水性環(huán)氧砂漿修復(fù)混凝土的黏接界面性能

劉志偉，張 雷，王中林，竇國(guó)競(jìng)，黃飛亞

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

0 研究背景

近年來(lái)，大量混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷磨蝕破壞，很多已經(jīng)滿足不了正常使用要求，甚至已經(jīng)低于安全要求，必須對(duì)原有混凝土進(jìn)行必要的修復(fù)加固。環(huán)氧類材料以其優(yōu)異的黏結(jié)性能、良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域，成為結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)工程中最為重要的建筑材料之一[1]。水性環(huán)氧砂漿與基底混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的質(zhì)量至關(guān)重要，直接影響到加固結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，必須根據(jù)具體工程實(shí)際采用合適、簡(jiǎn)單可靠的表面處理方法。有關(guān)改性砂漿和混凝土界面黏結(jié)抗拉強(qiáng)度和黏結(jié)抗剪強(qiáng)度已有不少研究[2]，包括黏結(jié)面的處理方法、粗糙度、試驗(yàn)方法[3-7]及界面劑的品種和使用[8-10]?；谆炷恋谋砻娓蓾駹顩r、粗糙程度、水性環(huán)氧基液和水性環(huán)氧砂漿的熱膨脹系數(shù)對(duì)黏結(jié)質(zhì)量的影響很大，亟需根據(jù)修復(fù)技術(shù)工藝，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案開展專項(xiàng)研究。本文以改性砂漿與混凝土界面為研究對(duì)象，通過(guò)開展不同界面劑、粗糙度及干濕條件下的黏結(jié)特性研究，探索各因素對(duì)黏接性能的影響規(guī)律，為水性環(huán)氧砂漿在水利工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

制作水性環(huán)氧砂漿所需原材料一般包括環(huán)氧樹脂乳液、水泥和砂。選用上海漢中化工有限公司生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂體系，環(huán)氧樹脂乳液由環(huán)氧樹脂H123A（A組分）、環(huán)氧固化劑H123B（B組分）和水按一定比例配制，環(huán)氧樹脂為固化劑乳化型液態(tài)樹脂，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 水性環(huán)氧樹脂體系技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of waterborne epoxy resin system

常見的用于改性砂漿中的水泥是普通硅酸鹽水泥，當(dāng)工程有特殊要求時(shí)會(huì)用到其它類型水泥。試驗(yàn)旨在對(duì)水性環(huán)氧砂漿的黏結(jié)性能做全面的分析，而不需要其具備某種特性，因此采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥制作水性環(huán)氧砂漿，水泥砂漿力學(xué)性能見表2。改性砂漿中的拌合用砂，常見的有河砂、人工砂和標(biāo)準(zhǔn)砂。試驗(yàn)采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂作為改性砂漿拌合用砂。

表2 P.O 42.5水泥砂漿力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of P.O 42.5 cement mortar

試驗(yàn)中基底混凝土試件統(tǒng)一采用灌漿料制作。灌漿料一般由水泥結(jié)合劑、石英砂骨料和改性物質(zhì)配制而成，相較于普通混凝土，灌漿料具有早強(qiáng)、高強(qiáng)和使用方便等特點(diǎn)。考慮到部分基底混凝土試塊會(huì)在冬季制作和養(yǎng)護(hù)，為保證混凝土自身的強(qiáng)度，選擇青島卓能達(dá)建筑科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型灌漿料和超高強(qiáng)型灌漿料作為原材料，28 d齡期抗壓強(qiáng)度分別為60 MPa和80 MPa，符合《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5193—2004）中對(duì)于基底混凝土強(qiáng)度的要求。

1.2 試件成型

（1）將1份環(huán)氧和1.3份固化劑組分按配比倒入拌料容器，攪拌均勻至白色牙膏狀的黏稠物，再分3次加入2.5份的水，攪拌均勻至白色牛奶狀的乳液。根據(jù)配合比稱取一定量的水泥和砂攪拌均勻，將水性環(huán)氧乳液倒入填料中并采用手動(dòng)攪拌的方式進(jìn)行攪拌，用拌料鏟進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、碾壓和攪拌，至拌和料顏色均勻且無(wú)結(jié)塊存在。整個(gè)拌和過(guò)程在5 min內(nèi)完成。改性砂漿的力學(xué)性能見表3。

表3 水性環(huán)氧砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度表Table 3 Compressive strength and flexural strength of epoxy modified mortar

（2）參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352—2020），選用標(biāo)準(zhǔn)型灌漿料，水灰比0.12，采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)方式成型基底混凝土試塊，1 d拆模后放入（20±3）℃、相對(duì)濕度90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

（3）制作黏結(jié)抗拉試件時(shí)，基底塊黏結(jié)面預(yù)先做干濕處理，濕潤(rùn)界面的處理方式為提前將基底塊放水里浸泡48 h以上，取出后擦干表面明水，使用鋼絲刷刷洗干凈。干燥界面的處理方式為在烘箱中用80 ℃烘2 h，取出后冷卻至室溫。澆筑環(huán)氧砂漿的邊界需要預(yù)先切槽，槽寬和槽深約2 mm，需要粗糙處理的試件用石材切割機(jī)劃出深1 mm左右的條紋，如圖1和圖2所示。在基底混凝土塊黏結(jié)界面處涂上薄而均勻的界面劑并靜置2～3 min。

圖1 混凝土表面切槽處理Fig.1 Grooving on concrete surface

圖2 混凝土表面粗糙處理Fig.2 Rough treatment of concrete surface

試驗(yàn)采用兩種形式的黏結(jié)試件，方形黏結(jié)試件和長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件。方形黏結(jié)試件的制作方式為：在基底塊上部安裝40 mm×40 mm×10 mm的試模，一次性裝入改性砂漿，24±2 h后拆模，自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試黏結(jié)強(qiáng)度；長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件的制作方式為：將半個(gè)長(zhǎng)“8”字形混凝土塊放入涂有脫模劑的長(zhǎng)“8”字形試模中，涂過(guò)乳液后將環(huán)氧砂漿分兩層澆入余下的半個(gè)長(zhǎng)“8”字模內(nèi)，插搗并抹平表面，24±2 h后拆模，自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試黏結(jié)強(qiáng)度。

1.3 黏結(jié)試件

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，先使用空心鉆機(jī)在水性環(huán)氧砂漿涂層上垂直切出一個(gè)Ф50 mm的圓形待測(cè)面，將待測(cè)面部分的修復(fù)砂漿與周圍砂漿分離，透過(guò)水性環(huán)氧砂漿涂層切割深入混凝土層5～10 mm，之后用快速?gòu)?qiáng)力膠黏劑把Ф50 mm的拉頭黏結(jié)到砂漿待測(cè)面上?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)把黏結(jié)拉頭連接到拉拔儀上。為更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境，試驗(yàn)采用方形黏結(jié)試件進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖3所示，抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)按照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5126—2001）進(jìn)行。

圖3 方形黏結(jié)試件直接拉伸試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Diagram of direct tensile test device for square bonded specimen

國(guó)內(nèi)檢驗(yàn)黏結(jié)抗拉強(qiáng)度的試件形式多為“8”字形試件，而在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，“8”字形試件在拉伸過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)扭、偏動(dòng)，產(chǎn)生一定的彎矩，從而導(dǎo)致腰部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，測(cè)出的黏結(jié)強(qiáng)度值離散性大。為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，在“8”字形試件基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在試件腰部位置增加一直線段，長(zhǎng)度為100 mm，寬度為25 mm，厚度為25 mm，如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件Fig.4 Long “8” shaped bonded test piece

1.4 黏結(jié)抗拉強(qiáng)度測(cè)定

黏結(jié)抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：σt為試件抗拉強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為黏接面積，mm2。

每個(gè)編號(hào)的試件制作6個(gè)，在6塊試件測(cè)值中，剔除最大最小2個(gè)，以其余4個(gè)測(cè)值的平均值，作為該組試件混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 方形黏結(jié)試件抗拉強(qiáng)度

方形黏結(jié)試件抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 方形黏結(jié)試件抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test results of square bonded specimens MPa

從表4可以看出，無(wú)論試件采用何種黏結(jié)面處理方式，整體而言，使用水泥凈漿作為界面劑對(duì)改性砂漿-混凝土黏結(jié)性能提升最大，使用環(huán)氧乳液作為界面劑與無(wú)界面劑時(shí)的界面黏結(jié)強(qiáng)度相差不大，甚至在Ⅱ型面、濕潤(rùn)表面出現(xiàn)了黏結(jié)強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。以無(wú)界面劑、干燥狀態(tài)下的Ⅰ型黏結(jié)面試件抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，涂抹水泥凈漿界面劑后強(qiáng)度提升了49%，而涂抹環(huán)氧乳液界面劑后黏結(jié)強(qiáng)度僅僅提升了 27%。在濕潤(rùn)的Ⅱ型黏結(jié)面涂抹環(huán)氧乳液作為界面劑時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度不升反降，為不涂界面劑的78%。原因可能是：試驗(yàn)中的乳液摻量較大，濕潤(rùn)狀態(tài)下，基底混凝土黏結(jié)界面表層存在水膜，導(dǎo)致環(huán)氧乳液難以滲透到基底混凝土表面孔隙中去，有自動(dòng)脫離表面的現(xiàn)象。此外，環(huán)氧乳液界面劑不易與混凝土進(jìn)行黏結(jié)，黏結(jié)面處出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象，導(dǎo)致改性砂漿-混凝土結(jié)合面抗拉強(qiáng)度較低。

基底混凝土表面干燥時(shí)，經(jīng)過(guò)粗糙處理過(guò)的Ⅱ型面黏結(jié)強(qiáng)度均高于Ⅰ型面，原因是粗糙處理后混凝土表面與新澆筑的水性環(huán)氧砂漿的接觸面積增加，通過(guò)增強(qiáng)改性砂漿與混凝土間的主要黏結(jié)力，即機(jī)械咬合力來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)的黏結(jié)性能。此外，基底混凝土表面粗糙處理后黏結(jié)性能雖有提高，但提升幅度不大，使用不同種類界面劑時(shí)，較Ⅰ型面增長(zhǎng)的最大值僅為39%?；谆炷帘砻鏉駶?rùn)時(shí)，涂抹環(huán)氧乳液界面劑的Ⅱ型黏結(jié)處理面試件抗拉強(qiáng)度與Ⅰ型面試件相差不大，原因可能是：環(huán)氧乳液與基底混凝土的接觸改善了黏結(jié)界面的粗糙度，使得改性砂漿與基底混凝土間的機(jī)械咬合力降低。圖5為Ⅰ型面與Ⅱ型面抗拉試件拉斷面。

圖5 Ⅰ型面與Ⅱ型面黏結(jié)抗拉試件拉斷面Fig.5 Tensile section of bonded tensile test piece between type Ⅰ surface and type Ⅱ surface

無(wú)論對(duì)于Ⅰ型黏結(jié)面還是Ⅱ型黏結(jié)面，界面處于干燥狀態(tài)時(shí)黏結(jié)效果明顯優(yōu)于濕潤(rùn)界面，且不難看出，在使用環(huán)氧乳液作為界面劑時(shí)，基底混凝土干濕情況對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大。此時(shí)，干燥處理后的Ⅰ型面試件相較于濕潤(rùn)界面，改性砂漿抗拉強(qiáng)度提升93%；干燥處理后的Ⅱ型面試件相較于濕潤(rùn)界面，改性砂漿抗拉強(qiáng)度提升160%。干燥狀態(tài)下，在基底混凝土表面涂一層環(huán)氧乳液，原本的干燥表面會(huì)吸收部分乳液進(jìn)入多孔隙基底混凝土中，有助于環(huán)氧乳液滲透，而環(huán)氧乳液界面劑又有利于改性砂漿的保水，使黏結(jié)面附近的水泥充分水化；濕潤(rùn)狀態(tài)下，混凝土表層的水膜阻礙了乳液滲透，從而影響了改性砂漿的黏結(jié)效果。

2.2 長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件抗拉強(qiáng)度

長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results of long “8” shaped bonded specimens MPa

從表5可以看出，在長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件抗拉試驗(yàn)中，界面劑黏結(jié)效果最好的是環(huán)氧乳液，其次是水泥凈漿和無(wú)界面劑，以無(wú)界面劑下表面干燥的Ⅰ型面試件抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，涂抹水泥凈漿界面劑和環(huán)氧乳液界面劑后強(qiáng)度分別提高23%和114%。

無(wú)論對(duì)于Ⅰ型面還是Ⅱ型面黏結(jié)試件，干燥界面的抗拉強(qiáng)度均高于濕潤(rùn)界面。同樣地，在使用環(huán)氧乳液作為界面劑時(shí)，基底混凝土干濕情況對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大。而根據(jù)俞亮[11]的改性砂漿黏結(jié)拉拔試驗(yàn)，在濕潤(rùn)界面條件下，改性砂漿黏結(jié)拉拔強(qiáng)度值高于干燥界面條件下的黏結(jié)拉拔強(qiáng)度值。出現(xiàn)這種差異可能是因?yàn)椋寒?dāng)改性砂漿中的乳液摻量較小時(shí)，改性砂漿中的水份被干燥的基底混凝土表面吸收，導(dǎo)致界面處的改性砂漿水灰比有所降低。由于水份過(guò)早喪失，靠近黏結(jié)面的水泥水化反應(yīng)進(jìn)行得不充分，對(duì)結(jié)合面黏結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。而基底混凝土濕潤(rùn)界面表層水膜的存在阻礙了基材吸收砂漿中的水份，避免了靠近黏結(jié)面處改性砂漿水份流失，有利于此處水泥的水化反應(yīng)，保證了黏結(jié)面附近水泥硬化后的強(qiáng)度，因此黏結(jié)力較干燥表面有所提高。本文中使用的水性環(huán)氧砂漿乳液摻量為21%，屬于高聚灰比改性砂漿?；鏉駶?rùn)狀態(tài)下，混凝土表層的水膜阻礙了環(huán)氧乳液向基底混凝土表面的孔隙滲透，從而影響了界面黏結(jié)強(qiáng)度。

不論黏結(jié)界面是干燥還是濕潤(rùn)，Ⅱ型黏結(jié)處理面試件黏結(jié)抗拉強(qiáng)度均高于Ⅰ型面。基底混凝土表面粗糙處理后雖然黏結(jié)強(qiáng)度有所提升，但幅度不大。例如，以Ⅰ型干燥界面改性砂漿-混凝土黏結(jié)試件為基準(zhǔn)，無(wú)界面劑、水泥凈漿和環(huán)氧乳液界面劑下Ⅱ型面黏結(jié)試件分別提高64%、52%、30%。圖6為Ⅰ型面與Ⅱ型面黏結(jié)抗拉試件拉斷面。

圖6 Ⅰ型面與Ⅱ型面黏結(jié)抗拉試件拉斷面Fig.6 Tensile section of bonded tensile test piece between type Ⅰ surface and type Ⅱ surface

在進(jìn)行改性砂漿與混凝土的黏結(jié)試驗(yàn)時(shí)，幾乎所有的試件都在砂漿與混凝土的結(jié)合面附近的區(qū)域破壞，這一破壞區(qū)域，叫做界面過(guò)渡區(qū)，它是改性砂漿與混凝土黏結(jié)后的薄弱區(qū)。界面過(guò)渡區(qū)的缺陷是導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)改性砂漿力學(xué)性能大幅降低的直接原因，此外，基底混凝土的水泥幾乎完全水化，失去活性，導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)力薄弱。

3 結(jié) 論

針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固過(guò)程中改性砂漿-混凝土黏結(jié)面這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行改性砂漿和混凝土黏結(jié)抗拉試驗(yàn)，研究了界面干濕狀況、粗糙度和界面劑類型對(duì)改性砂漿-混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響，得到結(jié)論如下：

（1）界面干濕狀況是影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的主要因素，干燥界面的抗拉強(qiáng)度高于濕潤(rùn)界面，使用環(huán)氧乳液作為界面劑時(shí)，界面干濕狀況對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較大。在研究其對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響時(shí)，需綜合考慮改性砂漿中乳液摻量。

（2）使用界面劑可以改善改性砂漿與混凝土接觸的界面區(qū)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)黏結(jié)性能。直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明界面劑黏結(jié)效果由大到小依次為水泥凈漿、環(huán)氧乳液和無(wú)界面劑；黏結(jié)抗拉試驗(yàn)結(jié)果表明界面劑黏結(jié)效果由大到小依次為環(huán)氧乳液、水泥凈漿和無(wú)界面劑。這是因?yàn)閮煞N黏結(jié)試件的接縫方式不同，直接拉伸試驗(yàn)采用的是頂部接縫，而黏結(jié)抗拉試驗(yàn)采用的是側(cè)面接縫。因此研究界面劑類型因素時(shí)需同時(shí)考慮界面干濕狀況和界面接縫方式對(duì)黏結(jié)的影響。

（3）對(duì)改性砂漿與混凝土的結(jié)合面進(jìn)行一定程度的粗糙處理，可以使基底混凝土與界面劑的接觸面積增大，增強(qiáng)黏結(jié)面的機(jī)械咬合力，從而使改性砂漿黏結(jié)強(qiáng)度得到提高?；谆炷帘砻娲植谔幚砗箅m然黏結(jié)強(qiáng)度有所提升，但提升幅度不大。

（4）方形黏結(jié)試件測(cè)得的抗拉強(qiáng)度偏低，但數(shù)據(jù)離散性小，適合模擬檢驗(yàn)面層修補(bǔ)中改性砂漿-混凝土局部剝離黏結(jié)強(qiáng)度。長(zhǎng)“8”字形黏結(jié)試件由于在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)最大程度地降低了剪切力作用，測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果更穩(wěn)定。

本文選自“全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)安全評(píng)估及除險(xiǎn)加固技術(shù)前沿研討會(huì)”征集論文，會(huì)議旨在探討病險(xiǎn)水庫(kù)評(píng)估方法以及除險(xiǎn)加固新技術(shù)、新措施，推進(jìn)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作、提高防災(zāi)和供水保障能力，會(huì)議于2021年5月26—27日在杭州召開。

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