高性能防水膠粘劑在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用

余家筆

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司,西藏 昌都 854000)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下，受溫度、濕度和外界荷載影響，會(huì)出現(xiàn)不同形貌和尺寸裂縫和破壞，影響補(bǔ)強(qiáng)加固的正常使用，同時(shí)降低膠粘劑使用壽命，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的安全事故。由于客觀原因限制，不能對(duì)實(shí)際工程中微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、精確檢測(cè)，而傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)也很難對(duì)其進(jìn)行有效修補(bǔ)。為了有效地解決混凝土結(jié)構(gòu)在使用中出現(xiàn)的裂縫修補(bǔ)問題，改善其穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。為了達(dá)到混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)加固的耐久性，應(yīng)著重考慮各種因素對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)其進(jìn)行合理修復(fù)。為了使補(bǔ)強(qiáng)加固材料的熱膨脹系數(shù)達(dá)到或接近于混凝土，必須對(duì)其進(jìn)行有效控制。目前，補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)的主要材料是膠粘劑[1]。作為建材基本原材料，膠粘劑在環(huán)保、抗老化方面需求下，研制、生產(chǎn)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。使用傳統(tǒng)的膠粘劑中存在大量易揮發(fā)有毒氣體，且易產(chǎn)生污水、廢料等，不能很好滿足施工要求[2]。以成本低廉、易于獲得可再生天然聚合物作為主要原材料，通過綠色化工生產(chǎn)工藝，開發(fā)出具有更好性能新型膠粘劑，已是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

工業(yè)級(jí)試驗(yàn)原料及生產(chǎn)廠家，結(jié)果如表1所示。

表1 工業(yè)級(jí)試驗(yàn)原料及生產(chǎn)廠家Tab.1 Industrial grade test raw materials and manufacturers

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)和生產(chǎn)廠家如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及生產(chǎn)廠家Tab.2 Test equipment and manufacturer

1.3 試驗(yàn)制備

首先在高溫箱內(nèi)加熱環(huán)氧樹脂至溫度為70 ℃左右，然后加入鄰苯二甲酸二丁醋，將其攪拌均勻直到溫度降至50 ℃左右[3-4]。之后加入活性劑和乙二胺，并持續(xù)攪拌，直至出現(xiàn)糊狀，由此得到環(huán)氧樹脂膠粘劑[5]。

配制的環(huán)氧樹脂膠粘劑混凝土試塊的配比：

m1∶m2∶m3∶m4=100∶15∶10∶20

(1)

m5:m6=3:1

(2)

式中：m1表示原料2質(zhì)量；m2表示原料3質(zhì)量；m3表示原料4質(zhì)量；m4表示原料5質(zhì)量；m5表示細(xì)砂；m6表示水泥[6]。在鋼筋混凝土試件配制過程中，將得到的環(huán)氧樹脂膠粘劑添加到粘接處，結(jié)果如圖1所示。

圖1 試件制備示意圖Tig.1 Schematic diagram of specimen preparation

參照HB/Z 197—1991標(biāo)準(zhǔn)處理2024-T3薄板，將膠粘劑鋪設(shè)在板材連接位置，并按照如下工藝開始粘接：首先在0.2 MPa固化壓力下，實(shí)時(shí)外推方式獲取理論固化工藝條件[7-9]；然后在該固化壓力下，升高室內(nèi)溫度，加熱速度為2 ℃/min，加熱到125 ℃，保溫時(shí)間為2.0 h；之后，使用恒溫式電吹風(fēng)烘干機(jī)進(jìn)行固化；最后待其凝固后，關(guān)掉電源，等樣品自然降溫到室溫，方可取出[10]。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

1.4.1拉伸剪切強(qiáng)度

選擇合適鋼板，用研磨砂輪對(duì)其進(jìn)行研磨。對(duì)測(cè)試中所需鋼板進(jìn)行了分類，并對(duì)膠合測(cè)試樣品進(jìn)行了編號(hào)。在鋼板接合面上涂上環(huán)氧樹脂膠粘劑，采用單點(diǎn)連接方式粘貼試樣，并用夾具固定試件，靜置保存1周后再進(jìn)行測(cè)試[11-12]。對(duì)于未經(jīng)過測(cè)試的組件，使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定，實(shí)時(shí)記錄膠合表面破壞長(zhǎng)度和寬度，并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，其公式：

(3)

式中：F表示最大拉伸剪切力；S表示拉伸剪切面積。

1.4.2抗壓強(qiáng)度

使用微機(jī)控制的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，記錄破壞負(fù)荷，測(cè)試承載區(qū)面積，并計(jì)算抗壓強(qiáng)度[13]。

1.4.3抗彎強(qiáng)度

在SL 352—2020標(biāo)準(zhǔn)支持下，采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑混凝土試樣進(jìn)行了測(cè)試。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，要先把水泥基座上的電阻片擦干凈，再把電阻片接上，接著繼續(xù)加載，直到試樣被破壞為止。記錄破壞荷載和彎曲程度，由此計(jì)算抗彎強(qiáng)度[14]。

1.5 補(bǔ)強(qiáng)加固工藝設(shè)計(jì)

在實(shí)際膠接過程中，通常使用等溫固化技術(shù)，而在測(cè)試過程中，則是使用均勻的非等溫固化。因而，在何種溫度下反應(yīng)，多長(zhǎng)時(shí)間得到最優(yōu)的固化產(chǎn)品，已成為制程工程師和研發(fā)人員所關(guān)注的問題。在較低的固化溫度下，不能充分地進(jìn)行固化；但是如果溫度過高，則會(huì)有不良影響[15]。另外，系統(tǒng)能量消耗也會(huì)增大，還會(huì)引起系統(tǒng)熱應(yīng)力，從而對(duì)產(chǎn)品性能造成一定影響。因此，在固化工藝中，最重要的因素是適宜的固化溫度。

1.5.1補(bǔ)強(qiáng)加固溫度

環(huán)氧樹脂高性能防水膠粘劑固化溫度隨著升溫速率加快，溫度也快速增加，實(shí)際的固化溫度難以精準(zhǔn)確定。而在實(shí)際操作過程中，首先需要獲取升溫速率為0時(shí)的固化溫度，在恒溫條件下，將固化反應(yīng)的溫度進(jìn)行線性擬合處理，結(jié)果如圖2所示。

圖2 固化反應(yīng)-升溫速率擬合直線Tig.2 Curing reaction heating rate fitting straight line

從圖2可以看出，采用外推法獲取膠粘劑在不同升溫速率下的固化反應(yīng)變化溫度，二者之間呈正比例關(guān)系。

1.5.2補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)間

使用高性能防水膠粘劑時(shí)，固化反應(yīng)時(shí)間與溫度息息相關(guān)，關(guān)系式：

(4)

(5)

t=t1+t2

(6)

式中：t1表示初始升溫固化階段；t2表示末端升溫固化時(shí)間；v表示升溫速率；R1、R2和R3分別表示初始溫度、中間溫度和末端溫度。

補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間與升溫速率之間存在著非線性關(guān)系，具體如圖3所示。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)間與升溫速率非線性關(guān)系Tig.3 Nonlinear relationship between reinforcement time and heating rate

從圖3可以看出，將擬合曲線補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)間t1外推至v=0 ℃/min時(shí)，得到膠粘劑反應(yīng)所需時(shí)間；將擬合曲線補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)間t2外推至v=0 ℃/min時(shí)，得到膠粘劑固化所需時(shí)間。由此可知，補(bǔ)強(qiáng)加固時(shí)間與升溫速率呈非線性關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸剪切性能

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中使用高性能防水環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，利用掃描電子顯微鏡能夠得到環(huán)氧樹脂膠粘劑結(jié)構(gòu)圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 環(huán)氧樹脂膠粘劑Tig.4 Epoxy resin adhesive

從圖4可以看出，高性能防水環(huán)氧樹脂膠粘劑基體雜亂分布，表面粗糙，將其作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固膠粘劑，能夠改善材料脆性。

為了確定環(huán)氧樹脂高性能防水膠粘劑中增韌劑的使用量，需通過試驗(yàn)驗(yàn)證方式對(duì)補(bǔ)強(qiáng)加固材料拉伸剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Tensile shear strength test results

由表3可知，陽離子型乳化瀝青在環(huán)氧樹脂上的作用是顯著的。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的增韌劑添加到乳化瀝青中，可使其拉伸強(qiáng)度增至2.8倍，而不會(huì)使其變形性能下降。環(huán)氧樹脂從分散相向連續(xù)相向轉(zhuǎn)變，最后呈現(xiàn)出硬脆性；在拉伸剪切試驗(yàn)過程中，不同增韌劑用量的試件均未出現(xiàn)斷裂。萬能試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)后，先維持在一個(gè)較低的位置，隨后發(fā)生了明顯的位移，接著又出現(xiàn)了一個(gè)逐步增大過程，直到剪切破壞試驗(yàn)結(jié)束。結(jié)果表明：隨著環(huán)氧樹脂高性能防水膠粘劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大，材料的拉伸剪切強(qiáng)度也隨之提高。

2.2 抗壓性能

為了測(cè)試環(huán)氧樹脂高性能防水膠粘劑抗壓強(qiáng)度，在不同溫度下的測(cè)試結(jié)果，具體如表4所示。

表4 不同溫度下抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Compressive strength test results at different temperatures

由表4可知，在各種溫度條件下，所制得的環(huán)氧樹脂膠粘劑混凝土試件抗壓強(qiáng)度都超過了60 MPa。結(jié)果表明，所制得的混凝土試件抗壓強(qiáng)度高，而環(huán)氧樹脂膠粘劑在補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土試件中的粘接效果更好。另外，應(yīng)用環(huán)氧樹脂膠粘劑在補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土試件中，還能提高其使用壽命。

2.3 抗彎性能

試驗(yàn)選取24根自密實(shí)混凝土小梁的3個(gè)彎曲處進(jìn)行了試驗(yàn)，并使用了不同修復(fù)材料進(jìn)行比較，以驗(yàn)證環(huán)氧樹脂高性能防水膠粘劑對(duì)混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固的抗彎性能。使用的3種粘結(jié)劑分別是：環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑、磷酸酯化淀粉粘結(jié)劑、活性粘結(jié)劑，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本試驗(yàn)選取了C50輕質(zhì)自密實(shí)高性能混凝土，在不同荷載作用下，當(dāng)跨中位移為1.20 mm時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力隨荷載增加而增大，結(jié)果如表5所示。

表5 抗彎性能測(cè)試結(jié)果Tab.5 Bending resistance test results

由表5可知，在第1次加載過程中，3種膠粘劑加載承載力相差不大；在第2次加載過程中，3種膠粘劑加載承載力都相對(duì)變大，其中環(huán)氧樹脂膠粘劑承載力最大。主要是原因在第2次加載過程中，未加入膠粘劑混凝土由于受鋼筋拉力作用，導(dǎo)致混凝土受力較小，其承載能力有所降低。膠粘劑加入使混凝土抗彎性能有了顯著提高，而混凝土承載能力也有了顯著提高。

由于上述對(duì)比結(jié)果還不能明確鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中已經(jīng)使用高性能防水環(huán)氧樹脂膠粘劑，為此使用紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如圖5所示。

(a)環(huán)氧樹脂膠粘劑

(b)磷酸酯化淀粉膠粘劑

(c)活性膠圖5 紅外光譜圖Tig.5 Infrared spectrogram

從圖5可以看出，使用活性膠最小透過率發(fā)生在1 400 cm-1處，且最小透過率數(shù)值為0.74，說明使用活性膠與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)不明顯；使用磷酸酯化淀粉膠粘劑最小透過率發(fā)生在2 400 cm-1處，且最小透過率數(shù)值為0.69，說明使用該膠粘劑雖然發(fā)生了明顯的化學(xué)反應(yīng)，但其產(chǎn)生的磷酸酯無法形成保護(hù)層，無法阻礙分解，導(dǎo)致加固效果不理想；將環(huán)氧樹脂膠粘劑與磷酸酯化淀粉膠粘劑和活性膠進(jìn)行對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)1 500 cm-1處的透過率最小，說明—CHO基團(tuán)出現(xiàn)了吸收作用，證明該基團(tuán)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而可以證明高性能防水環(huán)氧樹脂膠粘劑具有良好補(bǔ)強(qiáng)加固性能。

3 結(jié)語

采用高性能防水膠粘劑對(duì)鋼筋砼進(jìn)行加固，可有效地改善混凝土的抗拉、壓、抗彎曲性能。

(1)從抗拉剪性能的試驗(yàn)中可以看出，在添加50%的增韌劑后，其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都達(dá)到了最大值；

(2)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%以上的增韌劑中，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都是最大的；

(3)通過抗彎承載力的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗彎承載力隨荷載的不斷增大而顯著提高；

(4)通過紅外光譜分析，證實(shí)了環(huán)氧樹脂膠粘劑基團(tuán)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其具有較強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)加固效果。