可用于潮濕界面修補(bǔ)的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的研制

裴須強(qiáng)，尹潤(rùn)平，朱玉雪

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；2.中建材中巖科技有限公司，北京 100024；3.全國(guó)建筑材料行業(yè)防護(hù)修復(fù)與加固材料工程技術(shù)中心，北京 100024）

0 引言

近年來(lái)，伴隨修補(bǔ)加固工程中的大量需求，環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)砂漿的研究日益受到廣泛關(guān)注[1-2]。環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)砂漿由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和一定級(jí)配的填料根據(jù)一定的比例混合而成，具有強(qiáng)度高、粘結(jié)性好等特點(diǎn)，在城市地鐵、機(jī)場(chǎng)、高速公路、鐵路等混凝土缺損掉塊修補(bǔ)加固過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。

然而，目前大部分的環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)砂漿針對(duì)的是干燥環(huán)境下的混凝土修補(bǔ)，當(dāng)應(yīng)用到潮濕環(huán)境或水環(huán)境中的混凝土修補(bǔ)時(shí)，修補(bǔ)界面會(huì)形成一層水膜，導(dǎo)致環(huán)氧砂漿和混凝土基材界面的粘結(jié)力顯著降低，影響修補(bǔ)加固的效果[7-12]。此外，當(dāng)應(yīng)用于高鐵、地鐵等潮濕環(huán)境混凝土修補(bǔ)時(shí)還會(huì)受到天窗時(shí)間的限制，因此所用的修補(bǔ)材料還需具有較快的固化速度（2～4 h能固化），較好的可操作性，且大量使用下不易爆聚。

針對(duì)于此，本研究選用自制的固化劑，以E51和活性稀釋劑為基料，同時(shí)引入促進(jìn)劑和活性填料，制備了一種潮濕界面修補(bǔ)用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，并對(duì)砂漿的施工性能、力學(xué)性能及粘結(jié)性能進(jìn)行了研究，旨在解決潮濕界面及水環(huán)境下混凝土的修復(fù)加固問(wèn)題，為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

環(huán)氧樹(shù)脂：E-51，工業(yè)級(jí)，無(wú)錫錢廣化工原料有限公司；固化劑：改性胺類固化劑，胺值450，自制；稀釋劑：JX-013，工業(yè)級(jí)，常州市潤(rùn)翔化工有限公司；促進(jìn)劑：DMP-30，工業(yè)級(jí)，江蘇蒲公英新材料有限公司；消泡劑：DF-833，工業(yè)級(jí)，東莞市德豐消泡劑有限公司；水泥：P·O42.5，冀東水泥廠；石英砂：40～70目、70～120目，工業(yè)級(jí)，北極熊建材有限公司；界面劑：由環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑按照3∶1混合而成，自制。

1.2 主要儀器設(shè)備

JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)、DKZ-6000型抗折試驗(yàn)機(jī)、TYE-300型壓力試驗(yàn)機(jī)，無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司；JJ-5型電動(dòng)攪拌機(jī)，上海恒州機(jī)械設(shè)備有限公司；流動(dòng)度截錐圓模，上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)INSTRON公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，重慶四達(dá)試驗(yàn)儀器廠。

1.3 試樣制備

1.3.1 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿中各組分的制備

A組分：將環(huán)氧樹(shù)脂E51和稀釋劑按照質(zhì)量比10∶1加入攪拌容器內(nèi)，再加入0.1%（按占環(huán)氧樹(shù)脂砂漿總質(zhì)量百分比計(jì)）的消泡劑；然后，開(kāi)動(dòng)電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，直到漿液均勻無(wú)分層為止。B組分：自制的新型固化劑。C組分：將水泥、石英砂、石英粉按照質(zhì)量比為1∶1∶1混合均勻即可。

1.3.2 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的制備

（1）將A組分、B組分及C組分按照質(zhì)量比3∶1∶16稱量，然后再分別稱量0、5%、10%、15%（按占B組分固化劑的質(zhì)量百分比計(jì)）的促進(jìn)劑。（2）將A組分、B組分及促進(jìn)劑先進(jìn)行混合攪拌均勻，隨后再加入C組分填料，通過(guò)水泥膠砂攪拌機(jī)高速混合攪拌2 min，即可制得環(huán)氧樹(shù)脂砂漿。

1.4 性能測(cè)試與表征

（1）流動(dòng)度：參照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中流動(dòng)度的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成后需利用溶劑對(duì)器具進(jìn)行清洗，以免影響其它組別測(cè)試。

（2）凝結(jié)時(shí)間和收縮率：參照J(rèn)GJ/T 70—2009中《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（3）放熱溫度峰值測(cè)試（50 mm）：參照DL/T 5193—2014《環(huán)氧樹(shù)脂砂漿技術(shù)規(guī)程》，采用600 ml塑料杯，外面包裹一層聚苯乙烯泡沫塑料板待用；然后將攪拌好的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿倒入塑料杯中，置于不通風(fēng)處，砂漿厚度為50 mm；最后將熱電偶的端頭插入砂漿中央半徑5 mm的范圍內(nèi)，插入深度為砂漿層厚度的1/2，監(jiān)測(cè)溫度的變化，直至溫度明顯下降，記錄最高溫度。

（4）抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度：參照GB/T 17671—2005《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，成型40 mm×40 mm×160 mm的試件，在溫度為（20±3）℃、相對(duì)濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，然后采用壓力機(jī)和抗折機(jī)分別進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試。

（5）粘結(jié)強(qiáng)度：參照GB/T 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中正拉粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，混凝土基塊強(qiáng)度等級(jí)為C40。其中，干粘結(jié)試件是在標(biāo)準(zhǔn)干養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，濕粘結(jié)試件在（20±5）℃的水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 施工性能

基于不同促進(jìn)劑用量條件下環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間及放熱溫度峰值，對(duì)其施工性能進(jìn)行初步的探究。

2.1.1 流動(dòng)度

實(shí)際應(yīng)用中，一般修補(bǔ)砂漿流動(dòng)度不宜太大，否則不易施工。另外，由于促進(jìn)劑的黏度較低，當(dāng)其它組分不變時(shí)，加入促進(jìn)劑后砂漿的流動(dòng)度勢(shì)必會(huì)受到影響。同時(shí)，促進(jìn)劑會(huì)加快固化反應(yīng)的進(jìn)程，不同促進(jìn)劑用量下環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的流動(dòng)度如圖1所示。

圖1 促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿流動(dòng)度的影響

由圖1可見(jiàn)，隨著促進(jìn)劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的初始流動(dòng)度相應(yīng)的增加；相比未加促進(jìn)劑的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，當(dāng)促進(jìn)劑的用量為15%時(shí)，砂漿流動(dòng)度增大了25 mm。這是由于促進(jìn)劑是一種低黏度單官能團(tuán)環(huán)氧固化劑，增加其用量后，環(huán)氧樹(shù)脂漿液的黏度會(huì)相應(yīng)降低，相同填料用量條件下，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的流動(dòng)度自然也就會(huì)降低。同時(shí)，固化30 min后體系的流動(dòng)度會(huì)有一定程度的降低，且隨著促進(jìn)劑用量的增加，體系的流動(dòng)度降幅增大。這是因?yàn)榇龠M(jìn)劑的引入會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂砂漿體系的固化速率增大，因此促進(jìn)劑用量增加時(shí)，砂漿固化30 min時(shí)體系的黏度就會(huì)增大，相應(yīng)地體系流動(dòng)度的降幅增大。

2.1.2 凝結(jié)時(shí)間

工程應(yīng)用中一般對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的凝結(jié)時(shí)間有一定的要求，較短的凝結(jié)時(shí)間能提高修補(bǔ)加固施工的效率。促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響如圖2所示。

圖2 促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著促進(jìn)劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的凝結(jié)時(shí)間縮短。當(dāng)促進(jìn)劑用量為10%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間縮短至210 min，與未加促進(jìn)劑的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿相比，凝結(jié)時(shí)間縮短了270 min。這是由于，促進(jìn)劑在環(huán)氧體系中相當(dāng)于一種催化劑，增加其用量，勢(shì)必會(huì)加快固化反應(yīng)的進(jìn)程，相應(yīng)的凝結(jié)時(shí)間就會(huì)縮短。

2.1.3 放熱溫度峰值

促進(jìn)劑的引入一方面會(huì)加快反應(yīng)的進(jìn)程，但另一方面也會(huì)導(dǎo)致體系爆聚的可能性增大。測(cè)試不同促進(jìn)劑用量下環(huán)氧樹(shù)脂砂漿放熱溫度峰值，可以對(duì)其反應(yīng)進(jìn)程作初步的評(píng)價(jià)，不同促進(jìn)劑用量下50 mm厚環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的放熱溫度峰值如圖3所示。

圖3 促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿放熱溫度峰值的影響

由圖3可見(jiàn)，隨著促進(jìn)劑用量的增加，發(fā)熱溫度峰值逐漸升高，且當(dāng)用量在10%以后增幅變大。這是由于促進(jìn)劑用量越多，固化反應(yīng)速率越快，相應(yīng)地放熱更為集中，放熱溫度峰值就越高；但當(dāng)其用量達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增加其用量，體系的固化反應(yīng)會(huì)變得難以控制。另外，本試驗(yàn)采用的是50 mm厚的試樣，其固化放熱量有限，但實(shí)際施工時(shí)，大面積采用這種環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)料時(shí)，其固化產(chǎn)生的熱量會(huì)更大，如果促進(jìn)劑用量過(guò)大，很容易產(chǎn)生爆聚，影響砂漿固化后的力學(xué)性能。

2.2 力學(xué)性能

固化后環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的力學(xué)性能影響著修復(fù)效果。本研究從抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及固化收縮率等幾個(gè)方面對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

混凝土一般具有較高的抗壓強(qiáng)度，如果選擇的修補(bǔ)砂漿抗壓強(qiáng)度過(guò)低，很容易導(dǎo)致后期二次修復(fù)。因此，首先對(duì)固化物的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見(jiàn)：隨著促進(jìn)劑用量的增加，其1 d抗壓強(qiáng)度逐漸增大；這是由于促進(jìn)劑在環(huán)氧體系中充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)反應(yīng)的催化劑，用量增加，相應(yīng)的反應(yīng)速率就越快，因此相同固化條件下，1 d抗壓強(qiáng)度就越大。但是，隨著固化齡期的延長(zhǎng)可以看出，促進(jìn)劑用量越高，其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度越小，當(dāng)用量為15%時(shí)，其3種齡期下的抗壓強(qiáng)度幾乎接近。另外，隨著促進(jìn)劑用量增加，7 d和28 d齡期下環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)?，一方面促進(jìn)劑可促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)，保證固化物有較高的1 d強(qiáng)度，當(dāng)用量足夠高時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿固化1 d幾乎已經(jīng)完成固化反應(yīng)，因此延長(zhǎng)固化時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有太大影響；另一方面，促進(jìn)劑是一種低黏度高活性單官能度環(huán)氧，而普通固化劑的官能度一般≥2，因此，增加促進(jìn)劑的用量也就是增加單官能度環(huán)氧與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)的幾率，當(dāng)該反應(yīng)的比例越大，完全固化后體系中交聯(lián)程度就越小，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度也會(huì)越低。同時(shí)，由于7 d齡期下環(huán)氧樹(shù)脂砂漿幾乎已經(jīng)完成固化反應(yīng)，因此相同用量下，28 d齡期下砂漿的抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

工程應(yīng)用中一些混凝土?xí)幵诟哳l動(dòng)荷載的環(huán)境中（如高鐵和地鐵軌道混凝土、橋梁結(jié)構(gòu)混凝土等），對(duì)這些位置進(jìn)行修復(fù)往往要求所用的修補(bǔ)材料具有較好的抗折強(qiáng)度。因此，本文對(duì)不同齡期下的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿抗折強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出，隨著促進(jìn)劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿1 d抗折強(qiáng)度逐漸增大；7 d和28 d抗折強(qiáng)度逐漸降低，且促進(jìn)劑用量越大，7 d和28 d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度越小。這是由于促進(jìn)劑相當(dāng)于一種催化劑，增加其用量相應(yīng)的也就加快固化反應(yīng)的速率，因此，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿1 d的抗折強(qiáng)度也會(huì)越高；但是，促進(jìn)劑不單單是一種催化劑，其作為一種高活性單官能度環(huán)氧，增加其用量，相應(yīng)固化體系中單官能環(huán)氧封端環(huán)氧樹(shù)脂的比例也會(huì)增加，體系的交聯(lián)程度會(huì)有所降低，進(jìn)而固化完成后砂漿抗折強(qiáng)度會(huì)變小。同時(shí)，由于7 d齡期下環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的固化反應(yīng)幾乎已經(jīng)完成，因此28 d齡期下抗折強(qiáng)度變化不大。

2.2.3 固化收縮率

環(huán)氧樹(shù)脂砂漿一般存在收縮率過(guò)高的問(wèn)題，固化后材料一旦收縮過(guò)大，很容易出現(xiàn)裂縫，影響修補(bǔ)效果?；诖?，本研究對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的固化收縮率（28 d）進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 促進(jìn)劑用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿28 d固化收縮率的影響

由圖6可以看出，隨著促進(jìn)劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿28 d固化收縮率增大。這是因?yàn)?，促進(jìn)劑是一種低黏度單官能團(tuán)環(huán)氧固化劑，增加其用量，環(huán)氧樹(shù)脂膠液黏度會(huì)降低，此時(shí)如果再加入相同質(zhì)量的粉料，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的黏度就會(huì)變小，其砂漿內(nèi)部的氣泡會(huì)更易逸出，相應(yīng)固化后體積收縮率也越大。

基于以上環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的施工性能和力學(xué)性能，同時(shí)考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，優(yōu)選促進(jìn)劑用量為10%的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿。其初始流動(dòng)度為155 mm，凝結(jié)時(shí)間為215 min，放熱溫度峰值為54 ℃，1 d抗壓強(qiáng)度為73.86 MPa，1 d抗折強(qiáng)度為21.64 MPa，28 d固化收縮率為0.075%。

2.3 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿對(duì)混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由于在潮濕界面環(huán)境下混凝土表面會(huì)吸附大量的水，修補(bǔ)界面易形成一層水膜，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂砂漿和混凝土基材界面的粘結(jié)力降低。上述優(yōu)選的促進(jìn)劑用量為10%的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，對(duì)干、濕混凝土基材界面的7 d粘結(jié)強(qiáng)度分別為7.54、5.07 MPa，相比干粘結(jié)強(qiáng)度，濕粘結(jié)強(qiáng)度降低了近2.5 MPa。這是由于潮濕或水環(huán)境的存在導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂砂漿和混凝土界面界面形成一層水膜，一定程度上阻止了環(huán)氧樹(shù)脂砂漿與混凝土界面的接觸，相應(yīng)的粘結(jié)強(qiáng)度就會(huì)降低，但其7 d濕而粘結(jié)強(qiáng)度仍達(dá)5.07 MPa。

環(huán)氧樹(shù)脂砂漿與干、濕混凝土基材粘結(jié)破壞界面狀態(tài)見(jiàn)圖7。

圖7 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿與干、濕混凝土基材粘結(jié)破壞界面

由圖7可見(jiàn)，干、濕混凝土基材粘結(jié)界面的粘結(jié)破壞形式均為混凝土內(nèi)聚破壞，進(jìn)一步顯示所制備的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿具有良好的濕面粘結(jié)性能。

3 工程應(yīng)用案例

本研究制備的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿已于2018年10月在某地鐵管片潮濕界面修補(bǔ)中得到了應(yīng)用（見(jiàn)圖8），至今仍然與混凝土界面有很好的粘結(jié)力，砂漿不存在開(kāi)裂及破損現(xiàn)象，保持了良好的修復(fù)效果。

圖8 工程應(yīng)用實(shí)例

另外，針對(duì)潮濕界面混凝土的修補(bǔ)，制定了相應(yīng)的修補(bǔ)工藝，具體采用了以下幾個(gè)步驟：

（1）混凝土基面清理：將結(jié)構(gòu)受損處松散混凝土及骨料顆粒徹底鑿除，以露出新混凝土基面為準(zhǔn)，然后采用吹風(fēng)機(jī)徹底清理缺損區(qū)域碎屑、灰塵等雜物；同時(shí)清理基面上的明水，以保證界面粘結(jié)力。

（2）鋼筋除銹防銹：對(duì)基面清理后裸露的鋼筋進(jìn)行除銹，首先使用角磨機(jī)清除鋼筋表面油漬、漆污、銹皮、鱗銹等，然后使用除銹劑進(jìn)一步清理鋼筋表面或凸肋間銹跡，達(dá)到鋼筋表面露出金屬光澤為準(zhǔn)。其中，該步驟是為了防止鋼筋銹蝕造成混凝土進(jìn)一步開(kāi)裂。

（3）涂刷界面劑：在清理后的混凝土界面上涂刷界面劑，界面劑達(dá)到完全覆蓋粘結(jié)基面為準(zhǔn)。界面劑一方面可增大修補(bǔ)材料與混凝土基材的粘結(jié)力，另一方面可改善界面過(guò)渡區(qū)剛性、提高修補(bǔ)材料與基材的適應(yīng)性。

（4）混凝土修復(fù)：使用上述環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)砂漿對(duì)混凝土進(jìn)行修復(fù)，修補(bǔ)料應(yīng)充滿結(jié)合部位、恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可采用輔助模板進(jìn)行施工。

（5）外觀修復(fù)：固化1 d后，使用角磨機(jī)對(duì)修補(bǔ)料基面進(jìn)行打磨；同時(shí)使用外觀修復(fù)材料對(duì)修補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行涂刷，盡可能保證修復(fù)后外觀與原混凝土一致。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）選用自制的固化劑，以E51和活性稀釋劑為基料，同時(shí)加入促進(jìn)劑和活性填料，制備了一種可用于潮濕界面修補(bǔ)的環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)砂漿。

（2）隨著促進(jìn)劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的初始流動(dòng)度增大，凝結(jié)時(shí)間縮短，放熱溫度峰值升高；1 d抗壓、抗折強(qiáng)度提高，但7 d和28 d抗壓、抗折強(qiáng)度卻逐漸降低；且隨著促進(jìn)劑用量增加，28 d固化收縮率也有所增大。

（3）基于施工現(xiàn)場(chǎng)要求，優(yōu)選促進(jìn)劑用量為10%的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，其凝結(jié)時(shí)間為215 min，放熱溫度峰值為54 ℃，1 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為73.86、21.64 MPa，28 d固化收縮率為0.075%。

（4）優(yōu)選出的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿具有良好的粘結(jié)性能，其7 d干、濕粘結(jié)強(qiáng)度分別為7.54、5.07 MPa。

（5）本研究開(kāi)發(fā)的潮濕界面用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿已在某地鐵管片修復(fù)中得到應(yīng)用，試用1.5年后仍保持良好的修復(fù)效果。