胡小勇

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司二分局，四川 成都 611800)

1 材料與方法

1.1 原料

雙酚A型環(huán)氧樹脂是目前使用最廣泛的樹脂材料，不僅材料成本低，同時(shí)還可以和多種不同的固化劑反應(yīng)，因此在混凝土裂縫修復(fù)劑的研制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。此次研究選擇鳳凰牌雙酚A型環(huán)氧樹脂E-44。

根據(jù)修復(fù)材料和水的互溶情況，可以將其分為親水型和憎水型兩大種類[1]。在潮濕環(huán)境下，水溶作用會(huì)導(dǎo)致親水型材料的過(guò)度稀釋，而憎水型材料則難以有效排開(kāi)其表面的水層，導(dǎo)致修復(fù)材料和混凝土難以直接接觸。由此可見(jiàn)，單一的親水或憎水材料，都難以在潮濕環(huán)境下獲得良好的黏結(jié)性能[2]。綜合上述考慮此次試驗(yàn)選擇的是改性脂肪胺和聚酯胺作為固化劑。這兩種固化劑同時(shí)含有親水和憎水基團(tuán)，因此配制的環(huán)氧結(jié)構(gòu)兼有親水性和憎水性，可以使修復(fù)材料充分浸潤(rùn)并填充在混凝土基材的表面。

試驗(yàn)中使用的稀釋劑為乙二醇二縮水甘油醚，促進(jìn)劑為DMP-30環(huán)氧樹脂催化劑；表面活性劑為異構(gòu)十三醇聚氧乙烯醚-3，改性材料可以有效提升修復(fù)材料在潮濕環(huán)境下與混凝土基體表面的黏結(jié)性；有機(jī)溶劑為無(wú)水乙醇，以降低環(huán)氧樹脂材料的黏度；填料為徐州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥。

1.2 配合比優(yōu)化

在改性環(huán)氧修復(fù)材料的組分確定之后，需要確定其能夠產(chǎn)生最佳性能的配合比。研究中充分借鑒環(huán)氧修復(fù)材料的相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定如表1所示的配合比優(yōu)選方案。

表1 環(huán)氧修復(fù)材料配合比試驗(yàn)方案 g

在改性環(huán)氧修復(fù)材料中，可以利用加大稀釋劑的方式降低材料黏度，提高材料在裂縫中的填充效果，但是大量添加稀釋劑會(huì)影固結(jié)物的力學(xué)性能，因此在研究中需要綜合考慮初始黏度和固化物性能，并尋求綜合平衡點(diǎn)。因此，對(duì)表1中的各方案進(jìn)行上述兩方面性能的綜合測(cè)試，結(jié)果如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，配合比方案3的整體性能較優(yōu)，因此作為后續(xù)研究的修復(fù)材料配合比。

表2 修復(fù)材料性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)中使用棱長(zhǎng)為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格混凝土試件，對(duì)養(yǎng)護(hù)好的試件利用加載破壞的方式制造裂縫，以模擬混凝土襯砌板裂縫[3]。試驗(yàn)中將同批養(yǎng)護(hù)的完好混凝土試件作為對(duì)照。試驗(yàn)中將固化時(shí)長(zhǎng)和裂縫寬度作為影響變量，設(shè)計(jì)1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm等5種不同的寬度和7 d、14 d和28 d等3種不同固化時(shí)長(zhǎng)，獲得如表3所示的15種不同試驗(yàn)方案。

表3 裂縫修復(fù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)情況

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中使用的水泥材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為天然中砂，粗骨料為粒徑5～20 mm，級(jí)配良好的天然碎石；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水；試驗(yàn)用修復(fù)材料為改性環(huán)氧樹脂修復(fù)材料。試驗(yàn)中按照渠道襯砌混凝土中常用的C30混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和試件制作。將制作好的試件在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

在養(yǎng)護(hù)好的試件上下表面中心部位各放置一根鋼筋，然后利用液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加壓至劈裂。將試件裂縫表面的灰塵和殘?jiān)謇砀蓛簦焕糜螛?biāo)卡尺和模具控制好裂縫寬度，然后在裂縫的底部和兩側(cè)涂抹封縫膠，預(yù)留一面進(jìn)行灌漿修補(bǔ)。待封縫膠凝固良好后將試件放入清水中浸泡24 h以模擬潮濕環(huán)境。取出試件擦拭干凈表面水分進(jìn)行注漿修補(bǔ)處理，然后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。在試驗(yàn)之前將封縫膠清理干凈，以免其影響試驗(yàn)結(jié)果。

試件的抗壓強(qiáng)度采用液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，在測(cè)試中采用帶縫面為頂面的最不利試驗(yàn)方式?？拐蹚?qiáng)度的試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載的方式。在渠道襯砌裂縫修復(fù)工程中，耐久性也是重要的檢驗(yàn)指標(biāo)。因此，研究中結(jié)合渠道襯砌板的服役環(huán)境，對(duì)固化時(shí)長(zhǎng)14 d，不同裂縫寬度試件進(jìn)行100次干濕循環(huán)，然后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，以便對(duì)其耐久性做出評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

對(duì)不同試驗(yàn)方案條件下的混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，獲取潮濕界面混凝土裂縫修補(bǔ)后的抗壓強(qiáng)度值并計(jì)算出其抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率，結(jié)果如表4所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出抗壓強(qiáng)度隨裂縫寬度變化曲線，結(jié)果如圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度及恢復(fù)率隨著固化時(shí)長(zhǎng)的增加而不斷增大。由此可見(jiàn)，適當(dāng)延長(zhǎng)固化時(shí)長(zhǎng)對(duì)提高修復(fù)效果有利。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨裂縫寬度變化曲線

表4 抗壓強(qiáng)度及恢復(fù)率試驗(yàn)結(jié)果

在固化時(shí)長(zhǎng)為7 d的條件下，抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率的最小值為62.81%，最大值為85.07%，恢復(fù)效果并不理想。究其原因，主要是潮濕環(huán)境不利于改性環(huán)氧修復(fù)劑的完全反應(yīng)，導(dǎo)致其早期的力學(xué)性能較差。在固化時(shí)長(zhǎng)為14 d時(shí)，固化物性能有顯著提高，抗壓強(qiáng)度恢復(fù)率最低值達(dá)到91.73%，最高達(dá)到108.30%，已經(jīng)顯示出較好的強(qiáng)度恢復(fù)效果，已經(jīng)滿足混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固的基本要求。在28 d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度的最低恢復(fù)率達(dá)到98.10%。最高達(dá)到了119.68%。由此可見(jiàn)，此次研究提出的改性環(huán)氧修復(fù)材料具有良好的潮濕界面修復(fù)性能，修復(fù)后的界面不會(huì)成為試件受壓破壞過(guò)程中的薄弱處。

從圖1可以看出，除了14 d裂縫寬度2 mm和28 d裂縫寬度2.5 mm兩個(gè)點(diǎn)位外，試件的抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出隨裂縫寬度的增加而先增加后減小的變化特點(diǎn)。由此可見(jiàn)，改性環(huán)氧修復(fù)劑對(duì)寬度為1.5～2.5 mm裂縫的修復(fù)效果最佳，對(duì)較寬或較窄裂縫的修復(fù)效果相對(duì)較差，但是差距并不顯著。

2.2 抗折強(qiáng)度

對(duì)不同試驗(yàn)方案條件下的混凝土試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，獲取潮濕界面混凝土裂縫修補(bǔ)后的抗折強(qiáng)度值并計(jì)算出其抗折強(qiáng)度恢復(fù)率，結(jié)果如表5所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出抗折強(qiáng)度隨裂縫寬度變化曲線，結(jié)果如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，混凝土試件的抗折強(qiáng)度及恢復(fù)率隨著固化時(shí)長(zhǎng)的增加而不斷增大。在固化時(shí)長(zhǎng)為7 d的條件下，抗折強(qiáng)度恢復(fù)率的最小值為62.35%，最大值為85.65%。在固化時(shí)長(zhǎng)為14 d時(shí)，固化物性能有顯著提高，抗折強(qiáng)度恢復(fù)率最低值達(dá)到91.80%，最高達(dá)到106.73%，已經(jīng)顯示出較好的強(qiáng)度恢復(fù)效果。在28 d時(shí)，試件抗折強(qiáng)度的最低恢復(fù)率達(dá)到94.00%。最高達(dá)到了119.77%。由此可見(jiàn)，在使用新型環(huán)氧樹脂材料修復(fù)之后，修復(fù)早期的抗折強(qiáng)度恢復(fù)相對(duì)較慢，在14 d之后可以獲得良好的恢復(fù)效果，其原因和抗壓強(qiáng)度類似。

圖2 抗折強(qiáng)度隨裂縫寬度變化曲線

表5 折強(qiáng)度及恢復(fù)率試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看出，隨著裂縫寬度的增加，試件的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的特點(diǎn)并無(wú)明顯的規(guī)律性。由此可見(jiàn)，改性環(huán)氧修復(fù)劑修復(fù)后試件的抗折強(qiáng)度與裂縫寬度之間并無(wú)明顯的關(guān)聯(lián)性，這一點(diǎn)和抗壓強(qiáng)度有所不同。

2.3 耐久性

研究中根據(jù)100次干濕循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，獲得如表6所示的結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在干濕循環(huán)作用之后，無(wú)論是無(wú)裂縫的對(duì)照試件還是修復(fù)試件，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有不同程度的降低，因?yàn)楦蓾裱h(huán)對(duì)混凝土的耐久性造成一定影響，使其產(chǎn)生一定的劣化。具體來(lái)看，抗壓強(qiáng)度的修復(fù)值隨著裂縫寬度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn)，而抗折強(qiáng)度的變化并無(wú)明顯的規(guī)律性。從各方案的試驗(yàn)結(jié)果均值來(lái)看，修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度小幅高于對(duì)照試件。由此可見(jiàn)，此次研究中使用的改性環(huán)氧修復(fù)材料在修復(fù)潮濕環(huán)境下襯砌板裂縫具有良好的耐久性。

表6 試件耐久性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

此次研究針對(duì)輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)的特殊服役環(huán)境，提出了一種針對(duì)潮濕環(huán)境混凝土裂縫的改性環(huán)氧修復(fù)材料。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該材料可以獲得良好的修復(fù)效果，在14 d固化時(shí)長(zhǎng)條件下的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度修復(fù)率即可達(dá)到90%以上。同時(shí)，干濕循環(huán)條件下的耐久性試驗(yàn)結(jié)果顯示，修復(fù)后的混凝土耐久性良好。另一方面，試驗(yàn)結(jié)果顯示，修復(fù)后的固化時(shí)間較短時(shí)混凝土試件的抗壓強(qiáng)和抗折強(qiáng)度恢復(fù)效果不甚理想。因此，建議在工程應(yīng)用中采取不小于14 d的固化時(shí)間。當(dāng)然，針對(duì)混凝土服役環(huán)境的環(huán)氧修復(fù)材料，大都需要進(jìn)行復(fù)雜的改性處理，存在原料獲取困難、性價(jià)比不高的問(wèn)題。因此，在今后的研究中需要進(jìn)一步優(yōu)化改性工藝，開(kāi)發(fā)出原料易得、性價(jià)比高的綠色環(huán)保改性環(huán)氧修復(fù)材料。