地鐵工程用彈性環(huán)氧封縫膠的研究與應(yīng)用

曠慶華

摘要：研究了稀釋劑、增韌劑對(duì)彈性環(huán)氧封縫膠力學(xué)性能的影響。通過(guò)對(duì)配方的優(yōu)化，制得了一種力學(xué)強(qiáng)度與柔韌性能均良好的彈性環(huán)氧封縫膠，并應(yīng)用于長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線(xiàn)的裂縫修補(bǔ)工程中，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：稀釋劑；增韌劑；拉伸性能；地鐵工程；裂縫修補(bǔ)

在地鐵施工過(guò)程中，由于各方面的原因，已經(jīng)施工完成的混凝土結(jié)構(gòu)常常會(huì)出現(xiàn)裂縫，發(fā)生滲漏現(xiàn)象?，F(xiàn)有對(duì)裂縫進(jìn)行嵌填密封的材料大部分為聚氨酯，這種材料雖然具有良好的柔性，但與混凝土粘接能力不佳且耐久性差。環(huán)氧樹(shù)脂作為一種力學(xué)性能佳、耐久性?xún)?yōu)異的材料一直廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域，但其柔韌性較差。通過(guò)增韌等改性手段，可以使環(huán)氧體系獲得相應(yīng)的韌性以適應(yīng)活動(dòng)裂縫的尺寸變化，同時(shí)保有其高粘接與耐久的特點(diǎn)。本文基于上述原理對(duì)彈性環(huán)氧封縫膠進(jìn)行配方設(shè)計(jì)及性能研究，最終制得了一種地鐵工程裂縫嵌填密封專(zhuān)用的彈性環(huán)氧封縫膠。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂E51，碳12-14烷基縮水甘油醚S1、丁基縮水甘油醚S2、1，6-己二醇二縮水甘油醚S3、間苯二酚二縮水甘油醚S4、三羥甲基丙烷三縮水甘油醚S5，工業(yè)級(jí)，國(guó)產(chǎn)；長(zhǎng)鏈脂肪族增韌劑B1、聚硫橡膠B2、聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂B3，工業(yè)級(jí)，國(guó)產(chǎn)；脂環(huán)胺C1、雜胺C2，工業(yè)級(jí)，國(guó)產(chǎn)。

1.2 測(cè)試設(shè)備

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW100，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科新公司試驗(yàn)儀器研究所；恒溫箱；研磨分散機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)試件的制備

拉伸試件：參考GB/T 2567—2008中試樣制備方法進(jìn)行。

正拉粘接試件：參考GB 50728—2011中附錄G中試樣制備方法進(jìn)行。

固化方式：恒溫（23±2）℃固化7 d。

1.4 性能測(cè)試與表征

拉伸性能（包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及彈性模量）：參考GB/T 2567—2008測(cè)定，拉伸速率為10 mm/min。

粘接強(qiáng)度：參考GB 50728—2011中附錄G進(jìn)行測(cè)定

2 結(jié)果與討論

2.1 不同稀釋劑對(duì)拉伸性能的影響

稀釋劑主要用來(lái)降低環(huán)氧膠粘劑體系的黏度，改善膠液的涂布性和流動(dòng)性。但稀釋劑的加入一般會(huì)降低固化產(chǎn)物的各項(xiàng)性能 [1]。為了降低稀釋劑摻入帶來(lái)的不利影響，原則上優(yōu)先選用活性稀釋劑。

本文選取已添加一定增韌劑的環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，以柔韌性?xún)?yōu)異的脂環(huán)胺C1和雜胺C2進(jìn)行復(fù)配作為固化劑，分別加入不同種類(lèi)不同摻量的稀釋劑，測(cè)試其拉伸性能，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2和圖3。

從圖1可以看出，單環(huán)氧稀釋劑S1、S2的加入顯著降低了固化體系的拉伸強(qiáng)度。且隨著S1、S2摻量的不斷增加，固化產(chǎn)物拉伸強(qiáng)度不斷下降，但下降趨勢(shì)逐漸變緩。

雙環(huán)氧稀釋劑S3、S4的摻入對(duì)體系拉伸強(qiáng)度的影響并不相同。隨著S3摻量的增加，拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，隨著S4摻量的增加，拉伸強(qiáng)度反而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，造成這種現(xiàn)象的原因是其分子結(jié)構(gòu)組成不同。雖然S3與S4分子結(jié)構(gòu)中均含有雙環(huán)氧基，但是由于S3屬于線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，其固化產(chǎn)物的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹(shù)脂本身強(qiáng)度，而S4分子結(jié)構(gòu)中存在著芳香環(huán)，致使其固化產(chǎn)物的強(qiáng)度略高于環(huán)氧樹(shù)脂本身強(qiáng)度，所以導(dǎo)致上述現(xiàn)象的產(chǎn)生[2]。

隨著三環(huán)氧稀釋劑S5摻量的增加，環(huán)氧固化產(chǎn)物的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但是下降趨勢(shì)較為平緩。

從圖2可以看出，隨著單環(huán)氧稀釋劑S1、S2摻量的增加，固化產(chǎn)物的斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)S1、S2摻量為10%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大。隨后隨著其摻量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率迅速降低。原因是由于當(dāng)S1、S2摻量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致固化產(chǎn)物的力學(xué)性能顯著下降，斷裂伸長(zhǎng)率亦隨之下降。

雙環(huán)氧稀釋劑S3、S4的加入對(duì)固化產(chǎn)物斷裂伸長(zhǎng)率的影響也不相同。隨著S3摻量的增加，裂伸長(zhǎng)率表現(xiàn)為先升后降，但是降幅沒(méi)有單環(huán)氧稀釋劑明顯。隨著S4摻量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率則持續(xù)大幅下降。

隨著三環(huán)氧稀釋劑S5摻量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率呈持續(xù)緩慢上升的趨勢(shì)。

從圖3可以看出，單環(huán)氧稀釋劑S1和S2的摻入使得環(huán)氧固化產(chǎn)物的彈性模量呈急劇下降的趨勢(shì)。這是由于單環(huán)氧稀釋劑的分子結(jié)構(gòu)中僅含有一個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，在發(fā)生固化反應(yīng)時(shí)，僅能在一端連接到交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中去，導(dǎo)致固化產(chǎn)物的交聯(lián)密度顯著降低，從而彈性模量也明顯降低。

隨著雙環(huán)氧稀釋劑S3摻量的增加，彈性模量逐漸下降。這是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中含有2個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，在固化反應(yīng)過(guò)程中能參與固化產(chǎn)物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，固化產(chǎn)物的交聯(lián)密度下降不如單環(huán)氧稀釋劑的幅度大，所以彈性模量稍高于單環(huán)氧稀釋劑S1和S2。

雙環(huán)氧稀釋劑S4對(duì)固化產(chǎn)物彈性模量的影響異于S3，隨著S4摻量的增加，彈性模量亦隨之增加。這是由于S4分子結(jié)構(gòu)中在含有2個(gè)環(huán)氧基的同時(shí)還含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，其中苯環(huán)結(jié)構(gòu)具有一定的剛性，所以在固化反應(yīng)后能提高固化產(chǎn)物的交聯(lián)密度和剛度，從而導(dǎo)致彈性模量明顯上升。

隨著三環(huán)氧稀釋劑S5摻量的增加，彈性模量呈平緩下降的趨勢(shì)。這是由于S5分子結(jié)構(gòu)中含3個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，固化反應(yīng)后能成為固化產(chǎn)物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一部分，所以固化產(chǎn)物的交聯(lián)密度不會(huì)有太大下降，且其分子結(jié)構(gòu)中不含苯環(huán)，不致使固化產(chǎn)物剛度變大，因此導(dǎo)致固化產(chǎn)物彈性模量呈下降趨勢(shì)。

2.2 不同增韌劑對(duì)拉伸性能的影響

常用的增韌劑一般為無(wú)機(jī)填料類(lèi)、橡膠類(lèi)、熱塑性樹(shù)脂類(lèi)、互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物以及柔性鏈段固化劑等。環(huán)氧體系中無(wú)機(jī)填料的加入雖然可使環(huán)氧固化產(chǎn)物的韌性增加，但是對(duì)其彈性模量的降低和斷裂伸長(zhǎng)率的增加基本沒(méi)有改善，故作為增韌劑而言，本實(shí)驗(yàn)不予采用。本實(shí)驗(yàn)中選用了B1、B2、B3這3種不同類(lèi)型的增韌劑，其中B1為長(zhǎng)鏈脂肪族增韌劑；B2為液態(tài)聚硫橡膠；B3為聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂。選用E51環(huán)氧樹(shù)脂作為A組分，脂環(huán)胺C1、雜胺C2復(fù)配體系作為B組分，對(duì)以上3種增韌劑進(jìn)行拉伸性能的考查，結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

從圖4～6可以看出，3種增韌劑的摻入對(duì)環(huán)氧固化產(chǎn)物柔韌性能的改善均相當(dāng)顯著。隨著B(niǎo)1或B2摻量的增加，固化產(chǎn)物斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)顯著增加，而彈性模量會(huì)顯著降低，這是由于當(dāng)B1或B2摻入到環(huán)氧樹(shù)脂中，參與固化反應(yīng)時(shí)，會(huì)在環(huán)氧固化產(chǎn)物的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)中引入柔性良好的長(zhǎng)鏈段分子，提高了環(huán)氧固化產(chǎn)物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的自由活動(dòng)能力，極大地改善了固化產(chǎn)物的柔韌性能。所以隨著B(niǎo)1或B2摻量的增加，環(huán)氧固化產(chǎn)物的拉伸強(qiáng)度和彈性模量持續(xù)地下降。但是隨著B(niǎo)1或B2摻量的增加，其固化產(chǎn)物的斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，這是由于長(zhǎng)鏈段分子的引入大大增加了分子鏈段柔順性的同時(shí)也會(huì)大大降低環(huán)氧固化產(chǎn)物的內(nèi)聚強(qiáng)度，導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

隨著B(niǎo)3摻量的增加，拉伸強(qiáng)度以及彈性模量逐漸降低。在B3摻量為30%以前，拉伸強(qiáng)度和彈性模量的下降趨勢(shì)不明顯，但是摻量超過(guò)30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度與彈性模量均會(huì)顯著下降。主要原因可能是當(dāng)聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂摻量增多時(shí)，固化產(chǎn)物中聚合物的協(xié)同作用減弱，更多地向聚氨酯鏈段的柔韌性能方向發(fā)展，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度與彈性模量下降[3]。隨著B(niǎo)3摻量的增加，斷裂伸長(zhǎng)率持續(xù)增加。當(dāng)B3摻量為100%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)90%，大大提高了固化產(chǎn)物的柔韌性能。

2.3 彈性環(huán)氧封縫膠綜合性能

由于進(jìn)行嵌填修補(bǔ)的彈性環(huán)氧封縫膠應(yīng)為膏狀，所以必須加入適當(dāng)?shù)奶盍吓c流變助劑。但是填料的加入會(huì)嚴(yán)重?fù)p失固化產(chǎn)物的柔韌性能，鑒于此，本研究中選取的膠液應(yīng)為柔韌性能優(yōu)異的體系。經(jīng)過(guò)對(duì)稀釋劑、增韌劑的分析比較，最終確定在E51樹(shù)脂基液中加入30份的S2和100份的B3。所用填料為納米填料，并使用流變助劑改善膠粘劑的觸變性，提高其施工性能。所用固化劑為柔韌性良好的脂環(huán)胺C1與雜胺C2的復(fù)配體系。其主要性能如表1所示。

從表1可以看出，固化產(chǎn)物的柔韌性能良好，其斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)55%。同時(shí)與混凝土粘接性能優(yōu)異，與干燥混凝土界面粘接強(qiáng)度可達(dá)2.5 Mpa以上。加之其具有良好的觸變性，可在頂面或立面進(jìn)行嵌填施工，施工過(guò)程和固化過(guò)程中膠粘劑均不發(fā)生流墜現(xiàn)象，賦予了彈性環(huán)氧封縫膠良好的施工性能。

3 工程應(yīng)用

滲漏是地下工程中常見(jiàn)的問(wèn)題。長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線(xiàn)是長(zhǎng)沙市首條開(kāi)通的地鐵線(xiàn)路，線(xiàn)路全長(zhǎng)22.226 km，均為地下線(xiàn)。由于各種原因，全線(xiàn)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)混凝土工程中多處出現(xiàn)裂紋，混凝土表面有滲水現(xiàn)象。工程所處地層地下水豐富，地下水可透過(guò)裂紋滲入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)鋼筋及混凝土產(chǎn)生腐蝕作用，嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的安全性。傳統(tǒng)的裂縫修復(fù)方法為注漿法，且所用注漿材料以聚氨酯為主，但由于聚氨酯耐久性與粘接性能差等原因，導(dǎo)致注漿修復(fù)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，裂縫又重新滲漏[4，5]。經(jīng)過(guò)分析論證，按照J(rèn)GJ/T 212—2010《地下工程滲漏治理技術(shù)規(guī)程》中提到的“多道設(shè)防”原則，決定在注漿修復(fù)的基礎(chǔ)上，再沿裂縫鑿槽，然后嵌填環(huán)氧膠泥，進(jìn)行二次防護(hù)，即嵌填彈性環(huán)氧膠泥，以適應(yīng)裂縫寬度變化所帶來(lái)的危害。

本文所研制的彈性環(huán)氧封縫膠現(xiàn)已成功應(yīng)用于長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線(xiàn)裂縫修復(fù)工程，圖7為彈性環(huán)氧封縫膠修補(bǔ)原理示意圖。從現(xiàn)場(chǎng)的修復(fù)效果可見(jiàn)，固化產(chǎn)物無(wú)任何流墜現(xiàn)象，顏色接近于混凝土本身的顏色，修補(bǔ)效果良好。

4 結(jié)論

1）單環(huán)氧稀釋劑的摻入會(huì)顯著降低環(huán)氧固化產(chǎn)物的拉伸強(qiáng)度，而多環(huán)氧稀釋劑的影響不盡相同。

2）增韌劑的摻入能大幅增加環(huán)氧固化產(chǎn)物的柔韌性能，同時(shí)也會(huì)不同程度降低產(chǎn)物的力學(xué)強(qiáng)度。

3）通過(guò)配方優(yōu)化，制得了一種力學(xué)性能優(yōu)異、柔韌性能良好的彈性環(huán)氧封縫膠?，F(xiàn)已應(yīng)用于長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線(xiàn)裂縫嵌填修復(fù)工程中，取得了良好的效果。

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