快速修復材料與既有混凝土協同工作的特性研究

陰 香

(中鐵十九局路橋八公司,遼寧 大連 116100)

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快速修復材料與既有混凝土協同工作的特性研究

陰 香

(中鐵十九局路橋八公司,遼寧 大連 116100)

摘要：為掌握結構混凝土破損修復后的服役性能，進行了快速修復材料與舊混凝土協同工作性能的系統研究。以環氧樹脂、乙二胺、丙酮為基體，設計了快速修復材料；對快速修復材料硬化漿體與既有混凝土的協同工作性，包括抗壓、抗折強度和穩定性等指標，進行了系統研究。結果表明，快速修復混凝土的協同抗壓和抗劈裂性能均得到提高，其中協同抗壓強度最高可提高80%，4 h的收縮值僅為0.095 mm，完全滿足結構混凝土快速修復的要求。

關鍵詞：快速修復材料；既有混凝土；協同工作性；強度；穩定性

隨著現代化進程的不斷推進，以結構混凝土為主的各種建筑物如雨后春筍一般，在全國各地拔地而起。但在看到成就的同時，也要時刻具有未雨綢繆的憂慮意識。如戰時建筑物破壞，和平時期汶川地震及印度海嘯等自然災害會對建筑物造成嚴重破壞。為了爭取戰時、搶救生命，結構混凝土快速修復技術的重要性越來越凸顯，國內外學者圍繞此方面開展了一系列的研究。有的是針對修復工藝的，如司炳君教授[1]帶領團隊研究了鋼筋混凝土橋墩地震破壞后的修復技術，側重點在于針對破壞機理，提出加固方案。張建立[2]研究了橋面快速修復時的支護措施。有的是針對快速修復材料的，如同濟大學的周正峰研制出一種水泥混凝土路面的快速修復材料，組成成分中沒有考慮環氧樹脂。東南大學的錢振東[3]研制了以環氧瀝青為主的橋面鋪裝磨損快速修復材料。楊霞[4]研制了針對伸縮縫的快速修復材料——聚氨酯混凝土。而國外在快速修復材料方面，研制產品的性價比小，如布朗公司[5]研制的一種彈性伸縮縫填充料；Delpatch T和德國巴斯夫公司研制的混凝土WaboCreteⅡ[6]。本文主要以環氧樹脂、乙二胺及丙酮為基體[7-8]，給出了其配合比，主要研究在目前配合比下快速修復材料與既有混凝土的協同工作性能。

1 試件制備

原材料分別為：雙酚A型E-44環氧樹脂(濟南天茂樹脂化工公司)；固化劑乙二胺(天津市凱通化學試劑有限公司)；稀釋劑丙酮，屬于非活性稀釋劑，它能夠降低環氧樹脂的黏度，增加流動性，利于施工；粗集料采用4.75～19 mm混合粒級；細集料細度模數為2.4，且為河砂篩去0.16 mm的部分；填料為水泥；水為自來水。

按致密堆積確定的比例稱量石子、砂和水泥，快速修復材料和普通混凝土的配合比分別如表1所示，在容器內將集料攪拌均勻。試驗前應對環氧樹脂進行水浴(70 ℃)加熱15～20 min后再稱量，便于施工[7-8]，然后稱量丙酮倒入環氧樹脂中攪拌；再稱量乙二胺倒入剛才配好的環氧樹脂和丙酮溶液中，再次攪拌均勻。把攪拌好的環氧樹脂膠凝材料緩慢地倒入裝有集料的容器中攪拌，使集料都被膠體包裹。將攪拌均勻的快速修復材料裝入試模中振蕩成型，振蕩分2次。最后對修復材料表面進行刮平，清理。成型好的試件放入已經調整好溫度的烘箱養護，注意試模要放平，否則容易造成試件表面不平整。拆下模具脫模，脫模可以分為兩種:一種是等快速修復材料表面有一定的強度后拆模養護;另一種是4 h后拆模。試件尺寸：抗壓與劈裂強度試件為150 mm×150 mm×150 mm，彈性模量試件為100 mm×100 mm×300 mm。

2 快速修復材料的粘結性能研究

2.1 與既有混凝土的劈裂抗拉強度研究

混凝土的劈裂抗拉強度是混凝土能否正常服役的重要力學指標，此部分研究了環氧樹脂混凝土對快速修復材料與舊有混凝土的抗劈裂試驗顯示，混凝土破壞都是從舊有混凝土或粘結面破壞，如圖1所示。說明環氧混凝土不僅有比普通混凝土高的劈裂強度，而且能與其共同作用。從表2和表3中數據可以看出，環氧樹脂混凝土與舊有混凝土一起使用提高了它的劈裂抗拉能力，數據中偶爾出現的降低從試驗中看出是粘結的環氧混凝土不密實，導致劈裂時從粘結處斷開。涂有環氧樹脂基液的混凝土試件粘結力較好，有效的提高了舊有混凝土的劈裂強度。

注：快速修復材料的溫度為35 ℃。混凝土劈裂抗拉強度的影響。結果如表2和表3所示。

表2 普通混凝土4 d劈裂荷載 kN

表3 快速修復材料修復舊有混凝土的劈裂數據 kN

圖1 快速修復材料與舊有混凝土劈裂破壞

2.2 與既有混凝土的協同抗壓研究

環氧樹脂混凝土與舊有混凝土的協同抗壓能力非常好，如普通混凝土的標準強度為40 MPa，而協同抗壓的強度最高達到了72 MPa，如表4所示，平均值也比舊有混凝土高了50%以上。同時，進一步研究了快速修復混凝土與舊有混凝土串聯受壓和并聯受壓對強度的影響差異性，即對兩種方式受壓的數據進行方差分析，得出的結論是受壓方式的不同對強度的影響并不顯著，即快速修復材料與舊有混凝土無論是串聯放置還是并聯放置，協同抗壓性能均良好(如表4所示)，且能有效提高普通混凝土的抗壓能力，因為在承受荷載時環氧混凝土有效的分擔了普通混凝土所不能承受的壓力。但它們破壞時是一起破壞，只不過普通混凝土的裂縫要大且多于環氧混凝土，最值得關注的是裂縫沒有在粘結面處產生，如圖2所示。

表4 快速修復材料與舊有混凝土的抗壓數據　MPa

圖2 快速修復材料與舊有材料的抗壓破壞

從圖2可以看出，環氧樹脂混凝土與舊有混凝土在一定的壓應力下一起破壞。兩種混凝土都產生了裂縫，普通混凝土中的裂縫要多于環氧樹脂混凝土。另外，普通混凝土的表面有脫落的現象，而環氧樹脂混凝土裂縫周圍的組織還很密實。將試件串聯時，無環氧基液的和有環氧基液的試件在強度上并沒有顯著區別。另外，試件串聯和并聯對強度影響不顯著。

2.3 與既有混凝土的協同抗折研究

在環氧樹脂混凝土修復既有混凝土的研究中，其抗折性能表現如圖3和表5所示。

圖3 快速修復材料與舊有混凝土的抗折破壞

序號普通混凝土快速修復材料與普通混凝土聯合19.59.529.510312.710412.513.2511.412611.212

目前的數據顯示，修復后的抗折強度沒有明顯下降；更為關鍵的是其抗折破壞發生在既有混凝土(舊混凝土)中，并沒有從環氧樹脂混凝土中破壞。說明所研制環氧樹脂混凝土在抗折性能方面，能夠滿足要求。

3 硬化體體積穩定性的研究

3.1 無荷載條件下

混凝土在硬化過程中產生收縮過大，會嚴重影響其力學性能及新舊混凝土的協同工作性能。采用千分表測量環氧樹脂混凝土在硬化過程中的收縮變化情況。

試驗裝置如圖4所示，其測試結果見表6。

圖4 環氧樹脂混凝土變形測試

時間/h 00.511.522.533.5456702249627585929595959595

環氧樹脂的固化反應放熱，因此在固化初期體積會膨脹，但測量時沒有出現膨脹現象。固化體冷卻后理論上會收縮，本試驗用混凝土收縮膨脹儀測量。從表6中可以計算出，指針在4 h后移動了95格，收縮值僅為0.095 mm。4 h后，千分表指針不動，可見環氧樹脂固化后體積穩定性相當好，它不會因為冷卻而發生收縮，因此環氧樹脂混凝土在加載前不會因收縮產生拉應力，保證了與舊有混凝土的粘結性。

3.2 受荷載條件下

環氧樹脂的硬化過程不會產生較大的收縮，說明其在硬化過程中不會產生較大的拉應力，有利于其與混凝土間的粘結。而受載條件下，如果要保證環氧樹脂混凝土具有較好的體積穩定性，就必須要求環氧樹脂與混凝土基體具有較為接近的力學指標——彈性模量。

3.2.1 環氧樹脂混凝土彈性模量

二相復合材料的彈性模量與其組分含量及組分各自彈性模量大小有關。相對于石英和石灰石而言，水泥石及樹脂固化體的彈性模量均較低，所以根據U.J.Counto模型，軟基體二相復合材料的彈性模量模型更為適合普通混凝土及樹脂混凝土的彈性模量。其彈性模量為：

(1)

式中:Ec為二相復合材料的彈性模量(GPa)；Ep為分散相彈性模量(GPa)；Em為連續相彈性模量(GPa)；Vp為分散相體積率。

由上式可見，欲提高軟基體二相復合材料的彈性模量，需提高基體相彈性模量，同時降低基體相體積率，提高分散相體積率。具體到樹脂混凝土，就是要降低樹脂用量，提高骨料用量。本研究采用致密堆積理論進行修復材料配合比設計，可以從最大程度上降低填充空隙的樹脂用量，提高骨料用量，對提高修復材料的彈性模量，具有良好的作用。由此式計算出環氧樹脂混凝土的彈性模量為12.4 GPa。

3.2.2 測定環氧樹脂的靜力受壓彈性模量

試件的設計使用正交設計選出的最優配合比。其中3組用來測軸心抗壓強度，如表7所示，另外3組用來測彈性模量，如表8所示。如果變形值之差與它們的平均值之比小于20%時，應以相同的速率卸載，并進行一次預壓。預壓結束后正式記錄數據。如果變形值之差與平均值之比大于20%時，應重新對中試件后重復試驗。

表7 軸心抗壓強度 MPa

表8 彈性模量測定數據

計算結果與普通混凝土的彈性模量相比，數量級相同，基本可以認為快速修復材料與普通混凝土能夠協同工作。快速修復混凝土的彈性模量比普通混凝土要低一點，這是由于環氧樹脂的固化反應生成物的彈性模量較水泥漿體的彈性模量低，彈性模量的降低，在改善變形協調性方面是有利的，如在變溫條件下對應力的吸收，可以一定程度上減少干縮裂縫和溫度裂縫的形成[9-10]。

4 機理分析

從環氧混凝土抗壓強度的試驗來看，試驗時存在與普通混凝土不同的現象。試件在最后階段承受壓力的情況下產生了變形，由此可見環氧樹脂混凝土具有很好的韌性，在進行的抗壓試驗中，即使試件強度達到90 MPa，也不會產生崩裂脫落。快速修復材料的受壓破壞都是集料中的石子受到相互的擠壓破壞，環氧樹脂膠凝材料與集料粘結面沒有脫落，環氧樹脂膠凝材料的彈性變形促使集料之間相互擠壓破碎。破壞過程分為：彈性變形、集料擠壓破碎、膠凝材料破壞。

試驗時，裂縫都從舊有混凝土中產生，由此說明環氧樹脂混凝土的抗折、劈裂強度比普通混凝土要高。在相同荷載情況下，破壞的當然是舊有的混凝土。試驗數據可知，環氧樹脂混凝土的強度高達70 MPa，而舊有混凝土的強度為40 MPa。抗壓破壞時，兩者一起破壞，只是舊有混凝土中的裂縫要大且多于環氧樹脂混凝土。環氧樹脂混凝土與舊有混凝土一起并聯抗壓時，由于有相近的彈性模量，破壞時能夠一起破壞。

5 結論

本文通過大量的試驗，對作為快速修復材料的環氧樹脂混凝土與既有混凝土的協同工作性能做了系統研究，主要得出以下結論：

(1)由環氧樹脂(E-44)、固化劑乙二胺、稀釋劑丙酮和集料所組成的快速修復材料混合料能滿足4 h內強度達到50 MPa以上的快速修復施工需要。

(2)環氧樹脂混凝土彈性模量與普通混凝土的數量級一致。

(3)快速修復材料能提高舊有混凝土的劈裂抗拉、抗折的能力；與舊有混凝土一起抗壓時，裂縫不會從粘結面上發生，具有協同工作性。

參考文獻

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An Exploration into the Cooperative Performance of the Quick Repairing Materials with the Existing Concrete

Yin Xiang

(8th Road and Bridge Company of the 19th Bureau of China Railway,Dalian 116100,China )

Abstract:Aiming at better understanding the service performance of the repaired structural concrete after it was damaged,a systematic study of the cooperative performance of the quick-repairing materials with the existing concrete is carried out. Based on epoxy resin,ethidene diamine and acetone,a new-type quick-repairing material is designed in the paper.The cooperative performance of the hardened mortar body made out of the quick-repairing materials with the existing concrete, including the compressive strength, rupture strength and stability,is studied in a systematic way.The results show that the cooperative compressive strength and rupture strength of the quick-repairing materials are all improved,with the cooperative compressive strength increased as much as 80%.The 4-hour shrinkage value is only 0.095 mm.All the targets show that the quick-repairing materials can meet the the quick-repairing requirements for the structural concrete.

Key words:quick-repairing materials;cooperative performance of the existing concrete;strength;stability

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)02-0019-05

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.005

作者簡介：陰香(1977—)，女，工程師，主要從事高速鐵路預制箱梁和城市軌道交通專業的試驗工作

收稿日期：2015-12-07