超低粘度環(huán)氧基注漿材料在修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)微裂縫中的可行性研究*

李 培

(上海建橋?qū)W院商學(xué)院, 上海 201306)

水泥的熱脹冷縮往往會(huì)導(dǎo)致混凝土的微裂縫、滲水或更嚴(yán)重的問(wèn)題，注漿加固是重要的防治措施[1-2]，目前常用的注漿材料有兩類(lèi)：水泥注漿材料和化學(xué)注漿材料[3]。環(huán)氧注漿材料是一種化學(xué)注漿材料，常用于建筑基礎(chǔ)加固、道路養(yǎng)護(hù)和大壩修復(fù)等[4]，其具有強(qiáng)度高、凝結(jié)速度快和耐腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。但是，環(huán)氧樹(shù)脂是一種高粘度流體，因此很難灌入到微裂紋中，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可通過(guò)稀釋劑降低環(huán)氧樹(shù)脂的粘度，提高其加工性能[6]。

Eren等[3]研究了稀釋劑類(lèi)型對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂混合物粘度的影響，稀釋劑的分子量會(huì)影響環(huán)氧基注漿材料的粘度，隨著稀釋比的增加，環(huán)氧樹(shù)脂混合物的粘度降低；5%稀釋劑的加入使粘度下降52%～72%。Loos等[7]發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧樹(shù)脂中加入10%的丙酮(一種非活性稀釋劑)可使粘度降低50%左右。盡管為了降低環(huán)氧樹(shù)脂的粘度而對(duì)稀釋劑進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于超低粘度(接近水粘度)的環(huán)氧樹(shù)脂漿液材料的報(bào)道較少。

環(huán)氧樹(shù)脂具有高度的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此其脆性較高、抗裂紋萌生和擴(kuò)展能力較差和韌性較低[8]，極大地限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的使用，因此，脆性環(huán)氧樹(shù)脂的改性一直是該領(lǐng)域長(zhǎng)期研究的課題[9]。提高環(huán)氧樹(shù)脂韌性的方法有很多，如加入軟橡膠顆粒、剛性無(wú)機(jī)顆粒、石墨烯和碳納米管等[10]。同時(shí)，化學(xué)注漿材料的毒性越來(lái)越受到人們的關(guān)注，要確保其滿足環(huán)境無(wú)害性方才可以使用[11]。

本文旨在通過(guò)一種柔性活性組合稀釋劑降低環(huán)氧基注漿材料粘度的同時(shí)還能增強(qiáng)其韌性，并與傳統(tǒng)的丙酮稀釋劑進(jìn)行對(duì)比，研究?jī)煞N稀釋劑對(duì)環(huán)氧基注漿材料物理力學(xué)性能的影響，探索其修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)微裂縫的可行性。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

（1）E-51環(huán)氧樹(shù)脂，其主要成分是雙酚A二縮水甘油醚，為無(wú)色透明液體；25℃時(shí)粘度為8～18 Pa·s，環(huán)氧基重量為182～200 g/eq。（2）丙酮稀釋劑。（3）組合稀釋劑：雙官能團(tuán)活性稀釋劑（DRD），主要成分為己二醇二縮水甘油醚；三功能活性稀釋劑（TRD），主要成分為三羥甲基丙烷三縮水甘油醚。（4）環(huán)氧基固化劑采用酚醛固化劑，粘度為1450～1470 mPa·s；固化劑中含有胺官能團(tuán)，與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.2 試樣制備

根據(jù)化學(xué)計(jì)量比計(jì)算原材料的用量，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康闹贫瞬煌♂寗┍壤臉悠?，其具體配合比見(jiàn)表1。確定配合比后，首先將環(huán)氧樹(shù)脂和不同稀釋劑混合并攪拌2min，然后加入固化劑混合攪拌約5min，得到均勻的液體作為化學(xué)注漿材料，隨后將液體混合物倒入模具中，24h后脫模，根據(jù)JC/T 1041-2007規(guī)范要求，將樣品在室溫下養(yǎng)護(hù)28d，進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

表1 環(huán)氧基注漿材料配合比Table 1 Mix ratio of epoxy grouting materials

1.3 試驗(yàn)方案

利用SNB-1數(shù)字粘度計(jì)測(cè)量混合注漿材料的粘度。取60g環(huán)氧樹(shù)脂混合物裝進(jìn)塑料杯中，在室溫條件下放置7d，隨后在烘箱中（125℃，1h）烘干，根據(jù)質(zhì)量變化計(jì)算固體含量。通過(guò)傅里葉紅外光譜（FTIR）對(duì)樣品進(jìn)行表征。通過(guò)CMT4303 SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和抗壓強(qiáng)度，拉伸和壓縮試驗(yàn)均采用速度控制，速度分別為10mm/min和5mm/min，測(cè)試結(jié)果均取自三個(gè)試樣的平均值。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)拉伸試驗(yàn)試樣的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘度

在現(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，應(yīng)考慮注漿材料的粘度和注漿時(shí)間，化學(xué)注漿材料的初始粘度非常重要，初始粘度越小，越容易灌注到微裂縫中，標(biāo)準(zhǔn)JC/T 1041-2007規(guī)定初始粘度應(yīng)小于30 mPa·s，流動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于30 min，即粘度小于200 mPa·s。不同稀釋劑改性環(huán)氧樹(shù)脂粘度隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，只加入丙酮的環(huán)氧樹(shù)脂材料的初始粘度最低，室溫條件下為5.2 mPa·s；與DRD和TRD相比，丙酮分子結(jié)構(gòu)更小，因此丙酮含量較高的改性環(huán)氧樹(shù)脂初始粘度較低；由于DRD的分子量為230.3 g/mol，而TRD的分子量為302.4 g/mol，故在相同丙酮含量下，DRD改性環(huán)氧樹(shù)脂的初始粘度比TRD改性環(huán)氧樹(shù)脂要低。

從圖1中還可以看出，各組試樣的粘度隨著時(shí)間的增加，粘度增長(zhǎng)率均表現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，與僅使用丙酮作為稀釋劑的樣品相比，添加DRD-丙酮和TRD-丙酮的樣品粘度增長(zhǎng)速率更高，這是因?yàn)镈RD和TRD中的環(huán)氧基團(tuán)與固化劑的反應(yīng)速度比丙酮快。在相同配比下，DRD-注漿混合料的黏度增長(zhǎng)速度略快于TRD-注漿混合料，分子量更小的DRD分子更容易與固化劑發(fā)生反應(yīng)。

圖1 不同稀釋劑改性環(huán)氧樹(shù)脂粘度隨時(shí)間的變化曲線圖Fig. 1 Viscosity curve of epoxy resin modified with different diluents over time

2.2 固化率

圖2為不同稀釋劑改性環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料的固化率，固化率可以反映其反應(yīng)程度。從圖2可以看出，僅使用丙酮作為稀釋劑的樣品固化率最低，主要是由于丙酮是一種揮發(fā)性溶劑，具有蒸發(fā)性，從而減少了與固化劑反應(yīng)的反應(yīng)物量[12]；加入DRD和TRD均能增加樣品的固化率，因?yàn)樘砑覦RD或TRD后，丙酮的揮發(fā)率降低，同時(shí)加速了環(huán)氧溶液粘度的增加，間接阻止了丙酮的揮發(fā)。

圖2 不同稀釋劑改性環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料固化率Fig. 2 Curing rate of epoxy resin grouting materials modifi ed by different diluents

2.3 傅里葉紅外光譜測(cè)試

圖3給出了含三種不同稀釋劑的環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料的傅里葉紅外光譜測(cè)試結(jié)果。結(jié)合前人研究及圖3測(cè)試結(jié)果可知[13]，所有樣品在915cm-1處都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)環(huán)氧環(huán)對(duì)應(yīng)的吸收峰，故環(huán)氧環(huán)與固化劑反應(yīng)被完全消耗。所有樣品在1112cm-1處均有吸收峰，說(shuō)明有醚（-C-O-C）基團(tuán)存在，其形成有兩個(gè)方面的原因：一方面，固化過(guò)程中消耗的環(huán)氧基團(tuán)通過(guò)開(kāi)環(huán)形成醚基團(tuán)；另一方面，含醚分子在參與固化反應(yīng)時(shí)引入了醚基團(tuán)。由于DRD和TRD都含有醚基團(tuán)，而丙酮沒(méi)有，所以樣品1的醚基團(tuán)峰值強(qiáng)度相對(duì)較低。醚基具有柔韌性，可以提高環(huán)氧灌漿材料的柔韌性。所有樣品在1370cm-1、1460cm-1和2850cm-1處的吸收峰表明樣品中還存在C-C、C-H和CH3，這些均是環(huán)氧樹(shù)脂中常見(jiàn)的成分。而樣品在1600cm-1和1508cm-1處的吸收峰表明樣品中存在芳香骨干。

圖3 部分試樣傅里葉紅外光譜測(cè)試結(jié)果Fig. 3 Fourier infrared spectroscopy test results of some samples

2.4 抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

不同稀釋劑種類(lèi)和配比試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)JC/T 1041-2007標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)氧注漿材料的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于10MPa，從圖中可以看出，所有試樣的抗拉強(qiáng)度均高于10MPa，只加入丙酮的試樣抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到了24.05MPa。隨著DRD和TRD含量的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度逐漸降低。試件的抗拉強(qiáng)度來(lái)源于DGEBA分子中的苯結(jié)構(gòu)，DGEBA分子含量與丙酮含量成正相關(guān)[13]。此外，在相同比例下，含TRD試樣的抗拉強(qiáng)度略高于含DRD試樣的抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)镈RD和TRD中的環(huán)氧基團(tuán)可以與固化劑反應(yīng)生成環(huán)氧鏈。DRD可以增加鏈長(zhǎng)，但不能改善交聯(lián)密度，而TRD可以增加整個(gè)分子網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度，從而增加分子間的鍵合強(qiáng)度[13]，因此，TRD更能增強(qiáng)試樣的抗拉強(qiáng)度。

圖4 試樣的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Fig. 4 Tensile strength and elongation at break of samples

環(huán)氧樹(shù)脂通常是一種脆性材料，斷裂伸長(zhǎng)率低。只加入丙酮的試樣斷裂伸長(zhǎng)率最低，這是因?yàn)槠洵h(huán)氧基團(tuán)含量最高。試樣斷裂伸長(zhǎng)率隨DRD和TRD的含量增加而增大，因?yàn)镈RD和TRD中的醚基可以提高分子鏈的延性，從而增強(qiáng)其韌性。在相同比例下，DRD試樣的斷裂伸長(zhǎng)率大于TRD試樣，這與其內(nèi)部環(huán)氧基團(tuán)數(shù)目的差異有關(guān)。由于環(huán)氧樹(shù)脂材料的脆性特征使其斷裂伸長(zhǎng)率一般不超過(guò)5%，通過(guò)加入組合稀釋劑改善環(huán)氧樹(shù)脂韌性，使其斷裂伸長(zhǎng)率最高可達(dá)8.31%。

2.5 抗壓強(qiáng)度

不同稀釋劑種類(lèi)和配比試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，只加入丙酮的試樣抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到了84.15MPa，與抗拉強(qiáng)度一致，試樣的抗壓強(qiáng)度也與漿液中的環(huán)氧樹(shù)脂含量有關(guān)；隨著DRD和TRD的加入，試樣的抗壓強(qiáng)度顯著降低，這是因?yàn)閮煞N稀釋劑是柔性分子，加之組合稀釋劑改性試樣中的丙酮含量遠(yuǎn)高于丙酮稀釋劑改性試樣，丙酮?dú)埩粼诃h(huán)氧樹(shù)脂中，導(dǎo)致應(yīng)力集中和強(qiáng)度降低，此外，丙酮的單官能團(tuán)也會(huì)降低試樣內(nèi)部官能團(tuán)的交聯(lián)密度。與抗拉強(qiáng)度相似，由于TRD更能增強(qiáng)官能團(tuán)的交聯(lián)密度，因此TRD改性試樣的抗壓強(qiáng)度高于DRD改性試樣。

圖5 試樣的抗壓強(qiáng)度Fig. 5 Compressive strength of samples

2.6 斷裂面微觀結(jié)構(gòu)

圖6給出了含三種不同稀釋劑的環(huán)氧樹(shù)脂注漿材料拉伸斷裂面的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，樣品1的斷口表面光滑，裂紋幾乎平行于裂紋擴(kuò)展方向，這是典型的脆性斷裂行為，符合傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂材料脆性特征；樣品3斷口表面出現(xiàn)帶狀裂紋，表明分子間的相互作用增強(qiáng)，在環(huán)氧樹(shù)脂中引入DRD可以提高試樣的柔韌性；樣品7斷口同樣出現(xiàn)帶狀裂紋，且裂紋深度和粗糙度更加明顯，說(shuō)明樣品7具有更強(qiáng)的分子相互作用。這也可能是由于樣品7具有較高的分子間交聯(lián)性，在環(huán)氧樹(shù)脂中引入TRD可以進(jìn)一步提高環(huán)氧漿液的韌性。這與試樣的斷裂伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖6 部分試樣斷裂面微觀結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Microstructure diagram of fracture surface of some samples

3 結(jié)論

采用丙酮、DRD和TRD三種稀釋劑的不同組合方式對(duì)環(huán)氧注漿材料進(jìn)行改性，通過(guò)對(duì)改性后的環(huán)氧注漿材料性能進(jìn)行表征，得出以下結(jié)論：

（1）成功制備了超低粘度環(huán)氧基漿液，漿液達(dá)到了JC/T 1041-2007標(biāo)準(zhǔn)要求；材料粘度下降的主要原因是加入了丙酮，丙酮中加入DRD和TRD的組合稀釋劑均會(huì)導(dǎo)致材料的粘度增長(zhǎng)率和固化率增大。

（2）抗拉和抗壓強(qiáng)度隨DRD和TRD含量的增加而減小，這是由于其含有柔性醚基，能提高材料的柔韌性，使材料的斷裂行為由脆性斷裂變?yōu)檩p度韌性斷裂。

（3）綜合改性環(huán)氧注漿材料性能表征結(jié)果，其可用于修補(bǔ)建筑材料的微裂縫。