纳米二氧化硅/聚氨酯协同改性环氧树脂冲蚀磨损性能研究

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强风沙环境下的混凝土结构常年受到风沙流的冲蚀磨损,加之其它自然因素的共同作用,严重降低了混凝土结构的耐久性,因此常采用环氧树脂作为基体材料对其进行防护。环氧树脂因其市场成本低廉,应用前景广泛,成为混凝土结构表面防护和修补的常用材料,然而纯环氧树脂的一系列缺点导致其并不适合直接用于工程实际。因此,在工程防护应用中,对环氧树脂进行增韧改性成为研究者们不断探索的重要课题。本文首先采用市售聚氨酯增韧剂A72、103F及自制聚氨酯对环氧树脂进行增韧改性,测试了改性后环氧树脂的力学性能和冲蚀磨损性能,通过对比得出了聚氨酯增韧改性剂的最佳比例;而后采用纳米SiO2与聚氨酯协同改性环氧树脂,测试了改性后环氧树脂的力学性能和冲蚀磨损性能,得出了纳米SiO2/聚氨酯协同改性环氧树脂的冲蚀特性;最后制备了纳米SiO2/聚氨酯协同改性环氧树脂基复合材料,测试了其冲蚀磨损性能,验证了不同纤维取向铺层纳米SiO2/聚氨酯协同改性环氧树脂基复合材料用作强风沙流环境下混凝土结构冲蚀磨损防护材料的可行性。实验得到了如下结论:(1)聚氨酯改性环氧树脂。A72改性剂的加入,严重降低环氧树脂材料的强度和硬度,而聚氨酯增韧剂103F及自制聚氨酯的添加,对环氧树脂的拉伸强度影响不大,但提高了其冲击韧性,相比较而言自制聚氨酯的增强、增韧效果更好,当自制聚氨酯添加量为15%时,环氧树脂的拉伸强度为38.84 MPa,冲击韧性为1.38 J/cm2,邵氏硬度在8082之间。103F及自制聚氨酯改性后的环氧树脂材料的抗冲蚀性能都有所提高,当两种增韧剂的掺量均为15%时,在各个冲蚀角度下,冲蚀率都最低;在冲蚀率最大的45°冲蚀角度下,15%103F改性环氧树脂材料的冲蚀率相比空白样降低了约27.7%,15%自制聚氨酯改性环氧树脂材料的冲蚀率相比空白样降低了约51.1%,表现出更为优异的冲蚀抗力。(2)纳米SiO2改性环氧树脂。一定量纳米SiO2的掺入改善环氧树脂材料的力学性能,当纳米Si O2掺量为1%时,拉伸强度达到38.74 MPa,冲击韧性达到1.99 J/cm2,邵氏硬度值达到80。纳米SiO2改性环氧树脂同样表现出了半塑性材料的冲蚀规律,在冲蚀率最大的45°冲蚀角度下,掺量为1%的纳米SiO2所改性的环氧树脂材料的冲蚀抗力最高。(3)纳米SiO2/聚氨酯协同改性环氧树脂。1%纳米SiO2与15%聚氨酯协同改性环氧树脂材料时,其拉伸强度相比空白样变化不大,但是其冲击韧性达到了2.59 J/cm2,相比15%自制聚氨酯改性环氧树脂提高了87.7%;纳米SiO2/聚氨酯协同改性环氧树脂同样保持半塑性材料的冲蚀规律,在45°冲蚀角度下冲蚀率最大;1%纳米SiO2与15%聚氨酯协同改性环氧树脂材料在45°冲蚀角度下的冲蚀率为0.0335 mm3/g,相比其单独改性环氧树脂的冲蚀率分别降低了36.3%和36.2%。(4)玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料。不同铺层方向玻璃纤维布增强1%纳米SiO2与15%聚氨酯协同改性环氧树脂基复合材料在冲蚀角为60°时冲蚀率最高,同样表现出了半塑性材料的冲蚀规律,但玻璃纤维布的加入使得环氧树脂基材料脆性倾向加大;在各个冲蚀角度下,0°取向铺层的环氧树脂基复合材料的抗冲蚀磨损性能最好;60°冲蚀角度下,0°取向铺层的玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料的冲蚀率是M30砂浆、C30混凝土、C50混凝土和水泥石冲蚀率的1/461/11,说明该复合材料具有良好的抗冲蚀能力,适宜用作强风沙环境下混凝土结构冲蚀磨损防护材料。
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