技术领域
[0001] 本
发明涉及线性
热膨胀系数的计算方法，具体地指一种利用线性热膨胀系数制备环氧砂浆和混凝土的方法。
背景技术
[0002] 环氧砂浆是一种以环氧
树脂、
固化剂与
无机填料按一定比例混合配置而成的
复合材料，其中
环氧树脂的固化物是由环氧树脂与固化剂交联反应形成的具有三维网络结构的高聚物，在
土木工程应用广泛。
[0003] 环氧砂浆使用过程中经常出现因
温度变化造成的破坏，因此，在使用环氧砂浆时，需要对其线性热膨胀系数进行测量，在满足相关要求的情况下方可使用。但是，线性热膨胀系数的测量是一项耗时、耗
力、耗费的工作，精确的测量更是需要昂贵的仪器才能实现。而且由于环氧砂浆中各原材料的成分、比例经常变化，特别是研发阶段，若对每一种试验比例进行线性热膨胀系数的测试，将会消耗大量精力、财力、物力，也会严重影响研发的进度和
质量。因此，迫切需要找到一种简单、实用、快速的方法计算出环氧砂浆的线性热膨胀系数。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种利用线性热膨胀系数制备环氧砂浆和混凝土的方法。
[0005] 本发明的试验测试方法基于《ASTM D696 Standard Test Method for Coefficient of Linear Thermal Expansion of Plastics Between-30℃ and 30℃ with a Vitreous Silica Dilatometer》标准中的线性热膨胀系数的测试方法，具体测试方法的示意图见图1，利用包裹在
石英玻璃管4内的样本3在温度变换中出现的膨胀变化，通过石英玻璃棒5出现的高差变化来得到样本3的具体膨胀变化的数值。
[0006] 本发明的原理如下：由于填料的线性膨胀系数远远小于环氧树脂，在环氧砂浆中，填料都被环氧树脂包裹，在降温时，填料会限制一部分包裹树脂的收缩，而树脂则会增加所包裹填料的收缩；升温时，填料会限制一部分包裹树脂的膨胀，而树脂则会增加所包裹填料的膨胀。为了便于分析环氧砂浆线性膨胀系数，做出如下假设：
[0007] (1)不考虑限制膨胀、收缩过程中，环氧树脂、填料因限制作用产生的
应力造成的变化；
[0008] (2)不考虑填料的嵌固效应，认为填料完全被环氧树脂包裹；
[0009] (3)将填料抽象为立方体，包裹填料的环氧树脂也划分为均匀的立方体，不考虑各立方体之间的限制作用；
[0010] (4)不考虑温度梯度效应，不考虑体积
变形；
[0011] 由于填料的
弹性模量(一般为20-30Gpa之间)远大于环氧树脂的弹性模量(一般为0.1-2.8Gpa之间)，在升温或降温过程中，填料对环氧树脂的变形限制作用远大于环氧树脂对填料变形的限制作用，也即当环氧树脂材料被填料限制时，该被限制部分环氧树脂的线性热膨胀系数可以等同于填料的线性热膨胀系数。因此线性热膨胀系数等于各材料无约束时各材料线性热膨胀系数按体积关系计算之和得出的线性热膨胀系数减去其中环氧树脂被填料限制的收缩。
[0012] 本发明的技术方案为：一种利用线性热膨胀系数制备环氧砂浆和混凝土的方法，其特征在于：根据施工使用环境，确定所需要的环氧砂浆的线性热膨胀系数αe，参照环氧砂浆的线性热膨胀系数αe选择合适的环氧树脂和填料(一般需要根据实际环境，选择性能合适的环氧树脂)；所述的填料为粒径在4.75mm～5.50mm之间的石英砂或河砂；所述的环氧树脂的线性热膨胀系数为α1，所述的填料的线性热膨胀系数为α2；根据下列计算公式，确定环氧树脂和填料的体积关系：
[0013] 式1
[0014] 其中：αe——环氧砂浆的线性热膨胀系数；
[0015] α1——环氧树脂的线性热膨胀系数；
[0016] α2——填料的线性热膨胀系数；
[0017] V1——环氧树脂的体积；
[0018] V2——填料的体积；
[0019] 所述的环氧树脂和填料
密度分别为ρ1、ρ2，利用密度公式，计算出环氧树脂和填料的质量配比；选取上述质量配比的环氧树脂和填料混合搅拌制备出环氧砂浆。
[0020] 进一步的所述的步骤2中选取的环氧树脂的线性热膨胀系数α1的范围为αe<α1<3.5αe。
[0021] 进一步的所述的环氧砂浆的线性热膨胀系数为αe，参照取值范围0.65αe<αc<0.85αe，确定环氧树脂混凝土的线性热膨胀系数αc；所述的向环氧砂浆中添加的碎石的线性热膨胀系数为α3；根据下列计算公式，确定环氧砂浆和碎石的体积比：
[0022] 式2
[0023] 其中：αc——环氧树脂混凝土的线性热膨胀系数；
[0024] αe——环氧砂浆的线性热膨胀系数；
[0025] α3——碎石的线性热膨胀系数；
[0026] Ve——环氧砂浆的体积；
[0027] V3——碎石的体积；
[0028] 所述的环氧砂浆的密度为ρ3，碎石的密度为ρ4，利用密度公式，得出环氧砂浆与碎石的质量配比，选取该质量配比的环氧砂浆和碎石混合搅拌制备出环氧树脂混凝土。
[0029] 本发明计算公式具体的推导过程如下：图2、图3为环氧砂浆抽象模型，其中环氧砂浆边长为d1，填料的边长为d2。假设图3中环氧树脂的体积为V1，填料的体积为V2，且V1+V2＝3
1，V2＝d2。以降温为例，与图2相比，图3中纯环氧树脂部分可以自由收缩，而包裹填料的部分，即图3中d2部分的树脂受到限制无法自由收缩，同时对砂浆内部造成压应力。忽略填料因环氧树脂的限制而造成的收缩，则：
[0030] 最终体系的变形(εe)＝环氧树脂自由收缩变形(ε1)+填料自由收缩变形(ε2)-树脂限制收缩变形(εlim)
[0031] 转换为公式：
[0032] ε1＝l1×α1×ΔT＝V1×α1×ΔT 式3
[0033] ε2＝l2×α2×ΔT＝V2×α2×ΔT 式4
[0034] 其中：ε1——环氧树脂自由收缩变形；
[0035] ε2——填料自由收缩变形；
[0036] α1——环氧树脂线性热膨胀系数；
[0037] α2——填料线性热膨胀系数；
[0038] l1——环氧树脂的长度；
[0039] l2——填料的长度；
[0040] V1——环氧树脂的体积；
[0041] V2——填料的体积；
[0042] ΔT——温度变化；
[0043] 假设其他两个方向长度变(根据线性热膨胀系数的测试标准可知，测量线性热膨胀系数只考虑长度方向上的变化，其他两个方向的变化不计入考虑)，而εlim为图3中d2部分被限制的收缩值，即d2部分环氧树脂所占体积与两种材料线性热膨胀系数之差的乘积，如下式：
[0044] εlim＝(α1-α2)×(d12-d22)×d2×ΔT 式5
[0045] 其中：α1——环氧树脂线性热膨胀系数；
[0046] α2——填料线性热膨胀系数；
[0047] d1——环氧砂浆的长度；
[0048] d2——填料的长度；
[0049] ΔT——温度变化；
[0050] 根据V1+V2＝1，V2＝d23可知，式3可变化为：
[0051] 式6
[0052] 则最终环氧砂浆线性热膨胀系数αe可按下式计算：
[0053] 式7
[0054] 上式即为环氧砂浆线性热膨胀系数的计算公式，其中V1为环氧树脂的体积含量，V2为填料的体积含量。
[0055] 实际应用的过程中，需要确定的是V1和V2的体积关系，然后根据体积关系得到质量配比以配制出符合使用环境下的环氧砂浆，因此，实际需要的环氧砂浆的线性热膨胀系数αe已知，需要的环氧树脂和填料已知，因此计算V1和V2的体积关系如下：
[0056] 式1
[0057] 其中：αe——环氧砂浆的线性热膨胀系数；
[0058] α1——环氧树脂的线性热膨胀系数；
[0059] α2——填料的线性热膨胀系数；
[0060] V1——环氧树脂的体积；
[0061] V2——填料的体积；
[0062] 填料一般为粒径在4.75mm～5.50mm之间的石英砂或河砂。
[0063] 本发明通过线性热膨胀系数的计算公式，提供了一种简单、高效、准确的计算环氧砂浆和环氧树脂混凝土材料的配比方法，可广泛的应用于各种施工领域，能快速得到适合施工和使用环境下的环氧砂浆或者环氧树脂混凝土，具有极大的推广价值。
附图说明
[0064] 图1：ASTM D696测量装置示意图；
[0065] 图2：本发明环氧砂浆模拟示意图；
[0066] 图3：本发明环氧砂浆单元模拟示意图；
[0067] 其中：1—环氧树脂；2—填料；3—样本；4—石英玻璃管；5—石英玻璃棒。
具体实施方式
[0068] 实际应用中根据施工使用环境，可以确定环氧砂浆的的线性热膨胀系数αe，根据αe可以反过来推导出该环氧砂浆中环氧树脂和填料的体积关系，再根据各自的密度，可以得到制备该环氧砂浆的质量配比。
[0069] 具体步骤如下：1)、根据施工使用环境，确定所需要的环氧砂浆的线性热膨胀系数αe，一般情况下，根据施工当地的
气候，使用环境下的温度变化等可以判断出需要的环氧砂浆的线性热膨胀系数αe；
[0070] 2)、参照所使用的环氧砂浆的线性热膨胀系数αe，选择合适的环氧树脂和填料，所述的环氧树脂的线性热膨胀系数为α1，选取的环氧树脂的线性热膨胀系数α1的范围为αe<α1<3.5αe，在实际使用过程中，如果环氧砂浆的线性热膨胀系数过大可能会出现搅拌混合困难的现象，可以适当地选择线性热膨胀系数较小的环氧树脂进行混合搅拌。所述的填料的线性热膨胀系数为α2；
[0071] 3)、根据下列计算公式，确定环氧树脂和填料的体积关系：
[0072] 式1
[0073] 其中：αe——环氧砂浆的线性热膨胀系数；
[0074] α1——环氧树脂的线性热膨胀系数；
[0075] α2——填料的线性热膨胀系数；
[0076] V1——环氧树脂的体积；
[0077] V2——填料的体积；
[0078] 4)、查阅资料获取环氧树脂和填料的密度，分别为ρ1、ρ2，利用密度公式，计算出环氧树脂和填料的质量配比，即
[0079] 式8
[0080] 其中：m1——环氧树脂质量；
[0081] m2——填料质量；
[0082] ρ1——环氧树脂密度；
[0083] ρ2——填料密度；
[0084] 5)、选取步骤4中的配比的环氧树脂和填料混合搅拌制备出环氧砂浆。
[0085] 根据式1中描述的环氧砂浆可以制备符合现场环境要求的环氧树脂混凝土，在环氧砂浆中添加碎石即可制备出环氧树脂混凝土。根据施工使用环境和所选用的环氧砂浆的线性热膨胀系数αe，参照取值范围0.65αe<αc<0.85αe，确定环氧树脂混凝土的线性热膨胀系数αc；所述的向环氧砂浆中添加的碎石的线性热膨胀系数为α3；根据下列计算公式，确定环氧砂浆和碎石的体积比：
[0086] 式2
[0087] 其中：αc——环氧树脂混凝土的线性热膨胀系数；
[0088] αe——环氧砂浆的线性热膨胀系数；
[0089] α3——碎石的线性热膨胀系数；
[0090] Ve——环氧砂浆的体积；
[0091] V3——碎石的体积；
[0092] 根据式1和式2可得到环氧树脂、填料和碎石的体积比，利用密度公式，得出环氧树脂混凝土三种成分的质量配比，选取该质量配比的环氧树脂和填料混合搅拌制备出环氧树脂混凝土。
[0093] 本发明通过公式计算可以获得在不同使用环境下的混凝土或者砂浆的配比，不需要大量的、昂贵的仪器设备对此进行测量，节约了大量的人力物力。
[0094] 另外对本方法计算的环氧砂浆进行验证试验，试验的方法参照《ASTM D696 Standard Test Method for Coefficient of Linear Thermal Expansion of Plastics Between-30℃ and 30℃ with a Vitreous Silica Dilatometer》标准，具体的试验数据见下表：
[0095] 表1：验证试验数据
[0096]
[0097] 注：所述的质量比为环氧树脂和填料的质量比，测试值为利用标准试验方法得到的数据，计算值为利用本发明计算公式计算出的数值。
[0098] 从表1中可以看出，实际测量值和计算值误差在0～7.04％，误差很小，维持在允许范围内，证明本发明提供的计算方法有很高的准确性。
[0099] 本发明通过线性热膨胀系数的计算公式，提供了一种简单、高效、准确的计算环氧砂浆和环氧树脂混凝土材料的配比方法，可广泛的应用于各种施工领域，能快速得到适合施工和使用环境下的环氧砂浆或者环氧树脂混凝土，具有极大的推广价值。
