，， ， ，，

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410114；3.長(zhǎng)沙普照生化科技有限公司， 長(zhǎng)沙 410007；4.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

1 研究背景

由于施工缺陷及復(fù)雜的工作環(huán)境條件，混凝土建筑物水下部位容易出現(xiàn)磨損、空蝕等破壞損傷情況，在國(guó)內(nèi)外水利工程、橋梁工程中都大量存在，直接影響到建筑物的安全運(yùn)行。為不影響建筑物運(yùn)行，工程要求盡可能在水下修復(fù)缺陷，其中高性能的水下修復(fù)材料和便捷的水下修復(fù)工藝是2個(gè)關(guān)鍵因素。環(huán)氧類材料以其黏接性能優(yōu)異、力學(xué)性能突出、固化收縮率小、工藝性能好和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于混凝土建筑物修復(fù)[1-4]。

早自20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就對(duì)環(huán)氧材料進(jìn)行了研究，取得了較豐碩的成果。孫宇飛等[5]通過(guò)試驗(yàn)研究了低溫條件下環(huán)氧砂漿的抗壓和黏接強(qiáng)度，提出了優(yōu)化的環(huán)氧砂漿施工工藝；張振忠等[6]通過(guò)研究得到改性環(huán)氧砂漿適合用于我國(guó)西部高寒地區(qū)混凝土建筑物的抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)；買淑芳等[7]通過(guò)斷裂韌性、抗沖磨性能及強(qiáng)化開(kāi)裂試驗(yàn)，得出海島結(jié)構(gòu)環(huán)氧砂漿材料可用于水工建筑物表面沖磨破壞的修補(bǔ)。之后有學(xué)者不斷對(duì)抗沖磨材料進(jìn)行改性研究：鄺亞力等[8]對(duì)傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂抗沖磨修補(bǔ)材料進(jìn)行增韌改性，研制了一種抗沖磨效果好的環(huán)氧材料；謝衛(wèi)剛等[9]通過(guò)添加石墨烯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能增強(qiáng)。

綜上所述，鑒于目前存在的環(huán)氧砂漿等修復(fù)材料多只能在干燥環(huán)境中使用，故有必要研究新的水下修復(fù)材料。已有的環(huán)氧砂漿性能研究中，重點(diǎn)集中在考慮試樣在干燥環(huán)境中的抗拉性能和抗沖磨性能，而較少考慮其在水下環(huán)境中對(duì)原混凝土的黏接性能；然而，水下黏接性能作為水下修復(fù)材料的一個(gè)重要指標(biāo),同樣非常重要，甚至可能是影響水下混凝土修復(fù)效果的決定性因素。

本文基于新型固化劑配置而成的環(huán)氧砂漿，對(duì)其力學(xué)性能、影響因素以及工程適應(yīng)性進(jìn)行了一系列研究，以期為相關(guān)理論研究和工程建設(shè)提供參考。

2 材料組分及性能

2.1 環(huán)氧樹(shù)脂

采用無(wú)錫鳳凰牌環(huán)氧樹(shù)脂，其技術(shù)指標(biāo)如表1。

2.2 新型固化劑

新型固化劑MS-1085A是由酚醛胺和指環(huán)胺類固化劑通過(guò)改性而得到，其基本參數(shù)如表2。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of epoxy resin

表2 固化劑基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of curing agent

注：黏度是在25℃的溫度下測(cè)得

2.3 砂

采用石家莊巖峰礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的機(jī)制石英砂,粒徑<0.45 mm。具體化學(xué)成分如表3。

表3 石英砂化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of quartz sand

3 新型環(huán)氧砂漿性能及影響因素

3.1 試驗(yàn)方案

由于環(huán)氧砂漿價(jià)格普遍偏高，為減少成本，本試驗(yàn)主要考慮膠固比(環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的總質(zhì)量與砂料的質(zhì)量比)對(duì)新型環(huán)氧砂漿抗壓、水下黏接、抗沖磨性能的影響。試驗(yàn)表明，樹(shù)脂與固化劑的質(zhì)量比為2.5∶1時(shí)，兩者反應(yīng)完全。結(jié)合工程實(shí)際情況，按4種情況的膠固比方案(如表4)進(jìn)行試驗(yàn)。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 4 Test design schemes

3.2 試驗(yàn)方法

開(kāi)展了3種試驗(yàn)：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)、抗沖磨性能試驗(yàn)。部分試件照片如圖1所示。

圖1 部分試件照片F(xiàn)ig.1 Photos of some specimens

3.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓性能測(cè)試參照《環(huán)氧樹(shù)脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193—2004)有關(guān)規(guī)定，利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的抗壓性能(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)，采用應(yīng)變控制，室溫條件下加載速率為5 mm/min。

試件采用邊長(zhǎng)40 mm的立方體試件，在室溫23 ℃左右將配置好的新型環(huán)氧砂漿裝入規(guī)范模具，脫模后放置在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)3，7，14，28 d。以一組6個(gè)試件(圖1(a))測(cè)定的平均值作為該組試件的強(qiáng)度，精確至0.1 MPa，如最大值或最小值與平均值之差超過(guò)20%，則取中間4個(gè)數(shù)據(jù)的均值作為該組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.2.2 水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《環(huán)氧樹(shù)脂砂漿技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5193—2004)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，使用深圳市瑞格爾儀器有限公司生產(chǎn)的拉拔試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)RGT-10A)測(cè)試試件的水下黏接性能，室溫條件下測(cè)試速度為1 mm/min。

黏接試驗(yàn)采用“8”字形試件：試件腰部?jī)?nèi)表面之間寬度為25 mm±0.25 mm，試模腰部最大厚度25 mm。試件制備步驟如下：

(1)先將準(zhǔn)備好的“8”字形半塊水泥砂漿塊斷面打磨清洗，置于靜水中，排除內(nèi)部空氣。

(2)將“8”字形試模裝配好，涂上脫模劑，放置于平整底板上。

(3)新型環(huán)氧砂漿配制。

(4)將底板連同模具置于靜水中淹沒(méi)，將拌制好的環(huán)氧砂漿直接在水下逐層澆入“8”字形試模的半邊空位，抹面成型。

24 h后脫模，在23 ℃左右室溫下的靜水中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期(7 d和28 d，如圖1(b)和圖1(c))。取6個(gè)試件的均值作為試驗(yàn)結(jié)果，精確到0.1 MPa。單個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與均值偏差>15%應(yīng)舍棄，試件<3個(gè)試驗(yàn)需重做。

3.2.3 抗沖磨性能試驗(yàn)

水下抗沖磨性能測(cè)試參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)中水下鋼球法抗沖磨試驗(yàn)方法，室溫下試驗(yàn)儀轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

沖磨試模內(nèi)徑300 mm，高100 mm。在室溫23 ℃左右將配置好的材料分層裝入規(guī)范模具，脫模后放置在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d(圖1(d))。到相應(yīng)齡期后，放入到抗沖磨試驗(yàn)儀中，按規(guī)定放入70個(gè)大小不一的鋼球于試件表面，加水至水面高出試件表面165 cm進(jìn)行試驗(yàn)，每隔24 h，在鋼筒內(nèi)加2次水至原水位高度。以一組3個(gè)測(cè)值的均值作為試驗(yàn)結(jié)果，精確到0.001 h/(kg/m2)，如單個(gè)測(cè)值與均值的差值>15%時(shí)，則此值應(yīng)剔除，以余下2個(gè)測(cè)值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

表5為不同齡期下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)隨著齡期的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，新型環(huán)氧砂漿3 d齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到60 MPa以上，遠(yuǎn)大于普通混凝土(C30)的抗壓強(qiáng)度35 MPa，可以滿足工程要求。

表5 新型環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of compressive strength of the proposed epoxy mortar

根據(jù)表5中的結(jié)果，可得到不同齡期下，膠固比對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 膠固比對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of glue-solid ratio on unconfined compressive strength of specimens

由圖2可知：

(1)隨著膠固比的增加，其對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了下開(kāi)口拋物線形式的影響，即試件強(qiáng)度先有所增長(zhǎng)進(jìn)而又會(huì)下降；其最佳膠固比約為1∶3.0。

(2)膠固比一定時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期由14 d增加到28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度的增量有所降低，增幅最小約為0.6%，基本趨于穩(wěn)定。

3.3.2 水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)

表6為7 d和28 d齡期下新型環(huán)氧砂漿的水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表6 新型環(huán)氧砂漿的水下黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of underwater bonding strength of the proposed epoxy mortar

表6表明：

(1)不同齡期試件的水下黏接強(qiáng)度變化相差不大，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂與改性固化劑及砂料的固化收縮反應(yīng)在7 d已基本反應(yīng)完全，后續(xù)隨著齡期增加，強(qiáng)度增加不明顯。

(2)隨著膠固比從1∶2.0減小到1∶3.5，試件的水下黏接強(qiáng)度均值從3.00 MPa降低到了2.20 MPa，降幅達(dá)27%，膠固比和試件的水下黏接強(qiáng)度均值近似呈線性關(guān)系。當(dāng)膠固比為1∶2.0時(shí)，水下澆筑的環(huán)氧砂漿黏接強(qiáng)度最大，為3.2 MPa，這是因?yàn)榄h(huán)氧砂漿中的膠體含量偏多，滲入到原水泥砂漿后，增大了兩者間的黏接強(qiáng)度。

水下黏接強(qiáng)度主要取決于水下固化劑，目前工程使用的普通環(huán)氧砂漿如在潮濕或有水條件下，由于固化劑會(huì)與水中的CO2反應(yīng)生成銨鹽，產(chǎn)生“白化”現(xiàn)象，與老混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度明顯下降，修復(fù)效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

新型環(huán)氧固化劑是利用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，采用特殊原料和生產(chǎn)工藝合成得到的一種特殊結(jié)構(gòu)，即由酚醛胺和指環(huán)胺類固化劑通過(guò)接枝改性，使固化劑中的親水基團(tuán)改變?yōu)樵魉鶊F(tuán)，不溶于水，從而得到高強(qiáng)度改性胺類常溫環(huán)氧樹(shù)脂固化劑。其摻入固化反應(yīng)的活性基團(tuán)在水下以及低溫具有良好的反應(yīng)活性，不受水的影響，在水下環(huán)境中極具穿透水膜能力而使得環(huán)氧樹(shù)脂分子具有強(qiáng)烈的浸潤(rùn)黏結(jié)與固化性能，其固化物黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到干燥環(huán)境下黏結(jié)強(qiáng)度的90%以上。滿足在潮濕和水下環(huán)境中的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)要求，適用于橋墩、面板、邊墻等結(jié)構(gòu)的水下補(bǔ)強(qiáng)加固。

陳改新[10]在進(jìn)行高速水流下新型抗沖磨材料的研究中，對(duì)HD-E“海島結(jié)構(gòu)”環(huán)氧樹(shù)脂砂漿與普通環(huán)氧砂漿EP-15的性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明2種材料在潮濕環(huán)境下，對(duì)混凝土表面的黏接能力基本一致，強(qiáng)度均為2.0 MPa左右。與之相比，本文的新型環(huán)氧砂漿水下黏接強(qiáng)度更為優(yōu)越，7 d內(nèi)強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，滿足水下修復(fù)的要求。

3.3.3 抗沖磨性能試驗(yàn)

表7為不同膠固比時(shí)試件連續(xù)沖磨72 h的抗沖磨強(qiáng)度和磨損率試驗(yàn)結(jié)果，分析可知，抗沖磨強(qiáng)度隨膠固比減小而增大，磨損率隨膠固比減小而降低，抗沖磨強(qiáng)度越大，磨損率越低。

表7 抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of anti-abrasion strength

抗沖磨試件沖磨后試件質(zhì)量隨時(shí)間的變化如圖3所示，沖磨前后試件的外表見(jiàn)圖4。

圖3 沖磨后試件質(zhì)量與沖磨時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship of mass of specimen after abrasion against abraison time

圖4 試件沖磨72 h前后對(duì)比照片F(xiàn)ig.4 Photos of test specimens before and after abrasion for 72 hours

由圖3可知，新型環(huán)氧砂漿在前48 h沖磨時(shí)間內(nèi)質(zhì)量損失較大，這是因?yàn)閯傞_(kāi)始磨掉了試件表面突出或結(jié)構(gòu)薄弱的部分，而后24 h試驗(yàn)時(shí)間，質(zhì)量損失逐漸減小，基本趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)72 h沖磨，膠固比為1∶3.5的試件抗沖磨強(qiáng)度最大值為847.800 h/(kg/m2)，此時(shí)總損失量?jī)H為6 g。從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)72 h沖磨后，改性環(huán)氧砂漿顏色變黃，表面光澤變暗。

買淑芳等[7]對(duì)“海島結(jié)構(gòu)”環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行了抗沖磨性能試驗(yàn)，通過(guò)增韌劑摻量為40%，80%，120%得到了不同的磨損率，編號(hào)分別為M1,M2,M3。與普通環(huán)氧砂漿EP-15和混凝土C70進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表8。

表8 不同材料磨損率對(duì)比Table 8 Comparison of wear rate among different materials

由表8可知，其他材料磨損率最少為0.28 g/(h·cm2)，而新型環(huán)氧砂漿磨損率為1.244×10-4g/(h·cm2)，其抗沖磨效果更好。

4 新型環(huán)氧砂漿應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例1

某跨海大橋，因海浪、臺(tái)風(fēng)沖擊，以及海水氯離子滲透腐蝕，造成橋墩承臺(tái)和樁基混凝土出現(xiàn)掉落、沖蝕、腐蝕，鋼筋外露銹蝕等病害，嚴(yán)重危及大橋安全。為確保大橋的安全運(yùn)行，采用新型環(huán)氧砂漿系列產(chǎn)品對(duì)橋墩破損部位進(jìn)行水下修復(fù)處理，處理后環(huán)氧砂漿與原混凝土材料結(jié)合堅(jiān)固、無(wú)松動(dòng)顆粒，通過(guò)使用環(huán)氧砂漿深度測(cè)試儀測(cè)試，最大修補(bǔ)深度為8 cm左右，誤差范圍為±5 mm。砂漿表面平整度較好，修復(fù)前后對(duì)比如圖5。經(jīng)多年運(yùn)行，橋墩承臺(tái)和樁基結(jié)構(gòu)完好。

圖5 橋墩修復(fù)前后對(duì)比Fig.5 Photos of bridge pier before and after repair

4.2 實(shí)例2

三板溪水電站主壩最大壩高185.5 m。樞紐主要由大壩、泄水建筑、廠房等建筑物構(gòu)成。因歷年泄洪影響，溢洪道邊墻及底板出現(xiàn)了不同程度的缺陷及破損。對(duì)底板的混凝土裂縫表面進(jìn)行過(guò)反復(fù)封閉處理，但材料開(kāi)裂及脫落現(xiàn)象一直沒(méi)有根本解決。

為確保大壩泄水建筑物安全運(yùn)行，采用新型環(huán)氧砂漿系列產(chǎn)品(膠固比為1∶5)對(duì)溢洪道底板及邊墻的缺陷進(jìn)行修復(fù)處理。處理后的混凝土結(jié)構(gòu)基面密實(shí)、清潔，無(wú)松動(dòng)顆粒，底層基液涂刷均勻、無(wú)漏刷。通過(guò)使用環(huán)氧砂漿深度測(cè)試儀測(cè)試，環(huán)氧砂漿厚度為15 mm左右，誤差范圍為±1.5 mm。砂漿表面平整度較好，測(cè)量直尺與砂漿表面的空隙尺寸<5 mm。

修復(fù)前后對(duì)比如圖6。經(jīng)過(guò)前期泄洪沖刷多次，修復(fù)部位完好無(wú)缺。從表觀上可以看出，黏接面無(wú)裂縫，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，表明新材料黏接強(qiáng)度高，與原混凝土能夠變形協(xié)調(diào)，效果明顯優(yōu)于其他材料。

圖6 溢流面邊墻修復(fù)前后對(duì)比Fig.6 Photos of overflow surface side wall before and after repair

5 結(jié)論與建議

(1)新型環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度較大，3 d內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到60 MPa以上，隨著膠固比的增加，抗壓強(qiáng)度先增加后減小。實(shí)際工程中，由于該材料易于滿足抗壓強(qiáng)度要求，故可根據(jù)工程需求適當(dāng)減小抗壓強(qiáng)度從而增加其他強(qiáng)度，如水下黏接強(qiáng)度。

(2)膠固比對(duì)新型環(huán)氧砂漿的水下黏接強(qiáng)度影響較大。養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，水下黏接強(qiáng)度越大。膠固比由1∶2.0變?yōu)?∶3.5的過(guò)程中，水下黏接強(qiáng)度最大達(dá)到3.2 MPa，該砂漿適用于水下的修復(fù)加固。

(3)新型環(huán)氧砂漿抗沖磨性能優(yōu)越，抗沖磨強(qiáng)度隨膠固比的減小而逐漸增大，沖磨后質(zhì)量損失較少。在相關(guān)工程修復(fù)中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加砂含量，在滿足抗沖要求的前提下降低造價(jià)。