丁海峰
【摘要】剛性實(shí)體橋梁墩臺(tái)混凝土表面裂縫對(duì)工程質(zhì)量的潛在危害較大。該文選擇環(huán)氧樹脂灌漿材料作為裂縫的修補(bǔ)材料,分析了環(huán)氧樹脂灌漿料的特點(diǎn)與性能,分別提出了潮濕和干燥條件下環(huán)氧樹脂灌漿料的推薦配方,提出一套橋梁墩臺(tái)裂縫的環(huán)氧灌漿材料壓力灌注修補(bǔ)工藝。研究成果對(duì)提高剛性實(shí)體橋梁墩臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【關(guān)鍵詞】混凝土裂縫修補(bǔ);環(huán)氧樹脂灌漿料;改性配方;修補(bǔ)工藝
0 引言
剛性實(shí)體橋梁墩臺(tái)屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu),在建設(shè)和使用過程中不可避免地出現(xiàn)不同程度、不同形式的裂縫。采用有效的預(yù)防措施雖可將早期裂縫控制在一定范圍內(nèi),但在橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下,墩臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期遭受恒載、活載、溫度變化、混凝土收縮等因素共同作用,部分無害裂縫將逐漸發(fā)展成為有害裂縫,同時(shí)裂縫的數(shù)量也將隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而增大,不僅影響橋梁工程的外觀形象,還會(huì)降低工程結(jié)構(gòu)的耐久性,如果不及時(shí)對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ),甚至可導(dǎo)致橋梁坍塌事故的發(fā)生[1]。為此,該文選擇環(huán)氧灌漿材料作為橋梁墩臺(tái)裂縫修補(bǔ)的基質(zhì)材料,分析了環(huán)氧樹脂灌漿材料的性能及特點(diǎn),給出了干燥與潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方,制定了壓力灌注環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)的施工技術(shù)流程。
1 環(huán)氧樹脂灌漿材料的性能及特點(diǎn)
環(huán)氧樹脂屬熱塑性樹脂材料,可與固化劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),生成各類固化物。環(huán)氧樹脂灌漿材料是由環(huán)氧樹脂為主,同時(shí)添加固化劑、改性劑、促進(jìn)劑、稀釋劑等組成的液態(tài)材料[2]。
1.1 環(huán)氧灌漿材料修復(fù)混凝土裂縫的機(jī)理
應(yīng)用環(huán)氧灌漿材料對(duì)墩臺(tái)混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)是個(gè)較復(fù)雜的化學(xué)與物理過程,需要經(jīng)過浸潤(rùn)、粘附、固化等過程,形成具有交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)的固化物,將裂縫兩側(cè)混凝土粘結(jié)形成整體結(jié)構(gòu)。具體過程如下:(1)浸潤(rùn),環(huán)氧樹脂既有親水的輕基團(tuán),同時(shí)含有疏水的碳?xì)滏湺?,因此具備一定的表面活化特征,進(jìn)而在材料表面生成單分子膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行浸潤(rùn);(2)粘附,環(huán)氧類材料含有極性基團(tuán)(環(huán)氧基、醚鍵、輕基等),可與其它極性材料形成偶極化學(xué)鍵,進(jìn)而形成有力的化學(xué)和物理吸附作用,在材料間生成穩(wěn)定的粘結(jié)界面,因此粘接性能突出;(3)固化成型:環(huán)氧類材料的分子量小,但同固化劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)和開環(huán)加成聚合生成具有異向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的巨大分子,破壞此類預(yù)聚體內(nèi)聚力所需能量是普通氯丁橡膠的2倍以上[3]。
1.2 環(huán)氧樹脂材料的性能特征
環(huán)氧樹脂與其他聚合物材料相比較具有很多優(yōu)良的性能,其主要工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)環(huán)氧樹脂含有環(huán)氧基與極性基團(tuán),與極性材料(金屬、水泥基材等)產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)作用;(2)環(huán)氧樹脂在固化過程中很少產(chǎn)生低分子揮發(fā)物,線膨脹系數(shù)小,內(nèi)應(yīng)力較小,膠層的體積穩(wěn)定性好;(3)應(yīng)用不同的環(huán)氧灌漿材料配方,可獲得所需要的工程應(yīng)用性能,如高強(qiáng)度、高柔性、耐高溫、耐低溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)磁、導(dǎo)電、耐老化等;(4)環(huán)氧樹脂與各類無機(jī)、有機(jī)填料有較好的相容性,可通過共混、交聯(lián)、共聚、填充等方式進(jìn)行改性,提高膠層的粘結(jié)性能;(5)耐腐蝕性與介電性能優(yōu)異;(6)產(chǎn)地廣、產(chǎn)量大、價(jià)格低廉。上述分析表明,環(huán)氧樹脂材料具有優(yōu)異的粘結(jié)作用,在應(yīng)用中同時(shí)具備耐熱、抗蠕變及收縮率小等特征,因此在各類工程中得到了廣泛應(yīng)用[4]。
1.3環(huán)氧灌漿材料的增韌改性
對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行灌漿修補(bǔ),要求灌漿材料具備剛性抵抗荷載作用,同時(shí)具備一定的韌性以便提高粘接能力。但改性前的環(huán)氧樹脂材料固化后性質(zhì)偏脆,其抗剝離、抗開裂及抗沖擊的性能也較差,易出現(xiàn)裂縫,且不耐疲勞。因此,需要通過改性克服環(huán)氧樹脂固化物硬而脆的缺點(diǎn),提高韌性與抗疲勞性能。目前,環(huán)氧灌漿材料的增韌改性方法主要采用以下四種途徑:(1)以雙酚型環(huán)氧樹脂作為基質(zhì)材料,添加非反應(yīng)性增韌劑與環(huán)氧增塑劑,該法配制的環(huán)氧灌漿材料粘度高,但低溫固化性較差,同時(shí)固化物低溫時(shí)較硬,耐水性較差;(2)以帶官能團(tuán)的液體端鞍基丁睛橡膠、端胺基聚氨醋橡膠等作為增韌改性材料,通過調(diào)節(jié)溶解度參數(shù),控制固化過程,提高環(huán)氧樹脂的斷裂韌性,但該法可致灌漿料的模量與耐熱性能下降;(3)采用分子量10000以上的熱塑性樹脂與熱固性環(huán)氧樹脂進(jìn)行共混增韌,可在提高環(huán)氧樹脂韌性的時(shí)保持材料的模量及耐熱性基本不變,但熱塑性樹脂的流動(dòng)性與溶解性較差,加工工藝繁雜;(4)采用由各向異性的介晶基元組成的液晶聚合物對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性[5]。
2 干燥與潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的配方研究
環(huán)氧樹脂灌漿材料的工程應(yīng)用性能對(duì)橋梁墩臺(tái)混凝土裂縫的膠結(jié)修補(bǔ)效果具有決定性影響,因此需要選擇合理的原材料、試驗(yàn)裝置、測(cè)試方法及配制工藝。
2.1 原材料
(1)環(huán)氧樹脂
雙酚 A 型環(huán)氧樹脂是由環(huán)氧氯丙烷和二酚基丙烷在堿性催化劑作用下縮聚而成的,其中環(huán)氧基和羥基使固化物具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力和粘接力、醚鍵和羥基可提高粘附力和浸潤(rùn)性、C—C鍵和醚鍵增加大分子的柔順性、苯環(huán)和異丙基提高聚合物的剛性和耐熱性、C—O鍵提高聚合物的耐堿性[6]。上述特征使雙酚A 型環(huán)氧樹脂在工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,雙酚A型環(huán)氧樹脂只溶于有毒且易燃易爆有機(jī)溶劑,因此以水為溶劑的水性環(huán)氧樹脂逐漸得到推廣應(yīng)用。水性樹脂材料常用于混凝土補(bǔ)強(qiáng)劑等,還可降低傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧樹脂材料對(duì)人體健康與環(huán)境產(chǎn)生危害。
(2)固化劑
在環(huán)氧樹脂材料灌漿料的配制過程中,主要采用多胺類常溫固化劑,包括低分子聚酰胺樹脂、直鏈脂肪族多胺、C型與D型環(huán)氧樹脂固化劑、水性環(huán)氧樹脂固化劑。其中:低分子聚酰胺樹脂能在室溫或加熱條件下使環(huán)氧樹脂固化,固化物具有良好的韌性、粘結(jié)力、耐磨性、耐腐蝕性,但在室溫條件下的固化速度慢、粘度偏大[6];直鏈脂肪族多胺可在室溫下與環(huán)氧樹脂反應(yīng),但固化物偏脆,因此需與低分子聚酰胺樹脂搭配使用[7];C型與D型環(huán)氧樹脂固化劑的分子體系中同時(shí)具有親水和憎水性,在灌漿壓力的推動(dòng)下用漿液取代處理范圍的自由水和毛細(xì)水,可保證灌漿料在潮濕環(huán)境中充分固化[8];水性環(huán)氧樹脂固化劑屬于低揮發(fā)性化合物,可以用水進(jìn)行稀釋,抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng),對(duì)潮濕混凝土具有良好的封閉性[9]。
(3)稀釋劑
摻入固化劑后環(huán)氧樹脂材料的粘度較大,因此需摻配稀釋劑來降低漿液的初始粘度,提高其滲透能力[10]。但加入稀釋劑后會(huì)影響漿液固化物的力學(xué)性能,影響灌漿效果,因此需要選擇適合的稀釋劑及其摻配比例??啡┡c丙酮雙組分混合活性稀釋劑可保證漿液良好的可灌性,同時(shí)可保證環(huán)氧樹脂固化物的強(qiáng)度,兼具固化物體積穩(wěn)定性好、耐久、耐老化等有點(diǎn)。
(4)促進(jìn)劑
環(huán)氧樹脂灌漿料在常溫下的初凝固化時(shí)間較慢,因此需要在漿液中加入促進(jìn)劑。三(二甲胺基甲基)苯酚促進(jìn)劑含有羥基,與環(huán)氧基能形成氫鍵,可加速固化反應(yīng),縮短固化時(shí)間。
2.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法
(1)環(huán)氧樹脂灌漿料的粘度測(cè)定
為保證灌漿質(zhì)量,依據(jù)《膠粘劑粘度的測(cè)定》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、恒溫水浴、溫度計(jì)、秒表等儀器,可測(cè)試環(huán)氧樹脂灌漿料的初始粘度。
(2)環(huán)氧樹脂灌漿料的初凝時(shí)間測(cè)定
為保證灌漿施工的可操作時(shí)間,依據(jù)《膠粘劑粘度的測(cè)定》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、恒溫水浴、溫度計(jì)、秒表等儀器,可測(cè)試漿液的初凝時(shí)間。
(3)環(huán)氧樹脂灌漿料的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定
依據(jù)《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用抗拉試模、電動(dòng)抗折儀、刮刀等儀器,可分別測(cè)試干燥與潮濕環(huán)境中環(huán)氧樹脂漿液固化物與周邊混凝土間界面上的粘結(jié)強(qiáng)度。
(4)環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的測(cè)定
依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)及相關(guān)試模,可測(cè)試環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度
2.3 干燥施工條件下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方(表1)
表1 干燥環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方
漿液組分名稱 雙酚 A 型環(huán)氧樹脂 混合型固化劑 稀 釋 劑 三苯酚促進(jìn)劑
聚酰胺樹脂固化劑 多胺固化劑 糠醛 丙酮
摻量 100g 20g 5g 40ml 40ml 3g
3.4 潮濕施工條件下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方(表2)
表2 潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方
漿液組分名稱 雙酚 A 型環(huán)氧樹脂 C型環(huán)氧樹脂固化劑 稀 釋 劑 三苯酚促進(jìn)劑
糠醛 丙酮
摻量 100g 30g 40ml 40ml 2g
3 壓力灌注環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)的施工技術(shù)流程
環(huán)氧灌漿料對(duì)橋梁墩臺(tái)混凝土裂縫的修補(bǔ)效果取決于以下幾個(gè)方面:混凝土表面特征、環(huán)氧樹脂材料的膠粘能力、配制工藝、存儲(chǔ)方法、施工工藝、環(huán)境條件等。這表明混凝土裂縫修補(bǔ)效果同時(shí)受到材料質(zhì)量和施工方法兩方面的影響。該文作者根據(jù)多年施工經(jīng)驗(yàn),提出一套橋梁墩臺(tái)裂縫的環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補(bǔ)工藝。
3.1 壓力灌注環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)工作原理
利用手工或機(jī)械手段,在壓力作用下將配制的灌注材料灌入混凝土結(jié)構(gòu)裂縫中,環(huán)氧樹脂灌漿材料在裂縫中凝固后與混凝土形成閉合,使裂縫封閉。
3.2墩身裂縫修補(bǔ)工藝
(1)施工工藝流程
施工工藝流程:設(shè)計(jì)布置圖→清洗裂縫→粘灌漿嘴→封閉裂縫→檢查裂縫封閉情況→修補(bǔ)漏氣處→配漿→灌漿→效果檢查。
(2)施工機(jī)具
鋼絲刷、砂輪機(jī)、高壓水槍、噴霧器具、鑿子、錘子、專用尼龍刷、半硬棕刷、計(jì)量水和料的器具、拌料器具、注射器、抹布、膠皮手套等。
(3)施工方法
第一步,對(duì)墩臺(tái)混凝土裂縫進(jìn)行檢查,確定裂縫的幾何特征并進(jìn)行混凝土表面標(biāo)記;
第二步,對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行前期清潔處置,采用專用打磨設(shè)備,清除裂縫周邊及內(nèi)部的雜物、浮塵及松散體,保持混凝土表面具有良好的粘結(jié)面;
第三步,按裂縫的幾何特征確定注膠位置并沿裂縫開裂方向每延米安裝三個(gè)注射設(shè)備臺(tái)座,保持臺(tái)座基底幾何形心與裂縫重合;
第四步,對(duì)裂縫與臺(tái)座周邊5cm2的范圍進(jìn)行徹底密封,防止?jié){液損失;
第五步,利用裝滿灌漿料的注射設(shè)備進(jìn)行灌漿作業(yè),避免注射設(shè)備混入氣泡。通過加壓方式灌漿,如注射設(shè)備內(nèi)灌漿料無法一次灌滿裂縫,需及時(shí)進(jìn)行添加,防止?jié){料固化;
第六步,裂縫注滿灌漿料后需保持60~90分鐘,待灌漿料初凝后方可拆卸注漿設(shè)備;
第七步,在25℃條件下,灌漿后6~24h后可拆卸注漿設(shè)備臺(tái)座,用砂輪機(jī)等機(jī)具進(jìn)行墩臺(tái)混凝土裂縫的表面美化修復(fù)工作。
(4)施工技術(shù)措施
每次實(shí)施橋梁墩臺(tái)裂縫的環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補(bǔ)作業(yè)前,需要精確計(jì)算灌漿材的配置量,防止環(huán)氧灌漿材料在關(guān)注前發(fā)生早期固化,影響裂縫修補(bǔ)效果;
制備的環(huán)氧樹脂灌漿材料需要在陰涼、通風(fēng)的環(huán)境中分散存放,并適當(dāng)攪拌,防止固化;
在環(huán)氧樹脂灌漿材料的修補(bǔ)施工和后期養(yǎng)護(hù)過程中,需要控制裂縫周圍環(huán)境溫度;
修補(bǔ)施工和后期養(yǎng)護(hù)過程中,工作人員要求不能裸露手、口、鼻等易受刺激的器官,防止溶劑型環(huán)氧樹脂材料的揮發(fā)顆粒對(duì)人體健康產(chǎn)生危害
禁止施工人員拋棄施工器具,污染環(huán)境;
環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補(bǔ)作業(yè)完畢后,可通過壓縮空氣或壓入水(灌漿壓力的70%~80%)或鉆芯取樣等方式對(duì)灌漿質(zhì)量進(jìn)行核查。
3.3 橋梁墩臺(tái)裂縫觀測(cè)制度
墩身裂縫在修補(bǔ)前后均需要對(duì)裂縫進(jìn)行觀測(cè),修補(bǔ)前的觀測(cè)主要是觀察裂縫是否存在繼續(xù)發(fā)展?fàn)顩r;修補(bǔ)后的觀測(cè)主要是觀察裂縫修復(fù)后是否存在二次開裂現(xiàn)象。觀測(cè)制度如下:
(1)觀測(cè)人員
現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員負(fù)責(zé)裂縫修復(fù)前后的觀測(cè),并對(duì)每一次觀測(cè)結(jié)果做出評(píng)估。
(2)觀測(cè)時(shí)間和周期
觀測(cè)時(shí)間為每個(gè)觀測(cè)日的早上6:30~7:30,此時(shí)間段為墩身溫度較低、溫度變化較小,且觀測(cè)視線較好的觀測(cè)時(shí)間段。
裂縫修復(fù)前觀測(cè):觀測(cè)時(shí)間段為一周,觀測(cè)周期為每天觀測(cè)一次,并做好觀測(cè)記錄。裂縫修復(fù)前觀測(cè)一周后,并對(duì)觀測(cè)記錄進(jìn)行評(píng)估,且評(píng)估結(jié)果為裂縫無繼續(xù)發(fā)展,才可進(jìn)行裂縫修復(fù)工作。
裂縫修復(fù)后第一周觀測(cè):觀測(cè)時(shí)間段為一周,觀測(cè)周期為每天觀測(cè)一次,并做好觀測(cè)記錄;裂縫修復(fù)后第二、三周觀測(cè):觀測(cè)時(shí)間段為兩周,觀測(cè)周期為每周觀測(cè)兩次,并做好觀測(cè)記錄;裂縫修復(fù)后第四~七周觀測(cè):觀測(cè)時(shí)間段為四周,觀測(cè)周期為每周觀測(cè)一次,并做好觀測(cè)記錄。
4 結(jié)語
剛性實(shí)體橋梁墩臺(tái)混凝土表面裂縫雖然在短期內(nèi)不會(huì)對(duì)工程實(shí)體結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響,但裂縫的長(zhǎng)期存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕,從而影響工程結(jié)構(gòu)的實(shí)用設(shè)計(jì)年限,因此需要及時(shí)對(duì)墩臺(tái)混凝土表面裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。該文選擇環(huán)氧灌漿材料作為剛性實(shí)體橋梁墩臺(tái)裂縫的修補(bǔ)材料,給出了干燥與潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方,并結(jié)合多年施工經(jīng)驗(yàn)提出一整套橋梁墩臺(tái)裂縫的壓力灌注修補(bǔ)工藝。
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