一種適合混凝土水下修復(fù)的新型環(huán)氧砂漿

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(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.長沙理工大學(xué) 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410114；3.長沙普照生化科技有限公司， 長沙 410007；4.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410014)

1 研究背景

由于施工缺陷及復(fù)雜的工作環(huán)境條件，混凝土建筑物水下部位容易出現(xiàn)磨損、空蝕等破壞損傷情況，在國內(nèi)外水利工程、橋梁工程中都大量存在，直接影響到建筑物的安全運(yùn)行。為不影響建筑物運(yùn)行，工程要求盡可能在水下修復(fù)缺陷，其中高性能的水下修復(fù)材料和便捷的水下修復(fù)工藝是2個(gè)關(guān)鍵因素。環(huán)氧類材料以其黏接性能優(yōu)異、力學(xué)性能突出、固化收縮率小、工藝性能好和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于混凝土建筑物修復(fù)[1-4]。

早自20世紀(jì)70年代，國內(nèi)外許多學(xué)者就對環(huán)氧材料進(jìn)行了研究，取得了較豐碩的成果。孫宇飛等[5]通過試驗(yàn)研究了低溫條件下環(huán)氧砂漿的抗壓和黏接強(qiáng)度，提出了優(yōu)化的環(huán)氧砂漿施工工藝；張振忠等[6]通過研究得到改性環(huán)氧砂漿適合用于我國西部高寒地區(qū)混凝土建筑物的抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)；買淑芳等[7]通過斷裂韌性、抗沖磨性能及強(qiáng)化開裂試驗(yàn)，得出海島結(jié)構(gòu)環(huán)氧砂漿材料可用于水工建筑物表面沖磨破壞的修補(bǔ)。之后有學(xué)者不斷對抗沖磨材料進(jìn)行改性研究：鄺亞力等[8]對傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂抗沖磨修補(bǔ)材料進(jìn)行增韌改性，研制了一種抗沖磨效果好的環(huán)氧材料；謝衛(wèi)剛等[9]通過添加石墨烯對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能增強(qiáng)。

綜上所述，鑒于目前存在的環(huán)氧砂漿等修復(fù)材料多只能在干燥環(huán)境中使用，故有必要研究新的水下修復(fù)材料。已有的環(huán)氧砂漿性能研究中，重點(diǎn)集中在考慮試樣在干燥環(huán)境中的抗拉性能和抗沖磨性能，而較少考慮其在水下環(huán)境中對原混凝土的黏接性能；然而，水下黏接性能作為水下修復(fù)材料的一個(gè)重要指標(biāo),同樣非常重要，甚至可能是影響水下混凝土修復(fù)效果的決定性因素。

本文基于新型固化劑配置而成的環(huán)氧砂漿，對其力學(xué)性能、影響因素以及工程適應(yīng)性進(jìn)行了一系列研究，以期為相關(guān)理論研究和工程建設(shè)提供參考。

2 材料組分及性能

2.1 環(huán)氧樹脂

采用無錫鳳凰牌環(huán)氧樹脂，其技術(shù)指標(biāo)如表1。

2.2 新型固化劑

新型固化劑MS-1085A是由酚醛胺和指環(huán)胺類固化劑通過改性而得到，其基本參數(shù)如表2。

表1 環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of epoxy resin

表2 固化劑基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of curing agent

注：黏度是在25℃的溫度下測得

2.3 砂

采用石家莊巖峰礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的機(jī)制石英砂,粒徑<0.45 mm。具體化學(xué)成分如表3。

表3 石英砂化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of quartz sand

3 新型環(huán)氧砂漿性能及影響因素

3.1 試驗(yàn)方案

由于環(huán)氧砂漿價(jià)格普遍偏高，為減少成本，本試驗(yàn)主要考慮膠固比(環(huán)氧樹脂和固化劑的總質(zhì)量與砂料的質(zhì)量比)對新型環(huán)氧砂漿抗壓、水下黏接、抗沖磨性能的影響。試驗(yàn)表明，樹脂與固化劑的質(zhì)量比為2.5∶1時(shí)，兩者反應(yīng)完全。結(jié)合工程實(shí)際情況，按4種情況的膠固比方案(如表4)進(jìn)行試驗(yàn)。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 4 Test design schemes

3.2 試驗(yàn)方法

開展了3種試驗(yàn)：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)、抗沖磨性能試驗(yàn)。部分試件照片如圖1所示。

圖1 部分試件照片F(xiàn)ig.1 Photos of some specimens

3.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓性能測試參照《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193—2004)有關(guān)規(guī)定，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試試件的抗壓性能(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)，采用應(yīng)變控制，室溫條件下加載速率為5 mm/min。

試件采用邊長40 mm的立方體試件，在室溫23 ℃左右將配置好的新型環(huán)氧砂漿裝入規(guī)范模具，脫模后放置在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)3，7，14，28 d。以一組6個(gè)試件(圖1(a))測定的平均值作為該組試件的強(qiáng)度，精確至0.1 MPa，如最大值或最小值與平均值之差超過20%，則取中間4個(gè)數(shù)據(jù)的均值作為該組試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.2.2 水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193—2004)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行測試，使用深圳市瑞格爾儀器有限公司生產(chǎn)的拉拔試驗(yàn)機(jī)(型號RGT-10A)測試試件的水下黏接性能，室溫條件下測試速度為1 mm/min。

黏接試驗(yàn)采用“8”字形試件：試件腰部內(nèi)表面之間寬度為25 mm±0.25 mm，試模腰部最大厚度25 mm。試件制備步驟如下：

(1)先將準(zhǔn)備好的“8”字形半塊水泥砂漿塊斷面打磨清洗，置于靜水中，排除內(nèi)部空氣。

(2)將“8”字形試模裝配好，涂上脫模劑，放置于平整底板上。

(3)新型環(huán)氧砂漿配制。

(4)將底板連同模具置于靜水中淹沒，將拌制好的環(huán)氧砂漿直接在水下逐層澆入“8”字形試模的半邊空位，抹面成型。

24 h后脫模，在23 ℃左右室溫下的靜水中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期(7 d和28 d，如圖1(b)和圖1(c))。取6個(gè)試件的均值作為試驗(yàn)結(jié)果，精確到0.1 MPa。單個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與均值偏差>15%應(yīng)舍棄，試件<3個(gè)試驗(yàn)需重做。

3.2.3 抗沖磨性能試驗(yàn)

水下抗沖磨性能測試參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)中水下鋼球法抗沖磨試驗(yàn)方法，室溫下試驗(yàn)儀轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

沖磨試模內(nèi)徑300 mm，高100 mm。在室溫23 ℃左右將配置好的材料分層裝入規(guī)范模具，脫模后放置在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d(圖1(d))。到相應(yīng)齡期后，放入到抗沖磨試驗(yàn)儀中，按規(guī)定放入70個(gè)大小不一的鋼球于試件表面，加水至水面高出試件表面165 cm進(jìn)行試驗(yàn)，每隔24 h，在鋼筒內(nèi)加2次水至原水位高度。以一組3個(gè)測值的均值作為試驗(yàn)結(jié)果，精確到0.001 h/(kg/m2)，如單個(gè)測值與均值的差值>15%時(shí)，則此值應(yīng)剔除，以余下2個(gè)測值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

表5為不同齡期下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可見隨著齡期的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢，新型環(huán)氧砂漿3 d齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到60 MPa以上，遠(yuǎn)大于普通混凝土(C30)的抗壓強(qiáng)度35 MPa，可以滿足工程要求。

表5 新型環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of compressive strength of the proposed epoxy mortar

根據(jù)表5中的結(jié)果，可得到不同齡期下，膠固比對試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響趨勢，如圖2所示。

圖2 膠固比對試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of glue-solid ratio on unconfined compressive strength of specimens

由圖2可知：

(1)隨著膠固比的增加，其對試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了下開口拋物線形式的影響，即試件強(qiáng)度先有所增長進(jìn)而又會(huì)下降；其最佳膠固比約為1∶3.0。

(2)膠固比一定時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期由14 d增加到28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增量有所降低，增幅最小約為0.6%，基本趨于穩(wěn)定。

3.3.2 水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)

表6為7 d和28 d齡期下新型環(huán)氧砂漿的水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表6 新型環(huán)氧砂漿的水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of underwater bonding strength of the proposed epoxy mortar

表6表明：

(1)不同齡期試件的水下黏接強(qiáng)度變化相差不大，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂與改性固化劑及砂料的固化收縮反應(yīng)在7 d已基本反應(yīng)完全，后續(xù)隨著齡期增加，強(qiáng)度增加不明顯。

(2)隨著膠固比從1∶2.0減小到1∶3.5，試件的水下黏接強(qiáng)度均值從3.00 MPa降低到了2.20 MPa，降幅達(dá)27%，膠固比和試件的水下黏接強(qiáng)度均值近似呈線性關(guān)系。當(dāng)膠固比為1∶2.0時(shí)，水下澆筑的環(huán)氧砂漿黏接強(qiáng)度最大，為3.2 MPa，這是因?yàn)榄h(huán)氧砂漿中的膠體含量偏多，滲入到原水泥砂漿后，增大了兩者間的黏接強(qiáng)度。

水下黏接強(qiáng)度主要取決于水下固化劑，目前工程使用的普通環(huán)氧砂漿如在潮濕或有水條件下，由于固化劑會(huì)與水中的CO2反應(yīng)生成銨鹽，產(chǎn)生“白化”現(xiàn)象，與老混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度明顯下降，修復(fù)效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

新型環(huán)氧固化劑是利用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，采用特殊原料和生產(chǎn)工藝合成得到的一種特殊結(jié)構(gòu)，即由酚醛胺和指環(huán)胺類固化劑通過接枝改性，使固化劑中的親水基團(tuán)改變?yōu)樵魉鶊F(tuán)，不溶于水，從而得到高強(qiáng)度改性胺類常溫環(huán)氧樹脂固化劑。其摻入固化反應(yīng)的活性基團(tuán)在水下以及低溫具有良好的反應(yīng)活性，不受水的影響，在水下環(huán)境中極具穿透水膜能力而使得環(huán)氧樹脂分子具有強(qiáng)烈的浸潤黏結(jié)與固化性能，其固化物黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到干燥環(huán)境下黏結(jié)強(qiáng)度的90%以上。滿足在潮濕和水下環(huán)境中的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)要求，適用于橋墩、面板、邊墻等結(jié)構(gòu)的水下補(bǔ)強(qiáng)加固。

陳改新[10]在進(jìn)行高速水流下新型抗沖磨材料的研究中，對HD-E“海島結(jié)構(gòu)”環(huán)氧樹脂砂漿與普通環(huán)氧砂漿EP-15的性能進(jìn)行了對比，結(jié)果表明2種材料在潮濕環(huán)境下，對混凝土表面的黏接能力基本一致，強(qiáng)度均為2.0 MPa左右。與之相比，本文的新型環(huán)氧砂漿水下黏接強(qiáng)度更為優(yōu)越，7 d內(nèi)強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，滿足水下修復(fù)的要求。

3.3.3 抗沖磨性能試驗(yàn)

表7為不同膠固比時(shí)試件連續(xù)沖磨72 h的抗沖磨強(qiáng)度和磨損率試驗(yàn)結(jié)果，分析可知，抗沖磨強(qiáng)度隨膠固比減小而增大，磨損率隨膠固比減小而降低，抗沖磨強(qiáng)度越大，磨損率越低。

表7 抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of anti-abrasion strength

抗沖磨試件沖磨后試件質(zhì)量隨時(shí)間的變化如圖3所示，沖磨前后試件的外表見圖4。

圖3 沖磨后試件質(zhì)量與沖磨時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship of mass of specimen after abrasion against abraison time

圖4 試件沖磨72 h前后對比照片F(xiàn)ig.4 Photos of test specimens before and after abrasion for 72 hours

由圖3可知，新型環(huán)氧砂漿在前48 h沖磨時(shí)間內(nèi)質(zhì)量損失較大，這是因?yàn)閯傞_始磨掉了試件表面突出或結(jié)構(gòu)薄弱的部分，而后24 h試驗(yàn)時(shí)間，質(zhì)量損失逐漸減小，基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)過72 h沖磨，膠固比為1∶3.5的試件抗沖磨強(qiáng)度最大值為847.800 h/(kg/m2)，此時(shí)總損失量僅為6 g。從圖4可以看出，經(jīng)過72 h沖磨后，改性環(huán)氧砂漿顏色變黃，表面光澤變暗。

買淑芳等[7]對“海島結(jié)構(gòu)”環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行了抗沖磨性能試驗(yàn)，通過增韌劑摻量為40%，80%，120%得到了不同的磨損率，編號分別為M1,M2,M3。與普通環(huán)氧砂漿EP-15和混凝土C70進(jìn)行對比，見表8。

表8 不同材料磨損率對比Table 8 Comparison of wear rate among different materials

由表8可知，其他材料磨損率最少為0.28 g/(h·cm2)，而新型環(huán)氧砂漿磨損率為1.244×10-4g/(h·cm2)，其抗沖磨效果更好。

4 新型環(huán)氧砂漿應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例1

某跨海大橋，因海浪、臺風(fēng)沖擊，以及海水氯離子滲透腐蝕，造成橋墩承臺和樁基混凝土出現(xiàn)掉落、沖蝕、腐蝕，鋼筋外露銹蝕等病害，嚴(yán)重危及大橋安全。為確保大橋的安全運(yùn)行，采用新型環(huán)氧砂漿系列產(chǎn)品對橋墩破損部位進(jìn)行水下修復(fù)處理，處理后環(huán)氧砂漿與原混凝土材料結(jié)合堅(jiān)固、無松動(dòng)顆粒，通過使用環(huán)氧砂漿深度測試儀測試，最大修補(bǔ)深度為8 cm左右，誤差范圍為±5 mm。砂漿表面平整度較好，修復(fù)前后對比如圖5。經(jīng)多年運(yùn)行，橋墩承臺和樁基結(jié)構(gòu)完好。

圖5 橋墩修復(fù)前后對比Fig.5 Photos of bridge pier before and after repair

4.2 實(shí)例2

三板溪水電站主壩最大壩高185.5 m。樞紐主要由大壩、泄水建筑、廠房等建筑物構(gòu)成。因歷年泄洪影響，溢洪道邊墻及底板出現(xiàn)了不同程度的缺陷及破損。對底板的混凝土裂縫表面進(jìn)行過反復(fù)封閉處理，但材料開裂及脫落現(xiàn)象一直沒有根本解決。

為確保大壩泄水建筑物安全運(yùn)行，采用新型環(huán)氧砂漿系列產(chǎn)品(膠固比為1∶5)對溢洪道底板及邊墻的缺陷進(jìn)行修復(fù)處理。處理后的混凝土結(jié)構(gòu)基面密實(shí)、清潔，無松動(dòng)顆粒，底層基液涂刷均勻、無漏刷。通過使用環(huán)氧砂漿深度測試儀測試，環(huán)氧砂漿厚度為15 mm左右，誤差范圍為±1.5 mm。砂漿表面平整度較好，測量直尺與砂漿表面的空隙尺寸<5 mm。

修復(fù)前后對比如圖6。經(jīng)過前期泄洪沖刷多次，修復(fù)部位完好無缺。從表觀上可以看出，黏接面無裂縫，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，表明新材料黏接強(qiáng)度高，與原混凝土能夠變形協(xié)調(diào)，效果明顯優(yōu)于其他材料。

圖6 溢流面邊墻修復(fù)前后對比Fig.6 Photos of overflow surface side wall before and after repair

5 結(jié)論與建議

(1)新型環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度較大，3 d內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到60 MPa以上，隨著膠固比的增加，抗壓強(qiáng)度先增加后減小。實(shí)際工程中，由于該材料易于滿足抗壓強(qiáng)度要求，故可根據(jù)工程需求適當(dāng)減小抗壓強(qiáng)度從而增加其他強(qiáng)度，如水下黏接強(qiáng)度。

(2)膠固比對新型環(huán)氧砂漿的水下黏接強(qiáng)度影響較大。養(yǎng)護(hù)齡期越長，水下黏接強(qiáng)度越大。膠固比由1∶2.0變?yōu)?∶3.5的過程中，水下黏接強(qiáng)度最大達(dá)到3.2 MPa，該砂漿適用于水下的修復(fù)加固。

(3)新型環(huán)氧砂漿抗沖磨性能優(yōu)越，抗沖磨強(qiáng)度隨膠固比的減小而逐漸增大，沖磨后質(zhì)量損失較少。在相關(guān)工程修復(fù)中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加砂含量，在滿足抗沖要求的前提下降低造價(jià)。