环氧树脂混凝土是一种以环氧树脂胶为主料,通过掺入适量固化剂、稀释剂等形成胶粘剂,代替或部分代替水泥,与砂、石等骨料混合固化后形成的一种复合材料 ^[1]。环氧树脂混凝土不仅有着较好的抗压强度、抗拉强度以及抗弯强度,而且耐磨性好、抗冲击性强,同时兼具防水、抗冻、耐腐蚀等优点 ^[2],材料性能十分出色。新型环氧树脂混凝土是在特定材料、配合比、制作工艺的条件下生产的环氧树脂混凝土,具有作为结构材的良好特性 ^[3]。

　　 虽然环氧树脂混凝土性能优良,但其在国内外研究应用时间还比较短,目前仅凭其高强度与粘结性的优点应用于建筑结构的补强与修复工作中 ^[4]。由于新型环氧树脂混凝土材料与普通的混凝土材料在力学性能上有较大的区别,因此必须明确新型环氧树脂混凝土材料的基本特性,确定出合适掺量下的新型环氧树脂混凝土材料的应力-应变等基本力学性能参数 ^[5]。本文研究目的在于发掘利用环氧树脂混凝土的性能优点,主要以合适掺量配比的新型环氧树脂混凝土为材料,进行新型环氧树脂混凝土构件的轴拉试验,研究其受拉力学性能。通过研究环氧树脂混凝土构件的受力情况,为其能够作为一种完全的结构材料应用到实际工程中,做出基础理论探索 ^[6]。

　　 根据实际的试验条件,选取了不同长度尺寸的试件作对比试验 ^[7],试件形式及尺寸如图1所示。试件截面尺寸(轴拉段)均为200×200,试件配筋均为412/ϕ6@200。长度及数量根据试验分组要求设计。本试验试件共分为三组:第一组为无筋环氧树脂混凝土试件3个,长度为450mm,试件编号L-4～L-6,用于获得环氧树脂混凝土受拉应力-应变曲线及特征参数; 第二组为不同长度的配筋环氧树脂混凝土试件4个,轴拉端长度分别为1 050,850,650,450mm,对应试件编号Z1～Z4,用于研究配筋环氧树脂混凝土试件的尺寸效应以及环氧树脂混凝土配筋后的性能变化情况; 第三组为普通钢筋混凝土试件2个,长度分别为850,450mm,对应试件编号Z5～Z6,用于与配筋环氧树脂混凝土作对比试验研究。

　　 本试验使用环氧树脂胶、固化剂、砂子、碎石、水泥、减水剂等作为基本原料,由前期配合比试验选取的最佳配合比(环氧树脂∶固化剂∶砂子∶碎石=1∶1.2∶2.8∶3.6)制作环氧树脂混凝土试件。其中环氧树脂为粘稠的透明液体,活泼氢当量为450～470;固化剂为淡黄色粘稠液体,有效成分含量w_t为(50.0±2.0)%; 砂子为公称粒径在5mm以下的天然河沙; 碎石为公称粒径在3～4cm的机械破碎岩石颗粒 ^[8]。最后试验得到试件抗压强度(37.48MPa)略高于标准配比C30混凝土的抗压强度(35.21MPa),约提高6%,但试件抗拉强度(2.6MPa)明显强于C30混凝土抗拉强度(2.01MPa),约提高25%。

　　 试验在改造的LA-2000微机控制电液伺服拉拔试验机上进行。试验机试验力的量程为0～2 000kN,试验力控制精度为0.5%。试验数据采集系统采用DH3 816N静态应变测试系统,每台采集箱可以采集60个测点的数据,分为6个独立的采集通道,防止数据采集出现紊乱,采集系统设置为1次/s,自动采集数据并出具数据报告。

　　 试验难点在于确保试件轴心受力,为此,不仅保证试件制作尺寸准确,而且试验中采取了加载速率调整,改进实验设备,防止应力集中的措施,包括增垫铜片、预拉加载等,取得了很好的试验效果 ^[9]。

　　 在整个加载过程中,无筋环氧树脂混凝土轴拉试件并未发生任何异响,试件轴拉段也没有裂缝出现,直至加载到峰值,试件突然断裂,并伴有较大的闷响,试验结束。3个无筋环氧树脂混凝土抗拉试件加载破坏后的状态见图2。试验结束后,对拉伸断裂的试件进行宏观检查,试件的断裂面表面见图3。

　　 由图2可见,在试件的有效受拉区段内,各个试件均只有1处水平断裂面,且断口齐整,试件的断裂面与试件的纵轴垂直,尽管各试件断口位置不同,但都在试验有效段范围内。由图3中断面放大后可见,裂缝界面清晰、整齐,裂缝两旁的环氧树脂混凝土坚实、稳定,无其他裂缝出现。试验结果表明:当环氧树脂混凝土内部的最薄弱位置达到其极限抗拉强度后,开始出现裂缝,随即沿垂直于试件的纵向轴线(荷载作用)方向迅速贯通整个试件截面,形成断裂面,且在整个过程中只形成一个断裂面,试件破坏形式为典型的轴心受拉破坏。

　　 整理试验获得的数据,绘制了各个无筋环氧树脂混凝土轴拉试件的应力-应变曲线,见图4。由图4可以看出,各曲线趋势基本相同。开始受力后,应变随应力增长而增加,应力-应变曲线近似呈线性关系,当应力达到(0.6～0.8)f_t时,应变增长稍快,曲线微凸。当应变约为(230～250)με时,得到抗拉强度f_t,得到的各个试件试验结果见表1。

　　 分析试验数据得出:在最佳配合比下,环氧树脂混凝土抗压强度接近于C30混凝土(抗拉强度为2.6MPa,弹性模量为10 000MPa,泊松比为0.26)。各试件的应力-应变曲线的整体趋势相同,说明试验结果可靠。

　　 对4种不同长度的试件(Z1～Z4)进行试验。各试件破坏形态基本一致,均为一条水平贯穿横截面的裂缝,破坏位置有所不同,但均在有效区段内,符合轴拉试验的破坏规律。当荷载增加到100kN左右时,试件达到极限拉力,试件表面出现第一条裂缝,类似于无筋新型环氧树脂混凝土的脆性断裂,这一条裂缝也迅速贯通表面。随着荷载继续增加,试件断裂面处的初始裂缝逐渐变宽,但始终未出现新的裂缝。

　　 将第二组4个试件的轴力-应变曲线如图5所示。试件轴拉端长度与最大轴力关系如图6所示。从图5可以看出,曲线总体走势相同,当平均应变为(100～150)με时,配筋环氧树脂混凝土试件混凝土抗拉的轴力值达到最大,试件开裂; 随着试件轴拉段长度的增加,配筋环氧树脂混凝土试件的最大轴力有所提高,开裂应变也逐渐增大,待新型环氧树脂混凝土完全开裂后,试件承受的拉力则完全由钢筋承担,当随着拉力继续增加时,最后钢筋则会达到屈服阶段 ^[10]。分析力学性能机理得出:当混凝土中掺入环氧树脂后,胶体可以均匀地包裹在骨料与钢筋的表面,形成高粘结力的膜,对骨料与钢筋包裹更加密实,胶体充分进入到细微的孔隙中,内部缺陷情况得到极大程度上改善,当新型环氧树脂混凝土成型后试件形成均匀、紧密的结构。在一定长度内试件尺寸的增加并未出现如普通混凝土的尺寸效应,反而承载力更大,抗裂性能更好。

　　 由图6可见:轴拉端长度450mm的试件与轴拉端长度1 050mm的试件最大轴力相差仅2.2%,随着试件长度增加,试件的最大轴力变化不大,说明新型环氧树脂混凝土材料抗拉性能稳定,整体性好。

　　 进行了相同尺寸的配筋环氧树脂混凝土与普通钢筋混凝土试件的对比试验,以轴拉端长度850mm试件为例,配筋新型环氧树脂混凝土与普通钢筋混凝土轴力-应变(N-ε)曲线以及加载破坏后的形态对比如图7,8所示。

　　 由图7可知,二者曲线发展趋势大致相同,但新型环氧树脂混凝土的开裂应变140με高于普通混凝土开裂应变100με,新型环氧树脂混凝土的开裂轴力118kN,远高于普通混凝土的开裂轴力70kN,曲线后半段混凝土断裂后的钢筋受力阶段大致相同,体现了新型环氧树脂混凝土优于普通混凝土的抗拉性能 ^[11]。

　　 从图8可以看出:两种混凝土试件的破坏形式均为横向断裂,不同之处在于配筋环氧树脂混凝土试件破坏形式为一条贯穿截面的横裂缝,普通钢筋混凝土试件为试件表面均匀分布的多条横裂缝。当环氧树脂混凝土某一截面达到抗拉强度后出现第一条裂缝,之后拉力的增大只是使环氧树脂混凝土试件初裂缝加宽和延伸,其余位置没有新的裂缝出现。普通钢筋混凝土试件是在初始裂缝出现后,随着拉力的增加,逐渐在不同断面出现多个裂缝。

　　 两种试件的不同破坏现象说明新型环氧树脂混凝土材料的特性形成了这种差异。普通混凝土中存在水泥水化作用与水分蒸发而造成的微空隙,产生内部缺陷; 而环氧树脂混凝土由环氧树脂胶来代替普通混凝土中的水泥作为胶凝材料,胶体能够填补混凝土内部粗、细集料之间的空隙和裂缝,降低了内部出现缺陷的几率,结构更加致密,这使得环氧树脂混凝土的抗拉性能大大高于普通混凝土。同时,在配筋后,新型环氧树脂混凝土与钢筋的粘结力、摩擦力以及咬合力较普通混凝土也更强,当试件某个截面开裂后,试件的其他截面钢筋与新型环氧树脂混凝土的粘结依然完好,整体受力较好,裂缝处仅钢筋受力,因此裂缝逐渐增大,而其他位置混凝土拉应力σ始终达不到抗拉强度f_t,也就不会产生新的裂缝。

　　 (1)在抗压强度相同情况下,新型环氧树脂混凝土较普通混凝土抗拉强度提高较多,约等同于C50混凝土的抗拉强度; 随着轴拉试件长度的增加,配筋新型环氧树脂混凝土的最大轴力与开裂应变有所增大。说明环氧树脂混凝土与钢筋粘结性较强,且整体性好。

　　 (2)新型环氧树脂混凝土轴拉构件的破坏形式为:仅出现一条垂直于受力轴方向的横向裂缝,且贯通整个试件横截面,不同于相同尺寸的普通钢筋混凝土试件的典型多缝破坏; 体现了新型环氧树脂混凝土更加优异的材料粘结性能及较好的抗裂性能。

　　 对于新型环氧树脂混凝土结构的研究,应不断地完善和深入,这将为新型环氧树脂混凝土材料真正作为结构材料提供可靠的理论依据,为新型环氧树脂混凝土在结构工程领域中的推广应用以及开拓更加广阔的市场提供条件。