改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中的應(yīng)用

吳海瑛

摘 要：為測試改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中的應(yīng)用效果和優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了應(yīng)用測試實(shí)驗(yàn)。選擇混凝土結(jié)構(gòu)廠房作為工程建筑研究內(nèi)容，分析并計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)的承載力，以此設(shè)置加固修復(fù)的約束條件。制備環(huán)氧膠，從溫度和韌度2個方面實(shí)現(xiàn)環(huán)氧膠的改性處理。應(yīng)用改性環(huán)氧膠，執(zhí)行建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的施工方案，從拉伸、耐濕熱老化和抗剪3個方面測試加固修復(fù)效果。經(jīng)數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)與對比組相比，應(yīng)用改性環(huán)氧膠得出的建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)結(jié)果的拉伸強(qiáng)度更高，腐爛面積更小，產(chǎn)生裂縫寬度更小。說明改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中具有良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：改性環(huán)氧膠;建筑結(jié)構(gòu);加固修復(fù)方法

中圖分類號：TU58

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0062-05

Application of modified epoxy adhesive in reinforcement

and repair of building structure

WU Haiying

（Shanghai Urban Construction Vocational College，Shanghai 200438，China）

Abstract：In order to test the application effect and advantages of modified epoxy adhesive in building structure reinforcement and repair， an application test experiment is designed. The concrete structure workshop is selected as the research content of engineering construction， the bearing capacity of the building structure is analyzed and calculated， and the constraint conditions for reinforcement and repair are set. Epoxy adhesive was prepared and modified from two aspects of temperature and toughness. Using modified epoxy adhesive， the construction scheme of building structure reinforcement and repair is implemented， and the reinforcement and repair effect is tested from three aspects： tensile， moisture and heat aging resistance， and shear resistance. After data processing and statistics， it is found that compared with the control group， the results of building structure reinforcement and repair obtained by using modified epoxy adhesive have higher tensile strength， smaller decay area and smaller crack width. Therefore， it is concluded that modified epoxy adhesive has a good application effect in building structure reinforcement and repair.

Key words：modified epoxy adhesive; building structure; reinforcement and repair methods

由于建筑物老化、意外損傷以及自然災(zāi)害等因素的影響，致使建筑結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性隨之降低，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生危險(xiǎn)事故的概率增加，使用功能下降，最終導(dǎo)致建筑物無法正常使用[1]。為了延長建筑的使用壽命，需要對部分存在安全隱患的建筑進(jìn)行加固修復(fù)處理。

目前市場對加固修復(fù)技術(shù)的需求增大，從當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)研究成果和應(yīng)用情況來看，現(xiàn)有加固修復(fù)方案存在加固效果不佳的問題。主要體現(xiàn)在加固修復(fù)處理后建筑結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度、耐濕熱、老化性能等方面。為此將改性環(huán)氧膠應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)工作中，并觀察其應(yīng)用效果。

改性環(huán)氧膠是環(huán)氧膠的一種，環(huán)氧膠是在一個分子中含有兩個或兩個以上的環(huán)氧基團(tuán)與固化劑按一定比例混合后，在固化反應(yīng)的作用下形成的產(chǎn)物。與其他熱固性膠相比，環(huán)氧膠具有良好的穩(wěn)定性、粘接性等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用到裝修、結(jié)構(gòu)粘接、建筑物修復(fù)與加固等場合中。然而，普通的環(huán)氧膠雖可以滿足建筑結(jié)構(gòu)施工加固修復(fù)的需求，在膠體性能方面依舊存在一定的缺陷，例如常溫型環(huán)氧膠不能在高溫環(huán)境下長時(shí)間使用等，為此在普通環(huán)氧膠的基礎(chǔ)上針對建筑的特殊結(jié)構(gòu)以及施工環(huán)境對其進(jìn)行改性處理，以期能夠在簡化加固修復(fù)施工難度的同時(shí)，最大程度地提高對建筑結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)效果。

1 改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步研究改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)工作中的應(yīng)用方式和應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究不同環(huán)境下粘貼法加固混凝土試塊的破壞形式、破壞機(jī)理以及加固修復(fù)結(jié)果。

1.1 建筑工程概況

此次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)選擇某市郊區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)廠房作為實(shí)驗(yàn)背景，該建筑結(jié)構(gòu)包含4層框架。其中，地上3層、地下1層，建筑總面積為357 060 ㎡，每層結(jié)構(gòu)面積相同;但地上建筑的高度為2.9 m，地下高度僅為2.4 m。選擇建筑工程的基本平面結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

選擇的建筑工程于2010年5月開工，并于2010年9月正式竣工;竣工后直接投入使用，且截止目前該建筑未經(jīng)歷大規(guī)模的施工。建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為鋼筋混凝土筏板，地基持力層為粉土，承載力按120 kPa設(shè)計(jì)，剪力墻為二級[2]。加固修復(fù)處理前建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等級為C30。

1.2 計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)承載力

在開始建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)處理之前，首先需要分析初始建筑結(jié)構(gòu)的受力情況以及極限承載力，從而設(shè)置加固修復(fù)的施工參數(shù)。建筑結(jié)構(gòu)主要承受的力包括自身重力、建筑內(nèi)部物體重力、移動人員的重力和運(yùn)動力等。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的承載力接近極限值時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)各個模塊之間的結(jié)合面可能會出現(xiàn)拉、壓、彎、剪等復(fù)雜應(yīng)力，并在應(yīng)力作用下產(chǎn)生建筑結(jié)構(gòu)形變，

軸心受壓建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變之間存在正相關(guān)關(guān)系。在非均勻受壓環(huán)境下，應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)源嬖谡嚓P(guān)關(guān)系，若建筑結(jié)構(gòu)不屬于區(qū)域受壓極限應(yīng)變值范圍，則應(yīng)力與應(yīng)變量相同。綜合上述建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析結(jié)果，設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)約束條件：

σ≤f1+0.56ρsvf2

（1）

式中：ρsv為建筑結(jié)構(gòu)的配筋率;σ為總應(yīng)力值。在實(shí)際的加固修復(fù)施工過程中需要針對建筑結(jié)構(gòu)不同的位置和特征對約束參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證最終的加固修復(fù)效果。

1.3 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)原材料與設(shè)備

改性環(huán)氧膠的主要組成包括固化劑、偶聯(lián)劑、稀釋劑、填料等。采用胺類固化劑為主的固化劑，在綜合考慮固化、施工、結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境等因素后，選用合適的固化劑[3]。稀釋劑主要用于環(huán)氧膠粘劑系統(tǒng)降低黏度，改善涂布性和流動性，考慮到止水加固效果的長期存在，使用活性稀釋劑。為使環(huán)氧基具有更好的塑性和抗剪切性，需加入適當(dāng)?shù)脑鲰g成分，改善環(huán)氧膠存在的脆性大、彈性差的缺點(diǎn)。此外，在制備改性環(huán)氧膠時(shí)，加入填料可使環(huán)氧樹脂在固化和冷卻過程中因體積收縮而引起內(nèi)部破壞。綜合改性環(huán)氧膠的組成成分以及實(shí)驗(yàn)過程中使用的藥品試劑，得出實(shí)驗(yàn)原材料的準(zhǔn)備情況，具體如表1所示。

另外，從改性環(huán)氧膠制備和建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)效果測試兩個方面，設(shè)置實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，具體的設(shè)置情況如表2所示。

除了表1、表2中的材料和設(shè)備外，還需要準(zhǔn)備旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、高速研磨攪拌機(jī)、電子天平等設(shè)備，并按照使用原理進(jìn)行設(shè)備連接。

1.4 環(huán)氧膠制備與改性

圖2表示的是環(huán)氧膠制備的一般步驟。

按照圖2表示的流程，在液體雙酚 A型環(huán)氧樹脂中加入增韌劑、偶聯(lián)劑等原材料。以溴甲酚綠為指示劑，在70～75 ℃下合成環(huán)氧膠預(yù)聚體，其 pH值變化區(qū)域?yàn)?.8～5.4，3 h后反應(yīng)完全。將環(huán)氧樹脂加熱至600 ℃，抽真空去除小分子和水分雜質(zhì)，取PU預(yù)聚體加入預(yù)先稱量的EP中，攪拌和70 ℃恒溫反應(yīng)2 h，保證 PU與 EP完全接枝;然后滴加適量摩爾比為4∶1的擴(kuò)鏈劑，80 ℃恒溫下進(jìn)行擴(kuò)鏈交聯(lián)2 h，得到接枝環(huán)氧膠液[4]。最終取不同量的已烘干脫水的聚氨酯加入到液體狀態(tài)的環(huán)氧膠中，在80 ℃環(huán)境下強(qiáng)烈攪拌8 h，混合均勻后，得到普通環(huán)氧膠制備的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，分別從溫度和韌度2個方面對環(huán)氧膠進(jìn)行改性處理，目的是提高環(huán)氧膠對建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)程度。其中，對固化溫度的改性主要是利用1，6-己二胺和硫脲化學(xué)反應(yīng)，即將己二胺和硫脲作為原材料應(yīng)用到環(huán)氧膠的制備工作中。而環(huán)氧膠的增韌改性主要是利用化學(xué)反應(yīng)促使相互脫離，采用液相抑制或熱溶2種方法對熱塑性樹脂進(jìn)行液態(tài)處理，使之溶于環(huán)氧樹脂內(nèi)制成平衡的體系結(jié)構(gòu)。硫化過程中，經(jīng)過熱塑性樹脂濾出，形成了相反轉(zhuǎn)、雙連續(xù)相及海島等多個多元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效處理了分散相的表面狀態(tài)。經(jīng)過上述兩個步驟，實(shí)現(xiàn)普通環(huán)氧膠的改性，并得出改性環(huán)氧膠制備結(jié)果。

1.5 改性環(huán)氧膠應(yīng)用與建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)施工

由于粘合劑對基體表面的浸潤性和界面的分子間作用力是獲得高粘接強(qiáng)度的主要原因。為降低表面污染程度，在進(jìn)行加固修復(fù)施工前，需要先對建筑結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)牢固粘接。通過對建筑結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度、走向、彎曲度等進(jìn)行檢測，確定灌漿嘴的布置間距，并在灌漿嘴安放時(shí)保持平順[5]。用環(huán)氧封縫膠泥將裂縫全部封堵，保持均勻、平整，封閉應(yīng)完整，防止漏漿。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)承載力的分析計(jì)算結(jié)果，利用式（2）計(jì)算改性環(huán)氧膠的注入量。

σ=α-β lg h

（2）

式中：α和β均為常數(shù)系數(shù)，其具體取值由使用環(huán)境決定;h表示鋪設(shè)的膠層厚度。按所定比例將一定量改性環(huán)氧樹脂與固化劑稱重混合，攪拌均勻后倒入手提注射器進(jìn)行灌漿。灌漿按照從低到高的順序進(jìn)行，若靠近其上的注漿嘴出漿，則暫停灌漿，并迅速地將灌漿嘴封住。上一次注漿嘴為排氣，不需注膠。24 h內(nèi)，注膠基座不能受到干擾，注膠24 h后得出的建筑結(jié)構(gòu)即為加固修復(fù)結(jié)果。

1.6 描述建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)效果測試過程

在相同的建筑結(jié)構(gòu)研究對象中，將其平均分為3個部分，分別標(biāo)記為A、B和C，且盡量保證3個部分所包含的建筑結(jié)構(gòu)元素相同，占地面積與受力情況相似。A建筑區(qū)域選擇傳統(tǒng)的加固修復(fù)方法，即不使用任何環(huán)氧膠進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù);B建筑區(qū)域使用普通的環(huán)氧膠;C建筑區(qū)域使用制備的改性環(huán)氧膠，由此產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)中的3個對比組。為了保證應(yīng)用測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，實(shí)驗(yàn)分別從框架梁柱、剪切墻、樓板3個方面進(jìn)行具體測試，并分別在各個建筑結(jié)構(gòu)位置上分別設(shè)置2個測點(diǎn)，方便相關(guān)數(shù)據(jù)的測量。

此次實(shí)驗(yàn)分別從拉伸性能、耐濕熱老化性能和抗剪性能3個方面進(jìn)行效果測試，設(shè)置拉伸性能的測試指標(biāo)為拉伸強(qiáng)度，其數(shù)值結(jié)果：

μt=Pbb·H

（3）

式中：Pb、b和H分別為建筑結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)的最大荷載、研究區(qū)域的寬度和厚度。拉伸強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果越大，說明加固修復(fù)后的建筑結(jié)構(gòu)拉伸性能越好。耐濕熱老化性能的量化測試指標(biāo)為建筑結(jié)構(gòu)中的腐爛或破損總面積，可以利用卡尺等精密空間測量設(shè)備直接計(jì)算得出腐爛面積的計(jì)算結(jié)果;建筑表面的腐爛面積越小，則說明建筑結(jié)構(gòu)的耐濕熱老化性能越優(yōu)。另外，抗剪性能的測試就是在建筑結(jié)構(gòu)上施加不同的壓力荷載，并在不同荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生裂縫以及裂縫寬度的變化情況，即建筑結(jié)構(gòu)的沉降情況。

拉伸性能和抗壓性能測試均在室溫環(huán)境下進(jìn)行，并保證環(huán)境中的相對濕度不高于20%。先將萬能拉力機(jī)安裝在加固修復(fù)后的建筑結(jié)構(gòu)兩端，設(shè)置初始拉伸荷載為500 N，每隔5 min增加100 N拉力，直到建筑結(jié)構(gòu)研究對象表面出現(xiàn)斷裂為止，記錄斷裂時(shí)刻拉伸荷載的值。拆卸萬能拉力機(jī)設(shè)備，在建筑結(jié)構(gòu)頂部安裝沖擊試驗(yàn)機(jī)，設(shè)置沖擊剪切力的施加參數(shù)為1 000 N，進(jìn)行抗剪性能測試，觀察裂縫數(shù)量和裂縫寬度。拆除所有應(yīng)力加載設(shè)備后，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境調(diào)整為溫度40 ℃，相對濕度 50%，并設(shè)置測試時(shí)間分別為10、30和90 d;然后對比3個加固修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)的腐爛變化情況，統(tǒng)計(jì)腐爛面積，從而得出耐濕熱老化性能的測試對比結(jié)果。

2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拉伸性能測試結(jié)果分析

通過測量建筑結(jié)構(gòu)研究區(qū)域的寬度和厚度始終為10 m和0.5 m，經(jīng)過式（3）的計(jì)算，得出建筑結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，未應(yīng)用環(huán)氧膠、應(yīng)用普通環(huán)氧膠和應(yīng)用改性環(huán)氧膠的建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)結(jié)果的平均拉伸強(qiáng)度分別為223.3、263.3和516.7 MPa，相比之下應(yīng)用普通環(huán)氧膠后的建筑結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度更高，即拉伸性能更優(yōu)。

2.2 耐濕熱老化性能測試結(jié)果分析

圖3為90 d時(shí)刻的建筑結(jié)構(gòu)研究對象的腐爛測試結(jié)果。

同理可以得出1 d和30 d時(shí)，研究對象的耐濕熱老化性能測試結(jié)果，具體如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著濕熱老化時(shí)間的推進(jìn)，建筑結(jié)構(gòu)的腐爛面積逐漸擴(kuò)大，與未應(yīng)用環(huán)氧膠和應(yīng)用普通環(huán)氧膠的加固修復(fù)建筑相比，應(yīng)用改性環(huán)氧膠的加固修復(fù)建筑的腐爛面積更小，即耐濕熱老化性能更好。

2.3 抗剪性能測試結(jié)果分析

通過剪切荷載的施加以及硬件設(shè)備的測量，得出不同建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)結(jié)果的裂縫寬度變化測試結(jié)果，其中樓板測點(diǎn)1裂縫寬度的測試結(jié)果如圖5所示。

按照相同的方式得出其他建筑結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的測量結(jié)果，通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在不同的剪切力作用下，3個研究對象表面均產(chǎn)生一條裂縫，各個測點(diǎn)裂縫的測量結(jié)果，如圖6所示。

由圖6可以看出，將改性環(huán)氧膠應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)工作中，得出的處理結(jié)果能夠在1 000 N剪切力作用下將裂縫寬度控制在5 cm以下，且始終低于兩個對比建筑。

綜合拉伸性能、耐濕熱老化性能和抗剪性能的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用改性環(huán)氧膠的建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)效果更佳，即改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)工作中具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)膠在各類建筑物、結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的加固、補(bǔ)強(qiáng)、改造和修復(fù)等方面發(fā)揮了巨大作用，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)膠，改性環(huán)氧膠在建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)中的應(yīng)用效果更明顯，在促進(jìn)加固修復(fù)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，提高了建筑的安全性和穩(wěn)定性。

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