亞熱帶區(qū)環(huán)氧砂漿與混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

晏國(guó)泰，謝金齊，黃 鎮(zhèn)，陳新林

(武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430071)

環(huán)氧砂漿具有強(qiáng)度高、綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)。作為水工混凝土過(guò)流面抗沖耐磨保護(hù)層及沖刷、磨損和氣蝕等破壞部位的修補(bǔ)加固材料，環(huán)氧砂漿在工業(yè)民用建筑、公路、橋梁和機(jī)場(chǎng)跑道等構(gòu)筑物的維修加固材料應(yīng)用己有40多年歷史[1-3]。

由于環(huán)氧砂漿底膠具有黏度低，浸潤(rùn)性好，可以較好的滲透到混凝土基層毛細(xì)孔中，增加界面之間黏結(jié)強(qiáng)度的作用等特點(diǎn)[3]。因此在環(huán)氧砂漿施工前，需要進(jìn)行底膠涂抹工作，待底膠表干后，方可進(jìn)行環(huán)氧砂漿施工[2-4]。但是環(huán)氧砂漿底膠層很容易就受到陽(yáng)光、溫度和水的影響，加速底膠層的老化，影響其強(qiáng)度[1]。而大面積施工環(huán)氧砂漿時(shí)，底膠層沒(méi)有固化前，不便于進(jìn)行環(huán)氧砂漿層施工。特別是在亞熱帶氣候區(qū)戶外施工時(shí)，有光照強(qiáng)烈、環(huán)境溫度高、雨水充沛、雷陣雨頻繁等不利于環(huán)氧砂漿連續(xù)施工的氣候因素。那么在亞熱帶氣候區(qū)如何確保戶外大面積環(huán)氧砂漿的施工質(zhì)量?以孟加拉國(guó)戈邦戈大橋?yàn)槔?，為確保戈邦戈大橋橋面診治的順外實(shí)施，筆者通過(guò)專門的試驗(yàn)研究，以找出相同的施工環(huán)境、不同的環(huán)氧砂漿和施工工藝下的黏結(jié)性能規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)1：底膠曝曬不同時(shí)間的影響試驗(yàn)。

試驗(yàn)2：已經(jīng)老化的底膠表層處理后試驗(yàn)。

試驗(yàn)3：自制免底膠環(huán)氧砂漿試驗(yàn)。

選用3種不同的環(huán)氧砂漿及其底膠作為試驗(yàn)材料。A為含抗老化助劑的環(huán)氧砂漿及其底膠；B為普通環(huán)氧砂漿及其底膠；Z為自制免底膠環(huán)氧砂漿。其中A和B兩種環(huán)氧砂漿均采用國(guó)際知名品牌。

在同一處理完成的混凝土基面上，使用3種環(huán)氧砂漿施工。A，B兩種材料根據(jù)底膠在強(qiáng)紫外光下暴曬時(shí)間，將試驗(yàn)共分為7組，見(jiàn)表1。A材料每組7個(gè)試件(編號(hào)為A1～A7)；B材料每組14個(gè)試件，其中7個(gè)試件底膠表層不做處理(編號(hào)為B1～B7)，7個(gè)試件底膠表層使用打磨機(jī)處理(編號(hào)為C1～C7)。每天的暴曬時(shí)間為10 h，紫外線指數(shù)為10。達(dá)到設(shè)計(jì)暴曬時(shí)間和處理要求后，施工環(huán)氧砂漿厚1 cm。在同等環(huán)境放置7 d，固化后對(duì)底膠黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。Z材料直接涂抹在處理完成的混凝土基面上。

表1試件編號(hào)及底膠在強(qiáng)光下暴曬情況

Table1Testspecimensnumberingandprimerbeingexposedunderstrongsunshine

黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試根據(jù)規(guī)范DL/T 5193—2004《環(huán)氧樹(shù)脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)的要求進(jìn)行拉拔試驗(yàn)[4]。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 紫外線對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)性能的影響

戶外大面積環(huán)氧砂漿時(shí)，底膠沒(méi)有表干前，底膠層上不能行走，不便于進(jìn)行下環(huán)氧砂漿施工，底膠涂抹完成到其表干需要2～3 h的時(shí)間。而亞熱帶氣候區(qū)常年紫外線強(qiáng)烈，底膠不可避免會(huì)受到曝曬。同時(shí)亞熱帶氣候區(qū)雷陣雨頻繁發(fā)生，如果遇到雷陣雨，則需要等底膠表面干燥無(wú)水跡后才能施工，這又增加了底膠的暴曬時(shí)間。紫外線會(huì)加速環(huán)氧砂漿老化，減低黏結(jié)強(qiáng)度[5-7]。

2.1.1 底膠曝曬不同時(shí)間對(duì)黏結(jié)性能的影響

根據(jù)《規(guī)程》的要求對(duì)上述試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)每組試件中的各個(gè)試件之間的黏結(jié)強(qiáng)度差別不大(在0.2 MPa以內(nèi))，且破壞形式基本一致；但是組與組之間的差異比較大。將各組試件的黏結(jié)強(qiáng)度和破壞形式取平均值，其具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2各組試件平均黏結(jié)強(qiáng)度及破壞形式

Table2Averagebondingstrengthandfailuremodesoftestspecimens

注：破壞形式：T混凝土破壞，S底膠與環(huán)氧砂漿界面破壞。(下同)

從表2可以看出：底膠經(jīng)陽(yáng)光曝曬后，隨著曝曬時(shí)間的延長(zhǎng)其黏結(jié)強(qiáng)度逐漸減小，曝曬至第 3 d后，黏結(jié)性能開(kāi)始較大幅度的降低。并且初期主要是混凝土破壞，之后是底膠和環(huán)氧砂漿之間的界面破壞就逐漸增多。這可能是由于環(huán)氧樹(shù)脂在紫外線的作用下表面材料老化分解。隨著裂解的進(jìn)行，材料的力學(xué)性能開(kāi)始降低[8-10]?？估匣鷦┑沫h(huán)氧砂漿底膠，由于底膠層比較薄，光穩(wěn)定劑和抗氧劑對(duì)其作用效果不大，特別是曝曬至第5 d后的底膠的黏結(jié)性能與不含抗老化助劑的環(huán)氧砂漿差不多。由于底膠表面形成了薄弱層，后續(xù)施工的環(huán)氧砂漿會(huì)黏結(jié)在薄弱層上而影響層間黏結(jié)強(qiáng)度。在這種情況下原來(lái)增加黏結(jié)性的底膠沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此在底膠表干后就應(yīng)該及時(shí)施工環(huán)氧砂漿。

2.1.2 已經(jīng)老化的底膠處理后黏結(jié)性能

根據(jù)《規(guī)程》的要求對(duì)C1～C7試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)每組試件中的各個(gè)試件之間的黏結(jié)強(qiáng)度差別不大(在0.2 MPa以內(nèi))，且破壞形式基本一致。將各組試件的黏結(jié)強(qiáng)度和破壞形式取平均值，其具體結(jié)果如表3。

表3 底膠表面處理后各組試件平均黏結(jié)強(qiáng)度及破壞形式

從表3可以看出，并且結(jié)合比較表2的數(shù)據(jù)可以看出：底膠經(jīng)陽(yáng)光曝曬后，隨著曝曬時(shí)間的延長(zhǎng)其黏結(jié)強(qiáng)度逐漸減小。但是對(duì)暴曬后的底膠表面用 120 目砂紙打磨老化的表面至全新，并清理干凈表面粉塵后，再進(jìn)行環(huán)氧砂漿施工的黏結(jié)強(qiáng)度和底膠表干后施工的黏結(jié)強(qiáng)度基本沒(méi)有變化[8-10]。因此當(dāng)?shù)啄z層經(jīng)過(guò)陽(yáng)光暴曬后，需要對(duì)底膠表面進(jìn)行打磨處理，以保證環(huán)氧砂漿的黏接性能。

2.2 免底膠環(huán)氧砂漿黏結(jié)性能

施工底膠的目的是增加黏結(jié)性能，但由于在亞熱帶氣候區(qū)戶外大面積施工砂漿時(shí)，難以避免底膠施工后會(huì)由于天氣原因無(wú)法在底膠表干后及時(shí)施工砂漿，會(huì)造成環(huán)氧砂漿黏結(jié)不良的情況，同時(shí)大面積施工底膠施工也會(huì)造成施工進(jìn)度不好掌握的情況，能否采用不用底膠的砂漿？因此使用了自制免底膠環(huán)氧砂漿進(jìn)行試驗(yàn)3，同其他環(huán)氧砂漿黏結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

根據(jù)《規(guī)程》的要求對(duì)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。將每種環(huán)氧砂漿試件的黏結(jié)強(qiáng)度和破壞形式取平均值，其具體結(jié)果如表4。

表4 3種砂漿黏結(jié)強(qiáng)度破壞形式

注：1.含抗老化助劑環(huán)氧砂漿和普通環(huán)氧砂漿施工時(shí)均為底膠表干。2.破壞形式：T混凝土破壞；S底膠與環(huán)氧砂漿界面破壞；W環(huán)氧砂漿界面破壞。

從表4可以看出：自制的免底膠環(huán)氧砂漿無(wú)論是3 d還是7 d的黏結(jié)性能強(qiáng)均比含抗老化助劑環(huán)氧砂漿和普通環(huán)氧砂漿略高，并且破壞形式都是混凝土界面破壞，能保證施工質(zhì)量。同時(shí)對(duì)整個(gè)環(huán)氧砂漿施工而言，減少了底膠涂抹的施工工序，可以縮短工期；由于減少了結(jié)構(gòu)層，從而降低了環(huán)氧砂漿的不確定性。

2.3 試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)以上3個(gè)試驗(yàn)中的各數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可以看出：

1)底膠經(jīng)陽(yáng)光暴曬后，隨著暴曬時(shí)間的延長(zhǎng)其黏結(jié)強(qiáng)度逐漸減小，暴曬至第 3 d后，黏結(jié)性能開(kāi)始較大幅度的降低。并且初期主要是混凝土破壞，之后是底膠和砂漿之間的界面破壞就逐漸增多。

2)抗老化助劑的環(huán)氧砂漿底膠，由于底膠層比較薄，光穩(wěn)定劑和抗氧劑對(duì)其影響效果不大，暴曬至第 5 d后的底膠的黏結(jié)性能與不含抗老化助劑的環(huán)氧砂漿差不多。

3)底膠施工完成后應(yīng)該立即進(jìn)行環(huán)氧砂漿面層的施工，施工間隔時(shí)間不得長(zhǎng)于1 d。

4)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間暴曬過(guò)的底膠，應(yīng)對(duì)底膠表層進(jìn)行打磨處理，并清洗后才進(jìn)行環(huán)氧砂漿施工。

5)沒(méi)有涂抹底膠的環(huán)氧砂漿比有底膠的黏結(jié)強(qiáng)度略高，并且都是混凝土破壞。

3 工程實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

孟加拉邦戈邦都大橋是南亞最長(zhǎng)的一座大橋。大橋全長(zhǎng)4.8 km，共有50個(gè)橋墩，是公路鐵路兩用橋。大橋于1998年6月23日竣工并通車。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)橋面出現(xiàn)了大量的由溫度和收縮應(yīng)力造成的裂縫，嚴(yán)重影響橋梁的正常使用，急需進(jìn)行橋面修復(fù)工作。同時(shí)孟加拉大部分地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)型氣候，濕熱多雨。夏季最高溫度達(dá)45℃，雨季平均溫度30℃。

根據(jù)孟加拉當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境及橋梁的自身特點(diǎn)，為了確保橋面修復(fù)工作的成功。在大橋的東引橋上進(jìn)行了試驗(yàn)段施工。施工設(shè)計(jì)方案如下：主要使用高強(qiáng)度高彈模碳纖維板來(lái)約束裂縫的擴(kuò)展并適當(dāng)提高橋梁局部承載力，再鋪設(shè)4～10 mm厚的環(huán)氧砂漿找平、隔熱、加強(qiáng)及防水，最后鋪設(shè)SMA橋面耐磨層提高行車舒適性。

3.2 施工技術(shù)方案及要求

在邦戈邦都大橋的東引橋分別選取5 m區(qū)域，進(jìn)行有底膠的含抗老化助劑環(huán)氧砂漿和自制無(wú)底膠環(huán)氧砂漿對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)段分布見(jiàn)圖1。對(duì)比試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)層見(jiàn)圖2。

圖1 對(duì)比試驗(yàn)段分布Fig.1 Location of the comparison trial section area

圖2 對(duì)比試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)層Fig.2 Structural layers of the comparison trial section area

施工步驟如下：①橋面噴砂，基面處理；②黏貼高強(qiáng)度高彈模碳纖維板；③橋面和碳纖維板基面處理；④環(huán)氧砂漿施工。

施工時(shí)對(duì)施工時(shí)間和施工溫度嚴(yán)格控制，具體要求如下：①在15:30，太陽(yáng)光照開(kāi)始減弱、紫外線開(kāi)始減弱后施工底膠；②施工時(shí)橋面溫度不得高于40℃；③底膠施工完成3 h后施工環(huán)氧砂漿，施工間隔時(shí)間不得超過(guò)24 h；④抗老化助劑環(huán)氧砂漿和自制無(wú)底膠環(huán)氧砂漿同時(shí)施工；⑤施工完成初凝結(jié)束后，遮陰養(yǎng)護(hù)。

3.3 結(jié)果及分析

施工完成7 d后，在對(duì)比試驗(yàn)段的各區(qū)域內(nèi)分別黏貼7個(gè)拉拔頭做拉拔黏結(jié)試驗(yàn)，拉拔試驗(yàn)編號(hào)為：自制無(wú)底膠環(huán)氧砂漿(D1～D7)；含抗老化助劑環(huán)氧砂漿(E1～E7)。試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)砂漿黏結(jié)強(qiáng)度及破壞形式

試驗(yàn)段的黏結(jié)拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：自制的免底膠環(huán)氧砂漿的黏結(jié)性能強(qiáng)比含抗老化助劑環(huán)氧砂漿和普通環(huán)氧砂漿略高，并且破壞形式都是混凝土界面破壞。同時(shí)有底膠的環(huán)氧砂漿施工控制因數(shù)多，減少了底膠涂抹的施工工序，可以縮短工期；由于減少了結(jié)構(gòu)層，從而降低了環(huán)氧砂漿的不確定性。

4 結(jié) 論

1)環(huán)氧砂漿底膠由于強(qiáng)光暴曬會(huì)老化，影響其黏結(jié)強(qiáng)度。并且隨著暴曬時(shí)間的延長(zhǎng)，其黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越低。對(duì)暴曬過(guò)的底膠表層打磨，并清洗后可以消除陽(yáng)光暴曬的影響，保證環(huán)氧砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度，保證施工質(zhì)量。

2)在亞熱帶氣候地區(qū)戶外施工時(shí)，建議采用免底膠環(huán)氧砂漿，在保證環(huán)氧砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度的前提下，可確保施工質(zhì)量，同時(shí)簡(jiǎn)化工藝，提供工效，縮短工期，具有較好工程實(shí)用價(jià)值，為孟加拉邦戈邦都大橋橋面病害成功診治打下技術(shù)基礎(chǔ)。

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