一種水工鋼閘門用環(huán)氧砂漿墊料

蔡浩浩，萬(wàn)雄衛(wèi)，周志勇，肖 皓

（1.武大巨成結(jié)構(gòu)股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.武漢大學(xué)建筑物檢測(cè)與加固教育部工程研究中心，湖北 武漢 430072）

一種水工鋼閘門用環(huán)氧砂漿墊料

蔡浩浩1，萬(wàn)雄衛(wèi)1，周志勇2，肖 皓1

（1.武大巨成結(jié)構(gòu)股份有限公司，湖北 武漢 430223；2.武漢大學(xué)建筑物檢測(cè)與加固教育部工程研究中心，湖北 武漢 430072）

提供了一種壓縮強(qiáng)度較高、黏度較低的水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料，研究了該墊料的工藝性、粘接性和耐濕熱老化性。結(jié)果表明，當(dāng)壓縮強(qiáng)度達(dá)到100 MPa時(shí)，自制固化劑配方的環(huán)氧砂漿混合黏度為6 000 mPa·s；7 d常溫養(yǎng)護(hù)下的相對(duì)最大伸長(zhǎng)率為0.65%，拉伸粘接強(qiáng)度為3.5 MPa；90 d濕熱老化剪切強(qiáng)度為21.9 MPa，濕熱老化降低率為9.9%。

環(huán)氧砂漿；高壓縮強(qiáng)度；高流動(dòng)性；濕熱老化

環(huán)氧砂漿是一種特殊的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，因其具有較高的壓縮強(qiáng)度、高模量以及抗沖擊性能等，常用于水利水電工程建設(shè)中。水工鋼閘門墊料一般為環(huán)氧砂漿體系，普通環(huán)氧砂漿材料可以滿足壓縮強(qiáng)度大于90 MPa的設(shè)計(jì)要求，但是流動(dòng)性較差，當(dāng)水工鋼閘門安裝縫隙小于5 mm時(shí)，傳統(tǒng)的環(huán)氧砂漿材料無(wú)法灌注完全，不能保證施工質(zhì)量[1]。

本研究提供了一種水工鋼閘門環(huán)氧砂漿[2]墊料的制備方法和性能研究，該環(huán)氧砂漿能夠在保證較好流動(dòng)性的情況下同時(shí)滿足壓縮強(qiáng)度大于90 MPa的設(shè)計(jì)要求，并且具有較好的耐濕熱老化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

環(huán)氧樹(shù)脂（E-51），巴陵石化環(huán)氧樹(shù)脂廠；環(huán)氧增韌劑、稀釋劑692，湖北綠色家園精細(xì)化工股份有限公司；硅烷偶聯(lián)劑（KH560、KH550），湖北武大有機(jī)硅新材料股份有限公司；低黏度改性胺類固化劑（JCH），實(shí)驗(yàn)室自制；異佛爾酮二胺（IPDA），煙臺(tái)萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；間苯二甲胺（MXDA），德國(guó)巴斯夫中國(guó)公司；固化劑593，廣州晟固化工有限公司；400目（38 μm）滑石粉、400目（38 μm）重鈣，江陰市廣源超微粉有限公司；400目（38 μm）硅微粉，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司；粉煤灰，焦作德利匯商貿(mào)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

RGM-100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；TJ-10型碳纖維粘接強(qiáng)度檢測(cè)儀，煤炭科學(xué)研究總院；DIL402PC型 線 脹 系 數(shù) 檢 測(cè) 儀 ， 德 國(guó)NETZSCH公司；NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；高低溫試驗(yàn)箱，東莞市科文試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 制備方法

取一定量的E-51、環(huán)氧增韌劑、稀釋劑692、一定量的填料和KH560，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍缓箪o置排泡，即制得環(huán)氧砂漿A組分。

取一定量的固化劑、填料和KH550，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颍缓箪o置排泡，即制得環(huán)氧砂漿B組分。

將制備好的A組分和B組分按比例混合，即得到一種水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料。

1.4 性能測(cè)試

（1）環(huán)氧砂漿的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度：按照GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試（成型后室溫下養(yǎng)護(hù)7 d）。

（2）環(huán)氧砂漿與鋼材的粘接拉伸強(qiáng)度：采用碳纖維粘接強(qiáng)度檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試（在打磨光滑的鋼材表面上澆注一層厚度為3 mm的砂漿層，室溫下養(yǎng)護(hù)7 d）。

（3）線脹系數(shù)：采用線脹系數(shù)檢測(cè)儀測(cè)試并計(jì)算（將混合后的環(huán)氧砂漿液注入到5 mm×5 mm×25 mm的硅膠模具中，室溫下養(yǎng)護(hù)7 d）。

（4）黏度：按照GB/T 10247—2008《黏度測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)試（室溫）。

（5）耐濕熱老化試驗(yàn)：按照GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性能鑒定技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填料對(duì)環(huán)氧砂漿性能的影響

自制固化劑JCH為脂肪族胺類和脂環(huán)族胺類的混合固化劑，具有黏度較低、粘接強(qiáng)度較高和模量較大等特點(diǎn)。E-51和該固化劑按照質(zhì)量比4∶1配制成純膠液體系，25 ℃黏度為1 000 mPa·s；膠體固化后室溫養(yǎng)護(hù)7 d，粘接強(qiáng)度超過(guò)3.5 MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)85 MPa以上。

向純膠液體系中增加填料可以提高膠體的壓縮強(qiáng)度，常用的結(jié)構(gòu)膠填料有硅微粉、粉煤灰、重鈣和滑石粉。本實(shí)驗(yàn)用硅微粉、粉煤灰、重鈣和滑石粉作為填料，討論填料對(duì)環(huán)氧砂漿壓縮強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：加入不同填料可以不同程度提高環(huán)氧砂漿壓縮強(qiáng)度，其中硅微粉的效果相對(duì)最為明顯，重鈣次之，且4種不同填料添加比例對(duì)壓縮強(qiáng)度也有很大影響。隨著填料含量的增加，混合后環(huán)氧砂漿膠液黏度增大，流動(dòng)度減小[3，4]（如圖2所示）。為了滿足較強(qiáng)的流動(dòng)性要求，同時(shí)保證較高的壓縮強(qiáng)度，選擇硅微粉作為環(huán)氧砂漿的填料，填料量為每100 g環(huán)氧樹(shù)脂中添加60 g。

2.2 不同固化劑對(duì)環(huán)氧砂漿性能的影響

不同固化劑按照推薦用量配制成環(huán)氧砂漿，填料按每100 g樹(shù)脂的60 g加入液料中，成型養(yǎng)護(hù)后測(cè)線脹系數(shù)、相對(duì)最大伸長(zhǎng)率和粘接拉伸強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

圖1 填料對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of fillers on compressive strength

圖2 填料對(duì)混合后黏度的影響Fig.2 Effect of fillers on viscocity after mixing

表1 不同固化劑配方的環(huán)氧砂漿性能Tab.1 Performance of epoxy mortars with different curing agents

環(huán)氧樹(shù)脂線脹系數(shù)一般在6×10-5（1/℃）左右，加入一定量的無(wú)機(jī)填料可以降低線脹系數(shù)，并且不同固化劑配方的環(huán)氧砂漿線脹系數(shù)略有不同[5]。由表1可知：具有相對(duì)最高熱變形溫度的固化劑MXDA和固化劑IPDA之線脹系數(shù)較小，其次是自制固化劑JCH和固化劑593，各個(gè)數(shù)值相差不大，但相對(duì)于鋼材的11×10-6（1/℃）左右[1]，仍然是其3～4倍的量級(jí)。

水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料基材一般為鋼結(jié)構(gòu)，環(huán)氧砂漿對(duì)鋼體基材的粘接強(qiáng)度和在不同溫度下的線脹系數(shù)是決定長(zhǎng)期使用性能的2個(gè)重要因素。以上4種環(huán)氧砂漿都具有5.4 MPa以上拉拔強(qiáng)度和0.45%以上的相對(duì)最大伸長(zhǎng)率，相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，具有較高的柔性，由于閘門墊料主要用于填充鋼結(jié)構(gòu)之間的間隙，在實(shí)際使用中環(huán)氧砂漿因溫度變化而發(fā)生膨脹或收縮時(shí)大多只受到垂直方向的應(yīng)力。雖然環(huán)氧砂漿線脹系數(shù)是鋼結(jié)構(gòu)基材的3～4倍，但環(huán)氧砂漿較高的伸長(zhǎng)率和粘接強(qiáng)度可以保證粘接界面上的環(huán)氧砂漿和鋼材具有較好的匹配度，從而保證長(zhǎng)期使用下不會(huì)出現(xiàn)基材開(kāi)裂或砂漿剝離等現(xiàn)象[6]。

上述4種固化劑都能滿足水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料性能要求，因自制固化劑具有更低的成本和較好的使用性能，故優(yōu)選自制固化劑配方的環(huán)氧砂漿應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目。

2.3 環(huán)氧砂漿耐濕熱老化性能測(cè)試

水工鋼閘門墊料常用于水壩、水庫(kù)等自然環(huán)境下，雖然封閉于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但仍然不能避免日曬高溫和水汽的侵蝕，環(huán)氧砂漿的耐濕熱老化能力是保證長(zhǎng)期使用性能的重要因素[7]。水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料的耐濕熱老化能力參照GB 50728—2011標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試。

在50 ℃、95% Rh環(huán)境中老化，試驗(yàn)結(jié)束后冷卻至室溫進(jìn)行鋼對(duì)鋼拉伸剪切試驗(yàn)，與室溫下短期試驗(yàn)結(jié)果相比，其抗剪強(qiáng)度降低率和鋼鋼剪切強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 老化時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度和其降低率的影響Fig.3 Effect of aging time on shear strength and its reduction rate

由圖3可知：水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料90 d鋼-鋼剪切強(qiáng)度高達(dá)24.3 MPa，濕熱老化抗剪強(qiáng)度為21.9 MPa，濕熱老化降低率為9.9%，小于國(guó)標(biāo)要求的12%，滿足以混凝土為基材結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)期使用性能鑒定標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)膠的要求。

3 結(jié)論

（1）常用的結(jié)構(gòu)膠填料都可以提高膠體的壓縮強(qiáng)度，其中，硅微粉效果相對(duì)最明顯，優(yōu)選填料比為60，即每100 g樹(shù)脂中添加60 g填料。

（2）環(huán)氧砂漿線脹系數(shù)在（3～4.5）× 10-5（1/℃），遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)的約11×10-6（1 /℃），但環(huán)氧砂漿本身具有較強(qiáng)的柔性，相對(duì)最大伸長(zhǎng)率在0.5%左右，且環(huán)氧砂漿使用部位為鋼構(gòu)件之間，環(huán)氧砂漿與界面材料之間的靜態(tài)作用力為縱向力，可以避免長(zhǎng)期使用下發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)基材與環(huán)氧砂漿剝離等現(xiàn)象。

（3）該水工鋼閘門環(huán)氧砂漿墊料在50℃、90 d的條件下，濕熱老化抗剪強(qiáng)度為21.9 MPa，濕熱老化降低率為9.9%，小于GB 50728—2011中的12%，滿足以混凝土為基材結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)期使用性能鑒定標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)膠的要求。

[1]鄧朝,胡新民,樊啟祥.三峽船閘人字門高強(qiáng)度環(huán)氧填料施工[J].中國(guó)三峽,2003,10(6):40-41.

[2]張利,趙麗麗.環(huán)氧砂漿在混凝土表面補(bǔ)強(qiáng)加固中的應(yīng)用[J].吉林水利,2006,26(11):24-26.

[3]阮征,陳力,洪建,等.骨料和砂漿等影響混凝土強(qiáng)度的細(xì)觀層次機(jī)理分析[J].建筑材料學(xué)報(bào),2014,17(6) :952-958.

[4]張建雋,靳秀芝,韓濤,等.自流平砂漿流動(dòng)性的影響因素研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2014,35 (5):620-624.

[5]李麗,李在興.耐高溫三防澆注絕緣膠的研制[J].絕緣材料,2014,49(3):30-32.

[6]吳神剛.一種低收縮率環(huán)氧樹(shù)脂固化劑的合成及性能研究[D].武漢:武漢工程大學(xué),2015.

[7]王曉潔,梁國(guó)正,張煒,等.濕熱老化對(duì)高性能復(fù)合材料性能的影響[J].固體火箭技術(shù),2006,29(4):301-304.

Abstract：This paper presented a epoxy mortar with high compressive strength and low viscosity for hydraulic steel gates. The processibility, bonding property and hygrothermal aging resistance of the mortar were investigated. The results show that when the compressive strength reaches 100 MPa, the viscosity of the mortar mixed with the self-made curing agent is 6 000 mPa·s; the maximum elongation and the tensile bonding strength of the mortar cured under room temperature for 7 d are 0.65% and 3.5 MPa, respectively. The shear strength is 21.9 MPa after hygrothermal ageing for 90 d , the aging shear strength reduction rate is 9.9%.

Study on performance of epoxy mortar gasket for hydraulic steel gate

CAI Hao-hao1, WAN Xiong-wei1, ZHOU Zhi-yong2, XIAO Hao1
(1.Wuhan Wuda Jucheng Strengthening Industrial Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430223, China; 2.Wuhan University Building Detection and Reinforcement Engineering Research Center of Education Ministry, Wuhan, Hubei 430072, China)

epoxy mortar; high compressive strength; high fluidity; hygrothermal ageing

TQ437+.1

A

1001-5922（2017）09-0054-04

2017-03-24

蔡浩浩（1987-），男，碩士研究生，中級(jí)工程師。研究方向：環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠。E-mail：tsaihow@qq.com。