橋梁裂縫修復(fù)用新型環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料性能研究

雷 鐳

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

0 引言

受車輛荷載和橋梁使用年限過長等因素的影響，我國很多混凝土結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)了開裂問題，嚴(yán)重威脅到橋梁長久使用以及車輛行駛安全[1-3]。因此，研究并開發(fā)出快速、有效的混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)非常重要。

目前，我國學(xué)者對(duì)混凝土裂縫的修復(fù)工作展開了大量的研究。常見的混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)有化學(xué)注漿技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)以及破碎再澆筑技術(shù)[4-8]。在這些常見技術(shù)中，化學(xué)注漿技術(shù)是成本較低、效果較好且比較快捷的混凝土修復(fù)技術(shù)，因此被廣為應(yīng)用。常見的注漿修復(fù)材料是環(huán)氧樹脂膠（EP），具有修復(fù)速度快、膠體材料成本低等優(yōu)勢(shì)[9-11]。但是，EP 材料的修補(bǔ)效果卻常常存在一定的局限性，因此需要對(duì)其進(jìn)行改良。本文利用粉煤灰活性摻和料，基于室內(nèi)試驗(yàn)論證了新型FAEP 材料相較于普通EP 材料的優(yōu)勢(shì)，并指出了新型FAEP 材料中粉煤灰的最優(yōu)摻量。研究成果可為我國橋梁混凝土裂縫修復(fù)工作提供技術(shù)支撐。

1 修補(bǔ)材料制備

本次研究所制備的FAEP材料的主要成分包括環(huán)氧樹脂、乳化劑和固化劑，此3種材料均從商業(yè)渠道選購，基本技術(shù)指標(biāo)見表1。此外，改性材料使用粉煤灰活性摻和料，其主要化學(xué)成分為SiO2（53.64%）、Al2O3（30.54%）、FeO（9.32%）、CaO（4.56%）及其他（1.94%）。本次研究共設(shè)計(jì)了5 組不同粉煤灰摻量的FAEP 材料，粉煤灰摻量分別為0（對(duì)照組）、2.5%、5%、7.5%和10%，深入分析了不同粉煤灰活性料含量下的FAEP修補(bǔ)材料的工程性能。

表1 環(huán)氧樹脂、乳化劑和固化劑物理化學(xué)性質(zhì)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次對(duì)5 組不同粉煤灰摻量的FAEP 材料展開綜合性能試驗(yàn)，具體包括：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)和干縮率試驗(yàn)，上述試驗(yàn)均是按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671-1999）等相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求展開。利用YAW-2000 型萬能液壓試驗(yàn)機(jī)（如圖1）對(duì)養(yǎng)護(hù)28d后的FAEP砂漿開展單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 YAW-2000型萬能液壓試驗(yàn)機(jī)

利用FAEP 材料粘結(jié)已養(yǎng)護(hù)28d 的混凝土塊，粘結(jié)后再養(yǎng)護(hù)28d，然后開展粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)；干縮試驗(yàn)則是將材料放入干縮室后定期測(cè)量材料的長度，以測(cè)定其干縮率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度分析

基于養(yǎng)護(hù)28d后新型FAEP材料的單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，得到不同粉煤灰摻量下FAEP材料單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP材料的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷降低的變化趨勢(shì)，粉煤灰的摻入對(duì)修補(bǔ)材料的抗壓能力具有一定的不利影響。對(duì)于不摻粉煤灰的EP 修補(bǔ)材料，其單軸抗壓強(qiáng)度為45.32MPa；隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP 材料的抗壓強(qiáng)度則分別下降到了42.08MPa、39.25MPa、34.12MPa 以及30.09MPa，分別較對(duì)照組試樣下降了7.15%、13.39%、24.71%和33.61%。分析認(rèn)為，在水化過程中，環(huán)氧樹脂中存在大量的親水基，會(huì)在固-液交互界面產(chǎn)生吸附作用，水泥產(chǎn)物被包裹，阻礙水化反應(yīng)。在摻入粉煤灰后，水泥含量大量減少，在水化過程中部分粉煤灰參與水化反應(yīng)，因此，摻粉煤灰后新型FAEP材料的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖2 不同粉煤灰摻量下養(yǎng)護(hù)28d的FAEP材料單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線

進(jìn)一步對(duì)新型FAEP材料的單軸壓縮強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，新型FAEP材料的單軸抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間成負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，即，新型FAEP材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增大而成線性遞減關(guān)系。擬合效果良好，線性相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9889。

3.2 粘結(jié)強(qiáng)度分析

對(duì)養(yǎng)護(hù)28d后的新型FAEP材料進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度力學(xué)試驗(yàn)，得到不同粉煤灰摻量下粘結(jié)強(qiáng)度變化曲線，如圖3所示。由圖3 可知，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP 材料的粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)，粉煤灰的摻入對(duì)修補(bǔ)材料的粘結(jié)能力的影響較為復(fù)雜。對(duì)于不摻粉煤灰的EP 修補(bǔ)材料，其粘結(jié)強(qiáng)度為3.98MPa；隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度則分別變?yōu)?.72MPa、5.12MPa、4.65MPa 以及4.11MPa。當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度相較于對(duì)照組提高了28.64%。分析認(rèn)為，在水化過程中，環(huán)氧樹脂中存在大量的親水基，因此具有一定的保水作用，可有效降低修補(bǔ)界面砂漿泌水。在摻入粉煤灰后，粉煤灰會(huì)與環(huán)氧樹脂相互補(bǔ)充，減少了粘結(jié)界面的缺陷，因此提高了FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度；而當(dāng)粉煤灰摻量過高時(shí)，環(huán)氧樹脂的親水作用被抑制，因此FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)了降低。

圖3 不同粉煤灰摻量下養(yǎng)護(hù)28d的FAEP材料粘結(jié)強(qiáng)度變化曲線

進(jìn)一步對(duì)新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。由圖可知，新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間成二次函數(shù)關(guān)系，即，新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增大而先增大后減小。擬合效果良好，線性相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9629。

3.3 干縮性分析

新型FAEP材料干縮率隨粉煤灰摻量及干縮時(shí)間變化關(guān)系見表2。由表2 可知，對(duì)于不同粉煤灰摻量的FAEP 材料，其干縮率隨干縮時(shí)間的變化均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。隨著干縮時(shí)間的增長，新型FAEP修補(bǔ)材料干縮率逐漸增大，但增長速率越來越慢。由表2可知，當(dāng)干縮時(shí)間達(dá)到28d后，隨著粉煤灰摻量的增大，材料的最終干縮率呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，其最終干縮率最低，僅有4.76%。由此可見，新型FAEP材料的抗干縮變形能力呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后變?nèi)醯淖兓厔?shì)。分析認(rèn)為，當(dāng)摻入一定的粉煤灰后，砂漿中水泥的含量便有所降低，因此降低了水化反應(yīng)的發(fā)生程度，而由于粉煤灰的比表面積較小，降低了水的吸附能力，因此新型FAEP修補(bǔ)材料的收縮能力降低；而當(dāng)粉煤灰摻量過大，導(dǎo)致材料親水性差，水化反應(yīng)不充分，新型FAEP修補(bǔ)材料的干縮性也就增大了。

表2 新型FAEP材料干縮率隨粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化關(guān)系

4 結(jié)束語

基于室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)以及干縮性試驗(yàn)，對(duì)比分析了新型FAEP材料與普通環(huán)氧樹脂的工程性能，并深入研究了粉煤灰摻量對(duì)新型FAEP材料應(yīng)用性能的影響。研究結(jié)論如下：

（1）粉煤灰的摻入對(duì)新型FAEP材料的抗壓能力具有一定的不利影響。對(duì)于不摻粉煤灰的EP 修補(bǔ)材料，其單軸抗壓強(qiáng)度為45.32MPa；隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP材料的抗壓強(qiáng)度，分別較對(duì)照組試樣下降了7.15%、13.39%、24.71%和33.61%。

（2）新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度與粉煤灰摻量之間成二次函數(shù)關(guān)系。新型FAEP材料的粘結(jié)強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增大而先增大后減小。不同粉煤灰摻量條件下，新型FAEP 材料的粘結(jié)強(qiáng)度分別為3.98MPa、4.72MPa、5.12MPa、4.65MPa以及4.11MPa。

（3）新型FAEP材料的抗干縮變形能力呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后變?nèi)醯淖兓厔?shì)。當(dāng)干縮時(shí)間達(dá)到28d后，隨著粉煤灰摻量的增大，材料的最終干縮率呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，其最終干縮率最低，僅有4.76%。