一種用于結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)及加固的改性環(huán)氧樹脂注縫膠的應(yīng)用研究

張 冰，周紫晨

(中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，武漢 430080)

既有的建構(gòu)筑物在長期服役過程中，均會(huì)受到雨水沖刷、日曬等自然環(huán)境的影響，產(chǎn)生酸堿腐蝕、收縮開裂的現(xiàn)象；同時(shí)，越來越多的新建建筑也會(huì)擾動(dòng)周邊的既有建筑物，使之發(fā)生沉降，致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等缺陷；而且現(xiàn)今的新建建筑多為超高、超大型建筑群，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級越來越高，伴隨著后期的收縮應(yīng)力也相應(yīng)變大，增加了結(jié)構(gòu)體開裂的可能性。結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)使得建構(gòu)筑物的安全性得不到保障，而且在持續(xù)使用過程中極大地影響使用者的體驗(yàn)感，為此，對缺陷進(jìn)行修復(fù)以及加強(qiáng)成為亟待解決的課題。

1 傳統(tǒng)環(huán)氧注縫膠存在的問題

常用的混凝土裂縫修補(bǔ)手段是化學(xué)灌漿，它是將特定的化學(xué)材料配制成真溶液，用化學(xué)灌漿泵等壓送設(shè)備將其灌入混凝土結(jié)構(gòu)的縫隙內(nèi)，使其擴(kuò)散、膠凝和固化，將裂縫兩邊的混凝土面有機(jī)地粘結(jié)成一個(gè)整體，起到填充、封閉、堵漏、加固的綜合效果。而且其固化物耐老化性好，特別是耐化學(xué)介質(zhì)性能好，使用壽命長[1]，在實(shí)際應(yīng)用中兼顧了實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。

實(shí)際案例中，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫往往縫寬在0.5 mm以下，可灌注的縫通常以0.2 mm為界。當(dāng)裂縫的縱深大于20 cm的時(shí)候，即使帶壓灌注，現(xiàn)在市面上的普通環(huán)氧注縫膠也難以填充飽滿[2]，主要原因在于其黏度較高，在0.5 mm及以下的縫隙中浸潤與推進(jìn)流淌困難，從而導(dǎo)致加固不充分。

從灌注設(shè)備與操作性的角度考慮，如果注縫膠的固化時(shí)間太短，即便是初始黏度達(dá)到灌注深縫的要求，但是隨著固化劑參與反應(yīng)的時(shí)間延續(xù)，灌注膠的黏度會(huì)迅速上升，導(dǎo)致灌注困難甚至堵管。

此外，普通環(huán)氧樹脂在固化劑作用下完全固化后呈現(xiàn)剛脆性，用其填充裂縫，其與兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)呈類剛性連接，在后續(xù)服役過程中不可避免的受力不均、沉降等可能會(huì)造成剛脆性膠體的崩裂，致使堵漏補(bǔ)強(qiáng)失效。

2 WJY系列改性環(huán)氧樹脂注縫膠的研究

2.1 WJY系環(huán)氧樹脂注縫膠稀釋劑的選擇

通常所說的環(huán)氧樹脂即雙酚A二縮水甘油醚型環(huán)氧樹脂，在常溫下黏度高，將它們以原態(tài)用于涂裝、澆鑄、浸漬等工程作業(yè)就很困難，因此有必要將其黏度降低，稀釋到適合作業(yè)性的黏度。在JC/T1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》中，為了保證裂縫的可灌性，提出了應(yīng)低于200 mPa·s的要求。

該文研究的原材料采用環(huán)氧樹脂E51(巴陵石化制)，其黏度大約為11 000～14 000 mPa·s(25 ℃)。

稀釋劑主要用來降低環(huán)氧膠粘劑體系的黏度，改善膠液的涂布性和流動(dòng)性，使其具有較好的浸潤力；除此之外，選擇適當(dāng)?shù)南♂寗┯欣诳刂骗h(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)熱，延長樹脂混合物的適用期，即操作時(shí)間。

稀釋劑的種類很多，通常按其是否參與反應(yīng)過程將其分為非活性稀釋劑與活性稀釋劑兩大類。非活性稀釋劑常用的有丙酮、甲苯、糠醛等，它們不與環(huán)氧樹脂、固化劑等起反應(yīng)，與樹脂材料僅僅是機(jī)械的混合，起稀釋和降低黏度的作用，它在膠液的固化過程中大部分是揮發(fā)掉的，使收縮率增大，嚴(yán)重時(shí)將影響固化體與基面的粘結(jié)強(qiáng)度與自身的機(jī)械強(qiáng)度，因此不能用于較厚涂層。這里考慮到止水加固效果的長久性，不予采用非活性稀釋劑。

活性稀釋劑帶有一個(gè)或兩個(gè)以上的環(huán)氧基，能夠與固化劑反應(yīng)，這就使得使用活性稀釋劑的固化物有較高的交聯(lián)密度，對提高固化體力學(xué)性能有利。常用的活性稀釋劑有脂肪族型與芳香族型，用量以5%～30%為宜。脂肪族型的稀釋劑有正丁基縮水甘油醚(BGE)、烯丙基縮水甘油醚(AGE)、甲基丙烯酸縮水甘油醚(GMA)、1,4丁二醇二縮水甘油醚等；芳香族型的稀釋劑有甲苯基縮水甘油醚(CGE)、苯基縮水甘油醚(PGE)、苯乙烯氧化物(SO)、芐基縮水甘油醚等。

以環(huán)氧樹脂E51為母膠，分別選取脂肪族與芳香族中的兩到三種進(jìn)行對比試驗(yàn)。在室溫25 ℃時(shí)，稀釋劑的摻量由0增至30%，對比不同種類的稀釋劑對E51的稀釋效果。實(shí)驗(yàn)采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行黏度的測定，根據(jù)預(yù)估黏度選取適宜的轉(zhuǎn)子。結(jié)果如圖1所示。

因?yàn)榛钚韵♂寗┠軌騾⑴c固化反應(yīng)，從而大大改善了固化體的穩(wěn)定性；同時(shí)由于其具有極低的黏度，使得經(jīng)其稀釋后的膠液具有優(yōu)異的潤濕能力和極強(qiáng)的滲透能力，實(shí)際使用表明，該膠液在灌縫用注射器的推壓下能夠順利滲入縫寬小于0.1 mm的極窄縫。

2.2 WJY系環(huán)氧樹脂注縫膠增韌劑的選擇

為了改善固化體與混凝土基體的類剛性連接，使其具有更好的塑性與抗剪切能力，需要添加適當(dāng)?shù)脑鲰g成分，以改變原有環(huán)氧類材料固化后脆性大而柔性不足的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的增韌劑(也叫增塑劑)，如鄰苯二甲酸二丁酯，磷酸三甲酯等物質(zhì)，雖然可以使得固化體彈性增加，但存在遷移和滲出的傾向，尤其在浸入液體和溶劑后抽出現(xiàn)象非常明顯，而且較大的表面張力會(huì)嚴(yán)重影響材料的流平性和表面效果。

該研究用聚合物多元醇和050對E51進(jìn)行改性，按照GB/T2568—1995《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行斷裂延伸率的試驗(yàn)。

表1 室溫下不同增韌劑的延伸性能

從表1可以看出，添加了增韌劑的固化體較空白樣的韌性有很大程度的提高，并且在后期得以保持。隨著時(shí)間的延續(xù)，韌性有所下降，一是因?yàn)楣袒磻?yīng)漸進(jìn)完全，剛性會(huì)提升，二是因?yàn)榄h(huán)境因素使得材料老化。韌性的改善使得即便建構(gòu)筑物在后期仍有變形位移的情況下，加固體也能在一定限度內(nèi)彈性回應(yīng)。

2.3 WJY系環(huán)氧樹脂注縫膠固化劑的選擇

環(huán)氧樹脂的應(yīng)用由來已久，與之配套使用的固化劑也有許多定型產(chǎn)品，此類固化劑以胺類為主導(dǎo)，常溫下使用較多的為乙二胺、二亞乙基三胺、間苯二胺等等。這一類未經(jīng)變性的單一化合物，使用起來各有利弊，比如二亞乙基三胺，雖然能比較好地降低體系黏度利于灌注施工，但是其敏感性使得環(huán)氧樹脂固化時(shí)間短，摻量控制不好時(shí)很容易爆聚，操作性不佳；再比如間苯二胺，其固化時(shí)間長，能給施工人員充分的時(shí)間進(jìn)行注漿操作，但是經(jīng)它固化的環(huán)氧樹脂呈剛性，脆性大易崩裂。此外，單一的胺類化合物都有一定的揮發(fā)性和毒性，接觸皮膚起斑疹，對人體危害比較大；再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用情況，當(dāng)它與環(huán)氧樹脂反應(yīng)時(shí)，如遇水或者潮濕環(huán)境，灌注膠液與基面的粘結(jié)力會(huì)大大降低，甚至不能與待處理的基面粘結(jié)，進(jìn)而限制了其應(yīng)用。既然單獨(dú)使用一種固化劑不能滿足工藝和固化產(chǎn)品性能的要求，那么考慮將同類的固化劑進(jìn)行復(fù)配[5]，使得產(chǎn)品的綜合性能有所提升。

結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，時(shí)常會(huì)伴隨著滲漏現(xiàn)象，裂縫的整個(gè)內(nèi)表面都是處于潮濕環(huán)境，針對此種情況，我們從多元胺固化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹脂E51固化產(chǎn)物與基面的粘結(jié)性能入手，從聚酰胺、脂肪族胺、芳香族胺以及脂環(huán)族胺中分別選取其中的代表產(chǎn)品進(jìn)行同條件試驗(yàn)。

根據(jù)JC/T1041—2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度的評定。環(huán)氧樹脂E51經(jīng)10%環(huán)己基二甲醇二縮水甘油醚稀釋，將膠液攪拌均勻后靜置備用。膠液與固化劑的質(zhì)量比為4∶1，分別將聚酰胺、脂肪族胺、芳香胺、脂環(huán)族胺類固化劑與膠液混合充分，再涂覆于斷面之上，再將兩段合攏，待完全固化后進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同種類的固化劑在干濕環(huán)境中的粘結(jié)強(qiáng)度

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在粘接性方面，聚酰胺>脂環(huán)族胺>脂肪族胺>芳香族胺。

另一方面，為了便于現(xiàn)場施工，需要進(jìn)一步降低環(huán)氧樹脂膠液的體系黏度，選擇黏度小的固化劑加入也可降低膠液初始黏度，從多元胺固化劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與物理特性的關(guān)系考慮，在黏度方面，脂環(huán)族胺<脂肪族胺<芳香胺<聚酰胺類固化劑，它們的加入對降低體系黏度是有利的。綜合粘接性能的考量，脂環(huán)族胺類固化劑綜合性能較其它更優(yōu)，最終決定將其作為母體進(jìn)行改性。

為了提高固化體與潮濕基面的粘結(jié)強(qiáng)度，引入一種主鏈為聚醚結(jié)構(gòu)，末端活性官能團(tuán)為胺基的聚合物，即聚醚胺。在合成過程中，可通過選擇不同的聚氧化烷基結(jié)構(gòu)，靈活地調(diào)節(jié)聚醚胺的反應(yīng)活性、韌性、黏度以及親水性。其中親水性正是能形成油包水體系的前提，也是在潮濕基面維持較高粘接力的基礎(chǔ)。于是，選取脂環(huán)族胺對聚醚胺類中毒性較小的端基聚醚進(jìn)行復(fù)配，制備出WJY系環(huán)氧樹脂注縫膠。

2.4 WJY系環(huán)氧樹脂注縫膠的性能指標(biāo)

WJY系列環(huán)氧樹脂注縫膠采用A、B組分，A組分即為經(jīng)稀釋、增韌后的膠液，B組分為經(jīng)脂環(huán)族胺改性的聚醚胺類固化劑。將兩者按照設(shè)計(jì)配比攪拌均勻后入模成型。

經(jīng)測試，其力學(xué)性能如表3所示。

表3 WJY系環(huán)氧注縫膠力學(xué)性能

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)固化劑的摻量由25%增至30%時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度明顯提升，這是因?yàn)楣袒瘎┲邪贩肿犹峁┝俗銐驍?shù)量的活潑氫原子參與環(huán)氧的固化，固化過程完全，此時(shí)抗壓強(qiáng)度處于峰值；當(dāng)固化劑的摻量持續(xù)增加時(shí)，富余的活潑氫沒有能夠參與固化而殘留在固化體中，相當(dāng)于填充物而存在，對強(qiáng)度的進(jìn)一步增長是不利的，但是卻能夠提高固化體的柔韌性，使得斷裂延伸率與拉伸剪切強(qiáng)度均得到提高，然而，從設(shè)計(jì)產(chǎn)品最終性能的實(shí)現(xiàn)與經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，固化劑的過量加入是不妥的。

在實(shí)際施工應(yīng)用中，經(jīng)脂環(huán)族胺改性的聚醚胺類固化劑可操作時(shí)間長達(dá)4 h，經(jīng)測試，在室溫時(shí)，將A、B組分充分混合后，30 min內(nèi)混合膠液的黏度幾乎維持在穩(wěn)定的200 mPa·s以下；隨著固化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，黏度開始緩慢地上升，直至3 h時(shí)，仍然具有很好的可灌性,見圖2。該系列的注縫膠在反應(yīng)過程中發(fā)熱量較低，能夠適應(yīng)夏季施工，不會(huì)因黏度增長過快而引起灌漿管路堵塞；而且其敏感性較差，對于現(xiàn)場計(jì)量不甚精確而導(dǎo)致的“爆聚”等問題能很好地回避；比較充分的操作時(shí)間能增加工效，也便于利用機(jī)具灌漿，使得漿液灌注得更加飽滿。

3 施工工藝

3.1 裂縫清理

采用手持式打磨機(jī)沿裂縫進(jìn)行打磨，打磨的寬度為裂縫兩側(cè)約20 mm,深度約1.5～2 mm的V形槽，并清除裂縫表面的鈣質(zhì)、析出物及其他雜物，用壓縮空氣吹洗清理干凈。

3.2 布孔、埋設(shè)壓漿嘴

1)確定布置孔位 應(yīng)根據(jù)混凝土裂縫寬度、走向和彎曲程度來確定壓漿嘴的位置。壓漿嘴布置間距根據(jù)裂縫寬度進(jìn)行選擇，一般為300～500 mm布置一個(gè)壓漿嘴。

2)埋設(shè)壓漿嘴 對裂縫寬度大于0.2 mm的裂縫，按規(guī)定間距用環(huán)氧膠泥將注漿嘴騎縫固定，安放注漿嘴時(shí)要保持平穩(wěn)，確保環(huán)氧膠泥不會(huì)封堵注漿嘴。注漿嘴安裝完畢后應(yīng)沿四周圓弧抹平，以確保粘接嚴(yán)密。

3.3 縫面封閉

在注漿嘴安裝完成后，采用環(huán)氧封縫膠泥將除注漿嘴以外的裂縫全部進(jìn)行封閉，封縫膠泥批刮時(shí)應(yīng)注意膠泥的厚度控制在2 mm，寬度為左右各20 mm，保持均勻、平整，封閉應(yīng)完整，防止灌漿時(shí)漏漿。

3.4 密封性檢驗(yàn)

注漿嘴埋設(shè)及封縫完成24 h具有強(qiáng)度后，用空壓機(jī)通過埋設(shè)的壓漿嘴壓入空氣，一來對注漿嘴及裂縫進(jìn)行吹洗，同時(shí)通過同條裂縫其它注漿嘴的出風(fēng)情況，初步判斷注漿嘴布置的合理性、膠泥封縫的密封性及裂縫內(nèi)部的連通情況。

3.5 注漿

前面一切工作準(zhǔn)備就緒后，即可開始注漿。按照確定的比例將一定量的改性環(huán)氧樹脂與固化劑稱重后混合攪拌均勻，立即倒入電動(dòng)壓漿泵的料倉內(nèi)或者手持注射器內(nèi)，進(jìn)行注漿。注漿時(shí)按從低往高的順序依次灌注，先從最低端的注漿嘴開始，當(dāng)緊鄰其上的注漿嘴出漿時(shí)，暫停注漿，快速用堵頭將該注漿嘴封堵死，如此順序進(jìn)行。最后一個(gè)注漿嘴為排氣用，可不注膠。在24 h內(nèi)不得擾動(dòng)注膠底座。

4 工程實(shí)際應(yīng)用

某堤防江灘綜合整治工程，總長7 503 m，其中新建地下覆土建筑堤防長1 746 m，共分為4座地下覆土建筑，總建筑面積120 796 m2，為地上四跨地下五跨雙層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑物頂平臺高程為28.4 m，頂部最大覆土厚度1.4 m，兩側(cè)用土體進(jìn)行覆蓋使地下覆土建筑隱藏于土堤堤身中。

地下覆土建筑砼結(jié)構(gòu)澆筑完成后發(fā)現(xiàn)地下室墻體內(nèi)側(cè)和一些錯(cuò)層大梁上出現(xiàn)裂縫。其中，部分裂縫為貫穿性裂縫且有水滲出。當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂縫處滲水時(shí)，項(xiàng)目建設(shè)單位立即對滲水裂縫預(yù)先進(jìn)行了聚氨酯壓力灌漿，雖然止住了水源的滲出，但經(jīng)歷一段時(shí)間后原裂縫處又出現(xiàn)了新的滲漏點(diǎn)。為保證結(jié)構(gòu)物的安全性、功能性和耐久性的要求，需對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)加固。

工程于2015年10月開始并于同年11月完工，工程完工一月后，對裂縫的壓漿效果進(jìn)行了鉆芯抽樣驗(yàn)證，鉆芯直徑為φ60 mm，深度200 mm(考慮到結(jié)構(gòu)物對防水性的要求芯樣不宜取得更深)，取芯前采用鋼筋探測儀對鋼筋分布進(jìn)行標(biāo)注，取樣時(shí)在條件允許下應(yīng)盡量避開鋼筋，現(xiàn)場結(jié)果如下：

1)注漿施工的墻及錯(cuò)層梁體裂縫附近沒有出現(xiàn)新的裂縫。

2)注漿并涂裝施工完成的涂裝層表面光潔、色澤鮮艷，目視無明顯變色、起泡、開裂、脫落、粉化、斑點(diǎn)等老化現(xiàn)象，且滲水縫再無水源滲出。

3)現(xiàn)場鉆取芯樣檢驗(yàn)表明，采用WJY型環(huán)氧樹脂修補(bǔ)處理的裂縫，灌注深度達(dá)到了取樣深度的200 mm，且漿體完全充滿灌注裂縫通路及途經(jīng)的混凝土內(nèi)部氣孔處；注漿液與混凝土界面粘接牢固，漿體中部無通縫、斷縫。

4)對芯樣進(jìn)行抗壓和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，經(jīng)修補(bǔ)過后的混凝土強(qiáng)度36.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.5 MPa，且為混凝土基材斷裂(見圖3)，結(jié)果表明經(jīng)WJY型環(huán)氧樹脂修補(bǔ)處理的裂縫，完全起到封閉及加固的作用，且效果顯著。

5 結(jié) 語

WJY系環(huán)氧樹脂注縫膠在傳統(tǒng)的注漿材料上進(jìn)行了復(fù)配改性，該產(chǎn)品具有黏度低、強(qiáng)度高、韌性好、可操作時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中堵漏加固效果顯著，現(xiàn)已在長豐大道預(yù)制箱梁裂縫注漿加固、中水電十一局?jǐn)嗲倏诒谜净炷亮芽p補(bǔ)強(qiáng)防滲、漢口江灘軍用碼頭防洪墻的補(bǔ)強(qiáng)防滲等項(xiàng)目上推廣使用，獲得業(yè)主好評。

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