砼橋面用滲透修復(fù)型環(huán)氧基層處理劑研究與應(yīng)用

朱可嘉， 蘇博文

(1.湖南高速養(yǎng)護(hù)工程有限公司， 湖南 長沙 410003；2.北京安捷工程咨詢有限公司， 北京 100032)

橋面基層處理劑主要分為熱熔型基層處理劑、高聚物改性瀝青基層處理劑、水性滲透型無機(jī)防水劑、反應(yīng)型樹脂類基層處理劑等。國內(nèi)對橋面基層處理劑的使用不廣泛，且以瀝青基冷底子油為主。國外橋面防水系統(tǒng)中較具代表性的是德國的橋面防水系統(tǒng)，《德國橋梁防水技術(shù)規(guī)程》規(guī)定使用環(huán)氧樹脂材料作為基層處理劑。相比于其他類型基層處理劑，環(huán)氧基層處理劑具有力學(xué)性能好、耐久性優(yōu)異、黏結(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)勢。但基層處理劑僅強(qiáng)調(diào)力學(xué)強(qiáng)度是不夠的，橋面砼由于施工等原因很容易產(chǎn)生缺陷，如裂縫等，如果無法對這些缺陷進(jìn)行滲透修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，缺陷部位將成為應(yīng)力集中的薄弱區(qū)域，很容易再次發(fā)生破壞，最終使整個(gè)防水黏結(jié)系統(tǒng)失效。為此，該文對滲透修復(fù)型環(huán)氧基層處理劑進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括雙酚A型環(huán)氧樹脂NPEL128，雙酚F型環(huán)氧樹脂NPEF170，自制的低黏度高活性環(huán)氧樹脂H1，稀釋劑XY748、XY501A、XY692、XY678、XY636，偶聯(lián)劑KH560，促進(jìn)劑DMP30，消泡劑BYK-A530，固化劑593、MFA-75、WL-2，改性胺固化劑G1，其中H1和G1為自制。

1.2 材料配制

(1) A組分配制。將環(huán)氧樹脂、稀釋劑、偶聯(lián)劑按一定比例混合，攪拌均勻后脫泡靜置備用。

(2) B組分配制。將固化劑、消泡劑、促進(jìn)劑按一定比例混合，攪拌均勻后脫泡靜置備用。

使用時(shí)，將A、B組分按計(jì)算配比摻加到容器中，攪拌均勻即可。

1.3 性能測定方法

(1) 黏度。按照GB/T 2794—2013進(jìn)行黏度測試，環(huán)境溫度為(23±1) ℃。

(2) 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率測試按照GB/T 2567—2008進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)溫度為23 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d。

(3) 與砼正拉黏結(jié)強(qiáng)度。按照GB 50728—2011附錄G進(jìn)行與砼正拉黏結(jié)強(qiáng)度測試，養(yǎng)護(hù)溫度為23 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d。

2 滲透修復(fù)型環(huán)氧基層處理劑的研制

2.1 環(huán)氧樹脂

選用雙酚A型環(huán)氧樹脂NPEL128、雙酚F型環(huán)氧樹脂NPEF170、低黏度高活性環(huán)氧樹脂H1進(jìn)行試驗(yàn)。NPEL128的原材料容易獲取，材料成本在3種環(huán)氧樹脂中最低廉，因而在建筑膠黏劑中用量最大，應(yīng)用范圍最廣。NPEL170也是一種常用環(huán)氧樹脂，能有效降低環(huán)氧膠黏體系的黏度。H1是一種經(jīng)過改性后自身黏度大幅降低的環(huán)氧樹脂，由于引入了高活性的官能團(tuán)，其在低溫環(huán)境下能更好地進(jìn)行反應(yīng)。

(1) 環(huán)氧樹脂的黏度。黏度測試在23 ℃下進(jìn)行，測試結(jié)果見表1。由表1可知：NPEL128樹脂的黏度最大；H1樹脂的黏度僅為800 mPa·s，不到NPEL128樹脂的1/10，適用于灌漿材料配制，但必須綜合考慮其力學(xué)性能后再作評價(jià)。

表1 不同環(huán)氧樹脂的黏度

(2) 環(huán)氧樹脂的力學(xué)強(qiáng)度。固定其他試驗(yàn)條件不變，不同環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能見表2。從表2可看出：NPEF170和NPEL128樹脂的力學(xué)性能較接近，但NPEF170的黏度僅為NPEL128的1/4，可有效降低環(huán)氧膠黏體系的黏度；H1的力學(xué)性能相對于其他2種環(huán)氧樹脂偏低，但其力學(xué)性能下降幅度不大，仍表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。

表2 不同環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能

綜合考慮不同環(huán)氧樹脂的黏度與力學(xué)性能，低黏度高活性環(huán)氧樹脂H1更適宜用于環(huán)氧基層處理劑制備，后續(xù)試驗(yàn)主體樹脂均使用H1。

2.2 稀釋劑

由于H1環(huán)氧樹脂的黏度較大，難以滿足對微細(xì)、深層裂縫的灌注要求，摻入稀釋劑來降低環(huán)氧膠黏劑的黏度，改善其施工性能。

選用5種不同種類活性稀釋劑進(jìn)行試驗(yàn)，其中XY748(碳十二至十四烷基縮水甘油醚)、XY501A(丁基縮水甘油醚)和XY692(芐基縮水甘油醚)屬于單官能度活性稀釋劑， XY678(新戊二醇二縮水甘油醚)屬于雙官能度活性稀釋劑，XY636(三羥甲基丙烷三縮水甘油醚)屬于三官能度高性能活性稀釋劑。5種活性稀釋劑均含有環(huán)氧基團(tuán)，可參與固化反應(yīng)，最后成為固化產(chǎn)物三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一部分。由于5種稀釋劑均可參與固化反應(yīng)，其對固化產(chǎn)物性能的不利影響遠(yuǎn)小于非活性稀釋劑，同時(shí)具有不揮發(fā)、更環(huán)保的特性。

2.2.1 稀釋劑對環(huán)氧膠黏體系黏度的影響

將不同種類稀釋劑以不同摻量摻入低黏度環(huán)氧樹脂H1中，混合均勻后，在23 ℃下測試環(huán)氧膠黏體系的黏度，結(jié)果見圖1。

從圖1可看出：稀釋劑的摻入可大幅降低環(huán)氧膠黏體系的黏度，但隨著稀釋劑摻量的增大，膠黏體系黏度的下降趨勢放緩。從稀釋效果來看，最好的是丁基縮水甘油醚XY501A，最差的是三羥甲基丙烷三縮水甘油醚XY636。總體來說，單官能度活性稀釋劑的稀釋效果較好，官能度高的稀釋劑的稀釋效果較差。原因是單官能度活性稀釋劑的摻入，使環(huán)氧膠黏的分子鏈間距增大，導(dǎo)致分子間作用力減小，內(nèi)摩擦阻力也減小，黏度下降；而多官能度稀釋劑本身含有多個(gè)官能團(tuán)，與主體環(huán)氧樹脂的分子間作用力更大，因而其稀釋效果較差。

圖1 不同稀釋劑對環(huán)氧膠黏體系黏度的影響

2.2.2 稀釋劑對固化產(chǎn)物拉伸性能的影響

將混合均勻的膠黏劑放在23 ℃環(huán)境中固化7 d后，測試其拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 不同稀釋劑對環(huán)氧膠黏體系拉伸強(qiáng)度的影響

圖3 不同稀釋劑對環(huán)氧膠黏體系斷裂伸長率的影響

從圖2可看出：隨著稀釋劑摻量的增大，固化產(chǎn)物的拉伸強(qiáng)度下降，其中單官能度稀釋劑下降尤為明顯，其次是雙官能度稀釋劑，影響最小的是多官能度稀釋劑。這是因?yàn)橄♂寗┕倌軋F(tuán)越多，形成的固化產(chǎn)物交聯(lián)密度越大，力學(xué)強(qiáng)度越好。雖然單官能度稀釋劑的稀釋效果優(yōu)異，但對力學(xué)性能的影響太大，尤其是XY748和XY501A。這是由于其為線性分子結(jié)構(gòu)，分子鏈柔性較好，同時(shí)與固化體系交聯(lián)密度低，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降明顯。為滿足橋面基層處理劑力學(xué)強(qiáng)度要求，不宜選用XY748和XY501A稀釋劑。XY636稀釋劑雖然對力學(xué)強(qiáng)度的影響較小，但其降黏效果一般，考慮到裂縫修復(fù)膠黏劑需具有良好的修復(fù)效果，尤其在低溫下要具有較低的黏度，故不考慮選用XY636稀釋劑。XY692稀釋劑雖然是單官能度稀釋劑，但其分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，剛性大，故采用XY692稀釋劑的固化產(chǎn)物的力學(xué)強(qiáng)度較高。

鑒于橋面受振動荷載的影響較大，橋面環(huán)氧基層處理劑應(yīng)具有一定的柔韌性，參考ASTM C881中相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，固化產(chǎn)物的斷裂伸長率應(yīng)大于30%。從圖3可看出：所有稀釋劑的摻入均使固化產(chǎn)物的斷裂伸長率增大，其中效果最好的是XY748。XY748屬于長鏈分子結(jié)構(gòu)，柔性好，斷裂伸長率大。

綜合比較各種稀釋劑的降黏效果、對拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率的影響，單官能度稀釋劑XY692更適合用于對基體樹脂進(jìn)行降黏。后續(xù)試驗(yàn)采用XY692稀釋劑對基體樹脂進(jìn)行稀釋，摻量為30%。

2.3 固化劑

采用H1自制樹脂作為基體樹脂，摻入摻量為30%的XY692，混合均勻，制成環(huán)氧樹脂A劑，再摻入4種不同類型低黏度固化劑(改性脂肪胺593、改性脂環(huán)胺MFA-75、改性芳香胺WL-2、自制改性雜胺G1)進(jìn)行試驗(yàn)，測試23 ℃環(huán)境下混合物的黏度、固化體系的適用期及23 ℃、7 d固化條件下拉伸性能和黏結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 不同固化劑對環(huán)氧膠黏體系性能的影響

從表3可看出：綜合考慮適用期、黏度及拉伸性能，自制改性胺固化劑G1的綜合性能最優(yōu)，黏度僅為90 mPa·s，適用期為52 min，23 ℃、7 d固化后拉伸強(qiáng)度為30.5 MPa，斷裂伸長率為30%，與砼正拉黏結(jié)強(qiáng)度為4.0 MPa，且砼內(nèi)聚破壞，符合環(huán)氧基層處理劑的技術(shù)要求,故采用改性胺固化劑G1。

通過上述對不同組分的分析與選擇，最終確定表4所示滲透修復(fù)型環(huán)氧基層處理劑A、B組分的配方，A組分∶B組分=3∶1(質(zhì)量比)。

表4 滲透修復(fù)型環(huán)氧基層處理劑A、B組分的配方

3 應(yīng)用實(shí)例

湖北某大橋是跨越長江的重要節(jié)點(diǎn)工程，大橋及連接線全長39 km，屬于預(yù)制拼裝砼橋梁。由于施工階段存在臨時(shí)開孔、細(xì)微裂縫等問題，同時(shí)由于橋面板接縫處砼剛性防水性能偏弱，節(jié)段接縫處存在滲水隱患。為此，采用滲透修復(fù)型環(huán)氧基層處理劑對橋面砼基層進(jìn)行處理。主要施工工藝如下：

(1) 基面處理。使用拋丸機(jī)或采用人工打磨方式對需涂刷基層處理劑的區(qū)域進(jìn)行打磨，清除各種污漬與浮漿。

(2) 配制環(huán)氧基層處理劑。為保證A、B組分充分反應(yīng)，使其性能最佳，環(huán)氧基層處理劑必須按比例稱量，并使用電動攪拌機(jī)攪拌至完全混合均勻。配置量根據(jù)各段施工區(qū)域面積計(jì)算確定。

(3) 涂刷環(huán)氧基層處理劑。為保證橋面排水口、轉(zhuǎn)角等處的有效黏結(jié)，先用毛刷涂刷橋面排水口、轉(zhuǎn)角等處，其余部分采用滾筒進(jìn)行均勻涂布。環(huán)氧基層處理劑用量按500 g/m2控制，不得堆積與漏涂。對于節(jié)段接縫處及橋面開孔處，應(yīng)在其周邊不小于500 mm的范圍內(nèi)進(jìn)行環(huán)氧基層處理劑涂布，以保證工程質(zhì)量。

(4) 撒布石屑。為更好地與上部防水層黏結(jié)，基層處理劑施工完成后，立即在其可操作時(shí)間(約30 min)內(nèi)將0.6～1.18 mm粒徑石屑均勻撒布至環(huán)氧基層處理劑表面，撒布率為75%。可采用人工撒布或機(jī)械自動撒布方式。

(5) 養(yǎng)護(hù)。環(huán)氧基層處理劑施工完成后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)并保護(hù)其表面，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于12 h，同時(shí)嚴(yán)禁各種車輛行駛和行人踩踏。養(yǎng)護(hù)期間，如遇下雨，使用塑料薄膜覆蓋。

養(yǎng)護(hù)1 d后，對施工部位進(jìn)行鉆孔拉拔試驗(yàn)。隨機(jī)選擇3個(gè)測點(diǎn)，使用鉆機(jī)鉆孔，孔徑為50 mm；將鋼制圓形拉拔頭用AB膠黏結(jié)于環(huán)氧基層處理劑表面，使用黏結(jié)強(qiáng)度拉拔儀進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。3個(gè)測點(diǎn)的拉拔強(qiáng)度實(shí)測值分別為3.65、3.25、3.46 MPa，平均值為3.45 MPa，大于規(guī)范要求的1.7 MPa，且全部為砼內(nèi)聚破壞。

施工完畢至今已近2年，未發(fā)現(xiàn)節(jié)段接縫處和橋面臨時(shí)開孔處開裂或漏水情況，整體運(yùn)行狀況良好。

4 結(jié)論

(1) 相對于普通雙酚A型環(huán)氧樹脂和普通雙酚F型環(huán)氧樹脂，自制的環(huán)氧樹脂H1在保證固化產(chǎn)物力學(xué)強(qiáng)度的前提下，能有效降低環(huán)氧膠黏體系的黏度，適宜用于環(huán)氧基層處理劑制備。

(2) 稀釋劑能有效降低環(huán)氧膠黏體系的黏度，其中單官能度稀釋劑的降黏效果明顯，力學(xué)強(qiáng)度下降也十分顯著。多官能度稀釋劑的降黏效果差，對固化產(chǎn)物力學(xué)強(qiáng)度的影響不大。芐基縮水甘油醚雖然屬于單官能度稀釋劑，但由于其分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，其降黏效果顯著，還能有效降低稀釋劑對固化產(chǎn)物力學(xué)強(qiáng)度的影響。

(3) 最終制得的環(huán)氧基層處理劑的初始混合黏度僅為90 mPa·s，力學(xué)性能也符合各項(xiàng)要求，適用于橋面砼基層處理及修復(fù)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，它能保證橋面防水層的黏結(jié)，阻斷橋面砼被水侵蝕破壞，防水效果顯著。