環(huán)氧砂漿填料配方優(yōu)化研究

陸旭峰 ，任敏 ，韓杰 ，葛仕彥

（1.上海申航基礎(chǔ)工程有限公司，上海 200032；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 前言

環(huán)氧砂漿是一種混凝土修補(bǔ)加固材料，具有化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐、耐候性好，與多種材料的粘結(jié)力很強(qiáng)，干縮變形小，抗壓模量低，抗侵蝕能力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高，且不受結(jié)構(gòu)形狀限制等特點(diǎn)。在道路、橋梁、管道等工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用[1]。

水工混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣的自然環(huán)境下，混凝土表面裂縫、沖擊磨損、機(jī)械磨損以及化學(xué)侵蝕，堿骨料反應(yīng)破壞等情況普遍存在[2]。這些問題已經(jīng)嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的壽命和外觀，危及到混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用。針對(duì)上述混凝土結(jié)構(gòu)所遇到的問題，使用環(huán)氧砂漿可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)，保障混凝土結(jié)構(gòu)安全、保證其長期的安全使用[3]，延長混凝土構(gòu)筑物的壽命。

但相比普通水泥砂漿、聚合物砂漿，環(huán)氧砂漿價(jià)格普遍較高、不同配比的環(huán)氧砂漿性能差別也較大，這在一定程度上影響了其大規(guī)模使用[4]。為進(jìn)一步改善環(huán)氧砂漿的性能，使其更適應(yīng)現(xiàn)場規(guī)模施工需求[5]，公司在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化環(huán)氧砂漿的配方，制得一種性能指標(biāo)更穩(wěn)定可靠、成本更低廉的環(huán)氧砂漿，并在碼頭、跨海橋梁等惡劣環(huán)境下取得了良好的修補(bǔ)加固效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂：E-44，環(huán)氧值0.44 mol/100 g，南通星辰合成材料有限公司；聚酰胺固化劑 650：胺值（220±20）mgKOH/g，黏度 15～50 Pa·s（25 ℃），天原集團(tuán)上海樹脂廠；酚醛胺固化劑T31，胺值（460±20）mgKOH/g，黏度 5～10 Pa·s（25 ℃），江蘇常州德燁化工有限公司；水泥：P·Ⅱ52.5水泥，海螺牌；砂：河砂，40～70目。

1.2 主要儀器設(shè)備

壓力機(jī)：DYE-2000，河北迪奧試驗(yàn)儀器廠；拉力試驗(yàn)機(jī)：ATS-J，艾德堡儀器有限公司；天平：KF-0040，凱豐電子天平；小型攪拌機(jī)：D2004W，上海司樂儀器；拌料鍋：直徑400 mm，深100 mm。

1.3 環(huán)氧砂漿及試塊的制作

（1）首先將試驗(yàn)所用材料在（23±2）℃存放至少24 h。

（2）拌料：分別把稱量的液體和填料拌勻，依次倒入攪拌鍋，開動(dòng)攪拌機(jī)緩慢均勻拌和，至顏色均勻且拌和物中無結(jié)塊為止。

（3）環(huán)氧砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、表觀密度等參照DL/T 5193—2004《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測試。具體操作步驟為：將攪拌好的砂漿裝入試模，分2次裝料，每次都用捶刀或搗棒搗密實(shí)，砂漿料頂部應(yīng)稍高于試模上表面。最后刮去高出的材料，使之與試模表面齊平，在砂漿硬化前抹平表面并進(jìn)行編號(hào)，成型時(shí)如拌和物不能自由流動(dòng)，可用壓實(shí)工具把砂漿擠入試模，使之填充密實(shí)、無孔洞。試件成型后，再將其放入溫度為（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%的空氣中養(yǎng)護(hù) 7 d。

1.4 掃描電鏡（SEM）分析

取環(huán)氧砂漿試塊新鮮斷面，用導(dǎo)電膠布固定在金屬圓盤上，放在HITACHI E-1010型離子濺射儀中進(jìn)行噴金處理，然后用HITACHI S-3700N型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，加速電壓為20.0 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 填料配比及用量對(duì)環(huán)氧砂漿力學(xué)性能的影響

將環(huán)氧砂漿試件在（23±2）℃下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測試，環(huán)氧砂漿的配比及性能測試結(jié)果見表1。

表1 填料配比及用量對(duì)環(huán)氧砂漿力學(xué)性能的影響

從表1可以看出，固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，4組不同填料配比環(huán)氧砂漿都具備比較好的力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、對(duì)混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)均表現(xiàn)的非常良好，均能夠滿足常規(guī)混凝土構(gòu)件的修補(bǔ)加固需求，具有良好的適用性。試驗(yàn)結(jié)果顯示出以下幾個(gè)特征：

（1）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，力學(xué)性能隨著硅酸鹽水泥和硬質(zhì)河砂用量的增加，稍有波動(dòng)，總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到了91.8 MPa，抗拉強(qiáng)度最大能達(dá)到13.2 MPa。

（2）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，保持硅酸鹽水泥量一定，增大河砂的用量，抗壓、抗拉強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)逐漸增大至峰值后回落現(xiàn)象。

（3）環(huán)氧砂漿對(duì)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度測試中均為混凝土破壞，有3組環(huán)氧砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度均保持在1.4 MPa，有1組達(dá)到了1.5 MPa，說明環(huán)氧砂漿對(duì)混凝土的粘結(jié)性能非常好，填料的配比對(duì)粘結(jié)性能的影響不大。

（4）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，填料中水泥與砂的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能最佳。

分析原因認(rèn)為：（1）力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)異是2種填料相互配合互補(bǔ)的共同作用結(jié)果[6]。本試驗(yàn)中采用水泥作為其中一種填料，在水泥顆粒與樹脂充分混合的過程中，水泥的強(qiáng)吸濕性，使得樹脂粘度得到提高，水泥與樹脂形成顆粒膠體，增大了樹脂與河砂顆粒表面的粘結(jié)面積，同時(shí)填充了河砂大粒徑之間的空隙。固化前，水泥起潤滑作用，使樹脂與河砂顆粒均勻混合。固化后，水泥顆粒、砂石顆粒與樹脂三者固化成一體，起膠結(jié)作用。（2）本研究中采用的40～70目河砂一方面具備一定強(qiáng)度，該粒徑的選擇既避免了顆粒過粗可能會(huì)導(dǎo)致的比表面積小、與環(huán)氧樹脂結(jié)合力弱而引起的強(qiáng)度降低；同時(shí)避免了粒徑過小可能導(dǎo)致的不易攪拌均勻、強(qiáng)度不具優(yōu)勢(shì)的弊端。河砂與較細(xì)顆粒的硅酸鹽水泥起到了良好的互補(bǔ)作用，當(dāng)增大河砂用量，環(huán)氧砂漿力學(xué)性能總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但隨著河砂用量的增加，其較細(xì)的粒徑所帶來的大比表面積形成較大體量，無法完全與環(huán)氧樹脂、硅酸鹽水泥形成良好的均勻攪拌體，環(huán)氧砂漿內(nèi)部可能形成小的孔隙，水泥與樹脂形成的顆粒膠體無法全部填充，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度反而下降，從峰值的87.2 MPa降至85.8 MPa。（3）當(dāng)水泥與砂的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，水泥與樹脂的配合達(dá)到較為理想的穩(wěn)定膠結(jié)狀態(tài)，河砂為環(huán)氧砂漿整體提供了骨架效應(yīng)，此時(shí)抗壓、抗拉性能指標(biāo)最佳。

2.2 填料配比及用量對(duì)環(huán)氧砂漿適用期和表觀密度的影響

選取表1中4組配比的環(huán)氧砂漿，進(jìn)行適用期和表觀密度的測試，結(jié)果如表2所示。

表2 填料配比及用量對(duì)環(huán)氧砂漿適用期和表觀密度的影響

從表2可以看出，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，4組不同配比環(huán)氧砂漿的表觀密度、適用期均表現(xiàn)出以下3個(gè)特征：

（1）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，適用期隨填料用量的增加，總體上呈現(xiàn)縮短的趨勢(shì)，由最長的40min縮短至25min。

（2）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，表觀密度隨著填料用量的增加逐漸增大。

（3）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，水泥與砂的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，適用期最短，表觀密度最大。

分析認(rèn)為，適用期縮短，是由于隨著填料用量增大，攪拌均勻的混合物中單位體積內(nèi)環(huán)氧樹脂的含量降低，此時(shí)環(huán)氧樹脂與填料需要固化的粘結(jié)面積減小。后續(xù)對(duì)初凝時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果也同時(shí)驗(yàn)證了這個(gè)趨勢(shì)。

對(duì)表觀密度的影響，則是因?yàn)樵谠囼?yàn)配比范圍內(nèi)，隨著填料用量增大，攪拌均勻的混合物單位體積內(nèi)環(huán)氧樹脂含量降低，河砂、水泥的填充量增大。水泥的密度與無填料環(huán)氧樹脂基本相當(dāng)，但河砂的密度顯著高于無填料的環(huán)氧砂漿，這就導(dǎo)致密度隨填料總量增加而逐漸增大。

2.3 環(huán)氧砂漿的抗?jié)B性能

對(duì)1#～4#環(huán)氧砂漿進(jìn)行抗?jié)B性能試驗(yàn)，結(jié)果表明這4組環(huán)氧砂漿的抗?jié)B壓力均大于1.5 MPa，抗?jié)B性能較好，符合DL/T 5193—2004關(guān)于環(huán)氧砂漿的抗?jié)B要求。2.4 環(huán)氧砂漿斷面的SEM分析

圖1為不同配比環(huán)氧砂漿試塊抗折試驗(yàn)斷面的SEM照片。

圖1 不同填料配比及用量環(huán)氧砂漿斷面的SEM照片

從圖1可以看出，1#環(huán)氧砂漿的密實(shí)程度較低，樹脂與骨料顆粒的結(jié)合界面不緊密，試塊斷裂面比較平整[6]；2#～4#環(huán)氧砂漿試塊斷面不平整，隨著填料總量的增加，大量顆粒填充在樹脂基體，骨料界面區(qū)域，此時(shí)斷面粗糙度增大，表面起伏越來越來大，這種斷面結(jié)構(gòu)可以提高砂漿試塊的密實(shí)程度。在4#環(huán)氧砂漿的SEM照片中，當(dāng)水泥與砂的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，斷面的顆粒最為密集，呈現(xiàn)波紋狀，此時(shí)的力學(xué)性能最佳。

3 研制的環(huán)氧砂漿應(yīng)用情況

2013年，公司承接了某離岸石油平臺(tái)樁基礎(chǔ)的修補(bǔ)加固作業(yè)。該石油平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，有9根PHC管樁樁頭與上部帽梁脫離造成內(nèi)部空洞，潮位影響情況下會(huì)引起空洞處灌水，維修方案既要考慮破損修補(bǔ)、加固的要求，同時(shí)要考慮耐久性要求，作業(yè)及養(yǎng)護(hù)時(shí)間還要盡量縮短，以不影響平臺(tái)正常生產(chǎn)。

基于該平臺(tái)現(xiàn)場實(shí)際破損情況和潮位影響考慮，對(duì)當(dāng)?shù)?月底天氣情況、固化時(shí)間、力學(xué)性能指標(biāo)、養(yǎng)護(hù)要求，經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行分析。充分進(jìn)行比選，選用2#配比的環(huán)氧砂漿，在力學(xué)性能上能夠達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，相比于4#配比環(huán)氧砂漿，2#環(huán)氧砂漿對(duì)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于4#環(huán)氧砂漿，與混凝土的粘結(jié)性能更強(qiáng)。所采用方案為清理樁頭后在空洞處支模填充環(huán)氧砂漿，同時(shí)，對(duì)樁頭與帽梁全部結(jié)合部位再涂抹一層約1 cm厚環(huán)氧砂漿，在起到加固作用的同時(shí)，對(duì)結(jié)合處起到防水、防腐保護(hù)，提高整體耐久性。

現(xiàn)場施工過程結(jié)束后，進(jìn)行了7 d養(yǎng)護(hù)，現(xiàn)場同時(shí)制作的試塊檢測結(jié)果表明，7 d抗壓強(qiáng)度為75 MPa，超過28 d抗壓強(qiáng)度的85%，完全可滿足現(xiàn)場工期盡量縮短的要求。該數(shù)據(jù)也基本與實(shí)驗(yàn)室得出的數(shù)據(jù)資料吻合。完工1年后對(duì)該樁頭修補(bǔ)區(qū)域重新檢查，未發(fā)現(xiàn)任何內(nèi)部空鼓、砂漿脫落、開裂現(xiàn)象，維修效果良好。

4 結(jié)論

（1）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，填料用量對(duì)環(huán)氧砂漿的適用期有明顯影響，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及實(shí)際需求，適當(dāng)調(diào)整配比，以更好滿足現(xiàn)場施工需求。

（2）固定環(huán)氧樹脂和固化劑的比例，在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能隨著填料用量的增加，稍有波動(dòng)，但總體呈上升趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，保持水泥用量一定，環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能隨著砂用量的增加先提高后降低。當(dāng)填料中水泥與砂的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能達(dá)到最佳，此時(shí)環(huán)氧砂漿試塊的斷面結(jié)構(gòu)較為粗糙，粘結(jié)較為密實(shí)。

（3）在試驗(yàn)配比范圍內(nèi)，填料的配比及用量對(duì)環(huán)氧砂漿對(duì)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度、抗?jié)B性能影響不大，基本維持在一個(gè)比較好的水平。

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