( 9 ) ： 2 7 9 2 8 0 1 4 祝君环氧砂浆大面积应用的研究 D 陕西：西安理工大学 2 0 0 5 1 5 中华人民共和国国家发展和改革委员会D L T5 1 9 3 2 0 0 4 环氧树脂砂浆技术规程 S 北京：中国电力出版社2 0 0 4 1 6 周梅。刘书贤填料品种和用量对树脂混凝土强度的影响 J 新型建筑材料2 0 0 1 ( 3 ) ：5 - 6 1 7 董庆明谈一谈环氧树脂砂浆在水工混凝土修补中的使用 J 中国农村小康科技2 0 0 6 ( 2 ) ：4 7 1 8 董洪晶环氧树脂砂浆在低温条件下的配比研究 J