淺談環(huán)氧樹脂注膠震損混凝土應(yīng)用

偶丹萍

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)系，江蘇 江陰214400）

前言

我國(guó)是個(gè)地震發(fā)生較頻繁的國(guó)家，發(fā)生地震時(shí)大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)均會(huì)遭到不同程度的損傷。汶川地震后，在進(jìn)行安全應(yīng)急檢查工作時(shí)參照建設(shè)部《建筑地震破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》將房屋劃分為5個(gè)破壞等級(jí)：基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌。

汶川大地震中大部分框架結(jié)構(gòu)整體性尚好，損害較輕，僅局部有較大損傷，若全部拆除重建，必然會(huì)造成過(guò)大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。根據(jù)我國(guó) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）[1]提出的基本的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可以繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時(shí)，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)過(guò)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)遭受前兩個(gè)水平的地震時(shí)，建筑物都有進(jìn)行修復(fù)或加固的必要性。因此，對(duì)損傷較小或僅局部有較大損傷的建筑，應(yīng)以修復(fù)、加固補(bǔ)強(qiáng)為主。

目前常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固方法主要有：加大截面加固法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法、FRP加固法，各種方法都有各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)由于其方法簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，加固效果好，目前也處于加速發(fā)展中。

1 環(huán)氧樹脂膠材料概述

環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物，除個(gè)別外，它們的相對(duì)分子質(zhì)量都不高。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，使它們可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性高聚物。其應(yīng)用特性如下[2]：

(1)形式多樣。各種樹脂、固化劑、改性劑體系幾乎可以適應(yīng)各種應(yīng)用對(duì)形式提出的要求，其范圍可以從極低粘度的液體到高熔點(diǎn)固體。

(2)固化方便。選用各種不同的固化劑，環(huán)氧樹脂體系可以在0~180℃溫度范圍內(nèi)固化。

(3)粘附力強(qiáng)。環(huán)氧樹脂分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵的存在，使其對(duì)各種物質(zhì)具有很高的粘附力。環(huán)氧樹脂固化時(shí)的收縮性低，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，這也有助于提高粘附強(qiáng)度。

(4)收縮性低。環(huán)氧樹脂和所用固化劑的反應(yīng)是通過(guò)直接加成反應(yīng)或樹脂分子中環(huán)氧基的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)來(lái)進(jìn)行的，沒(méi)有水或其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出。它們與不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂相比，在固化過(guò)程中顯示出很低的收縮性。

(5)力學(xué)性能優(yōu)良。固化后的環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

(6)電性能。固化后的環(huán)氧樹脂體系是一種具有高介電性能、耐表面漏電、耐電弧的優(yōu)良絕緣材料。

(7)化學(xué)穩(wěn)定性。通常，固化后的環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的耐堿性、耐酸性和耐溶劑性。像固化環(huán)氧體系的其它性能一樣，化學(xué)穩(wěn)定性也取決于所選用的樹脂和固化劑。適當(dāng)?shù)剡x用環(huán)氧樹脂和固化劑，可以使其具有特殊的化學(xué)穩(wěn)定性能。

(8)尺寸穩(wěn)定性。上述的許多性能的綜合，使環(huán)氧樹脂體系具有突出的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的機(jī)械、電氣、化學(xué)、粘接等性能。但通常使用的環(huán)氧樹脂固化后性脆，沖擊強(qiáng)度低，大大限制了環(huán)氧樹脂的使用。因此需對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，提高其抗擊性能，增強(qiáng)其韌性，使其具有強(qiáng)度高、韌性好、抗腐蝕、耐久性好、耐候性佳等特性，另外要保證其物理化學(xué)性能與其將要粘結(jié)的部件（如鋼材、混凝土）具有良好的親合力。目前環(huán)氧樹脂的改性方法已有諸多報(bào)道。

2 環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)震損混凝土現(xiàn)狀

2.1 注膠修復(fù)技術(shù)發(fā)展概況

近幾十年來(lái)，環(huán)氧樹脂膠粘劑在汽車、水利交通、電子電器和宇航工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)也從上世紀(jì)50年代末開(kāi)始開(kāi)發(fā)研制環(huán)氧樹脂，主要用于土木工程、建筑、電機(jī)、制鞋、木工、膠合板和電子工業(yè)等。

2.2 環(huán)氧樹脂膠修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)技術(shù)已有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，但是研究的焦點(diǎn)主要集中于修復(fù)混凝土框架、梁、板、柱以及節(jié)點(diǎn)的裂縫等方面。針對(duì)混凝土框架整體進(jìn)行抗震性能的加固試驗(yàn)和理論研究還相對(duì)較少。

Waleed A.Thanoon等人[3]采用水泥灌漿、環(huán)氧樹脂注膠、鋼筋網(wǎng)片、碳纖維加固、截面加大法來(lái)分別加固已開(kāi)裂的鋼筋混凝土板。先將6個(gè)試件加載到開(kāi)裂（1個(gè)試件作為對(duì)比試件），然后采用上述5種加固方法分別對(duì)5個(gè)試件進(jìn)行加固，然后再加載，比較各個(gè)試件的變形、剛度變化、起裂荷載、極限荷載及破壞模式。加固后，水泥灌漿、環(huán)氧樹脂注膠及加大截面法的起裂荷載均較對(duì)比試件提高35%，鋼筋網(wǎng)片加固方法提高17.8%，碳纖維加固方法沒(méi)有修復(fù)裂縫，不提高，相反還出現(xiàn)其他裂縫；碳纖維加固與加大截面法加固后，其極限荷載分別提高77.4%、130%，環(huán)氧樹脂注膠加固則下降了8.6%，而鋼筋網(wǎng)片加固方法沒(méi)有提高；水泥灌漿、環(huán)氧樹脂注膠及鋼筋網(wǎng)片方法加固的試件表現(xiàn)出的延性與對(duì)比試件相同，但是加大截面法與碳纖維加固方法的試件的延性相對(duì)較差。

Mahmut Ekenel[4]研究了環(huán)氧樹脂注膠與外粘貼碳纖維這兩種方法加固簡(jiǎn)支梁的加固效果。設(shè)置了多組試件，分別采用環(huán)氧樹脂注膠加固、粘貼碳纖維加固、環(huán)氧樹脂注膠與粘貼碳纖維加固三種方法，并在環(huán)氧樹脂注膠加固中考慮了不同的環(huán)境條件（冷熱循環(huán)和溫度循環(huán)）來(lái)比較其耐久性，在粘貼碳纖維加固中考慮了粘貼面的粗糙度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：注膠加固后試件的初始剛度分別是對(duì)比試件和注膠-環(huán)境影響試件的3.5倍及1.25倍；注膠加固不能提高梁的受彎承載力；注膠-環(huán)境試件與對(duì)比試件的裂縫開(kāi)口位移明顯比注膠試件大，說(shuō)明在環(huán)境因素影響下，注膠的有效性較差；與單純的粘貼碳纖維加固方法比較，粘結(jié)面粗糙與裂縫注膠方法能夠明顯提高試件的抗彎能力、減小裂縫開(kāi)口位移；環(huán)境因素和持續(xù)加載顯著影響試件的極限承載力和裂縫寬度。

Camille A.Issa[5]采用環(huán)氧樹脂重力注膠的方式對(duì)部分預(yù)開(kāi)縫的立方體試件進(jìn)行注膠加固，并比較對(duì)比試件、開(kāi)縫構(gòu)件、注膠修補(bǔ)構(gòu)件的受壓強(qiáng)度，來(lái)評(píng)價(jià)注膠修補(bǔ)裂縫的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明：與對(duì)比試件相比較，開(kāi)縫構(gòu)件的受壓強(qiáng)度下降40.93%，而注膠修補(bǔ)后的試件的強(qiáng)度下降了8.23%，說(shuō)明注膠修復(fù)能夠有效恢復(fù)試件的完整性和抗壓強(qiáng)度。

G.Norman Owen[6]等人采用環(huán)氧樹脂注膠技術(shù)修復(fù)了一棟足尺的混凝土框架，并對(duì)完好的與修復(fù)后的框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比分析，其試驗(yàn)結(jié)果表明在低強(qiáng)度激勵(lì)（進(jìn)行一系列的無(wú)損振動(dòng)：包括地下核爆炸引起的地表運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)行反復(fù)荷載、激振器試驗(yàn)、人工激振試驗(yàn)）時(shí)，修復(fù)結(jié)構(gòu)的初始剛度比原始結(jié)構(gòu)稍微下降，在強(qiáng)烈的地震作用下（進(jìn)行上述試驗(yàn)后再進(jìn)行往復(fù)荷載激振，使其破壞加重，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)X形裂縫、混凝土破碎等與大震相似的現(xiàn)象），修復(fù)結(jié)構(gòu)剛度退化沒(méi)有原始結(jié)構(gòu)剛度退化嚴(yán)重，并且在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，裂縫開(kāi)展沒(méi)有原始結(jié)構(gòu)嚴(yán)重。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)技術(shù)能夠修復(fù)震損結(jié)構(gòu)，并獲得令人滿意的結(jié)果。

Catherine Wolfgram French[7]等人研究了環(huán)氧樹脂注膠技術(shù)用于修復(fù)結(jié)構(gòu)中震損傷的有效性。試件震損后，采用真空注膠或者壓力注膠的方式進(jìn)行加固。試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)氧樹脂注膠加固技術(shù)能夠提高構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、耗能能力與試件的整體性。

Moshe A.Adin[8]采用擬靜力試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)氧樹脂修復(fù)梁柱節(jié)點(diǎn)的修復(fù)效果。通過(guò)比較修復(fù)前與修復(fù)后的試件的反應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)試件的剛度、極限承載能力與耗能能力都得到提高。

C.G.Karayannis[9]采用環(huán)氧樹脂修復(fù)了17個(gè)梁柱外節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，并進(jìn)行了低周反復(fù)試驗(yàn).與原始試件相比較，被修復(fù)試件獲得相同或者更高的承載能力、剛度和耗能能力。

由于受到不同地區(qū)不同環(huán)境的影響，環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究也備受學(xué)者們關(guān)注。

在阿拉伯海灣區(qū)域，由于受海水侵蝕，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，針對(duì)損傷、出現(xiàn)裂縫的混凝土采用環(huán)氧樹脂注膠的方式進(jìn)行加固，而這些被加固的結(jié)構(gòu)還是會(huì)受海水侵蝕，其耐久性值得研究。Moetaz E1-Hawary[10]從這個(gè)角度出發(fā)，采用兩種水泥：普通水泥和耐硫酸鹽波特蘭水泥制作一批試件，在劈裂后采用三種不同的環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行加固并分別放置在不同的環(huán)境：海水，室內(nèi)環(huán)境（不同的溫度），室外環(huán)境，并考察了不同的放置時(shí)間，最后通過(guò)受彎試驗(yàn)、受壓試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、斜剪試驗(yàn)來(lái)測(cè)定不同工況下的試件受拉強(qiáng)度、受壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度，來(lái)研究在不同環(huán)境中環(huán)氧樹脂膠的耐久性。Moetaz E1-Hawary[11]制作了一批試件，劈拉后采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行修補(bǔ)，然后懸掛于有潮水的地方，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為18個(gè)月，然后進(jìn)行劈拉和斜剪試驗(yàn)測(cè)試其受拉強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，由于貝殼等附生物的存在，使得放置在海水中的試件的強(qiáng)度有提高，雖然其遭受了各種侵蝕；在短期內(nèi)，試件劈裂時(shí)破壞面發(fā)生在混凝土中，長(zhǎng)期內(nèi)，破壞面發(fā)生在混凝土與環(huán)氧樹脂膠的結(jié)合面，說(shuō)明受海水的影響，環(huán)氧樹脂膠性能退化比混凝土的要嚴(yán)重。

Adnan Colak[12]研究了采用樹脂粘結(jié)的試件受環(huán)境因素作用下的粘結(jié)性能和耐久性能，這些環(huán)境因素包括注膠過(guò)程中粘結(jié)界面的濕度、試件在除冰劑中的冷熱循環(huán)、不同溫度等級(jí) （20℃-100℃）、不同濃度的MgCl2與MgSO4的腐蝕性溶液。Hong-chol Shin[13]研究不同溫度級(jí)別下環(huán)氧樹脂注膠混凝土的疲勞性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，試件的失效模式由混凝土失效轉(zhuǎn)到樹脂膠與混凝土-環(huán)氧樹脂膠界面的混凝土破壞模式，在混合破壞模式中，隨著溫度升高，其抗疲勞性能明顯下降。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，利用環(huán)氧樹脂注膠震損混凝土結(jié)構(gòu)后，確實(shí)可以控制已有裂縫等缺陷，經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)也可以滿足各種設(shè)防烈度下的抗震需求。根據(jù)目前的科研結(jié)論，這種方法有施工進(jìn)度快、性能提高明顯等優(yōu)點(diǎn)。

混凝土鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是由梁和柱通過(guò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的承載結(jié)構(gòu)，而且會(huì)受到樓板的影響，構(gòu)造和受力較復(fù)雜，加固起來(lái)也非常復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外采用環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)混凝土框架的研究還處于起步階段，對(duì)注膠修復(fù)混凝土框架結(jié)構(gòu)主要存在以下一些問(wèn)題：

(1)目前所進(jìn)行的加固研究主要是將環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)技術(shù)作為一種輔助加固方法，與其他技術(shù)相配合來(lái)加固混凝土結(jié)構(gòu)，而對(duì)于單獨(dú)采用環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)技術(shù)的有效性卻鮮有研究。

(2)目前環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在梁、板、柱等基本構(gòu)件的抗彎、抗壓加固，對(duì)框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固的試驗(yàn)和理論研究較少，特別是對(duì)混凝土框架整體進(jìn)行加固更少。

(3)目前所進(jìn)行的環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)技術(shù)研究主要用于驗(yàn)證修復(fù)小震至中震損傷的有效性。然而，注膠修復(fù)技術(shù)對(duì)于大震后的混凝土結(jié)構(gòu)的損傷是否有效沒(méi)有得到試驗(yàn)的驗(yàn)證。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

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