水性環氧砂漿修復混凝土的黏接界面性能

劉志偉，張 雷，王中林，竇國競，黃飛亞

（1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

0 研究背景

近年來，大量混凝土結構基礎設施隨著時間的推移產生嚴重的沖刷磨蝕破壞，很多已經滿足不了正常使用要求，甚至已經低于安全要求，必須對原有混凝土進行必要的修復加固。環氧類材料以其優異的黏結性能、良好的力學性能等特點被廣泛應用于該領域，成為結構加固修補工程中最為重要的建筑材料之一[1]。水性環氧砂漿與基底混凝土之間的黏結強度對結構加固修復的質量至關重要，直接影響到加固結構的整體質量，必須根據具體工程實際采用合適、簡單可靠的表面處理方法。有關改性砂漿和混凝土界面黏結抗拉強度和黏結抗剪強度已有不少研究[2]，包括黏結面的處理方法、粗糙度、試驗方法[3-7]及界面劑的品種和使用[8-10]。基底混凝土的表面干濕狀況、粗糙程度、水性環氧基液和水性環氧砂漿的熱膨脹系數對黏結質量的影響很大，亟需根據修復技術工藝，設計實驗方案開展專項研究。本文以改性砂漿與混凝土界面為研究對象，通過開展不同界面劑、粗糙度及干濕條件下的黏結特性研究，探索各因素對黏接性能的影響規律，為水性環氧砂漿在水利工程中的應用提供參考。

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原材料

制作水性環氧砂漿所需原材料一般包括環氧樹脂乳液、水泥和砂。選用上海漢中化工有限公司生產的水性環氧樹脂體系，環氧樹脂乳液由環氧樹脂H123A（A組分）、環氧固化劑H123B（B組分）和水按一定比例配制，環氧樹脂為固化劑乳化型液態樹脂，其相關參數見表1。

表1 水性環氧樹脂體系技術指標Table 1 Technical index of waterborne epoxy resin system

常見的用于改性砂漿中的水泥是普通硅酸鹽水泥，當工程有特殊要求時會用到其它類型水泥。試驗旨在對水性環氧砂漿的黏結性能做全面的分析，而不需要其具備某種特性，因此采用42.5級普通硅酸鹽水泥制作水性環氧砂漿，水泥砂漿力學性能見表2。改性砂漿中的拌合用砂，常見的有河砂、人工砂和標準砂。試驗采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的標準砂作為改性砂漿拌合用砂。

表2 P.O 42.5水泥砂漿力學性能Table 2 Mechanical properties of P.O 42.5 cement mortar

試驗中基底混凝土試件統一采用灌漿料制作。灌漿料一般由水泥結合劑、石英砂骨料和改性物質配制而成，相較于普通混凝土，灌漿料具有早強、高強和使用方便等特點。考慮到部分基底混凝土試塊會在冬季制作和養護，為保證混凝土自身的強度，選擇青島卓能達建筑科技有限公司生產的標準型灌漿料和超高強型灌漿料作為原材料，28 d齡期抗壓強度分別為60 MPa和80 MPa，符合《環氧樹脂砂漿技術規程》（DL/T 5193—2004）中對于基底混凝土強度的要求。

1.2 試件成型

（1）將1份環氧和1.3份固化劑組分按配比倒入拌料容器，攪拌均勻至白色牙膏狀的黏稠物，再分3次加入2.5份的水，攪拌均勻至白色牛奶狀的乳液。根據配合比稱取一定量的水泥和砂攪拌均勻，將水性環氧乳液倒入填料中并采用手動攪拌的方式進行攪拌，用拌料鏟進行翻轉、碾壓和攪拌，至拌和料顏色均勻且無結塊存在。整個拌和過程在5 min內完成。改性砂漿的力學性能見表3。

表3 水性環氧砂漿抗壓強度和抗折強度表Table 3 Compressive strength and flexural strength of epoxy modified mortar

（2）參照《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2020），選用標準型灌漿料，水灰比0.12，采用振動臺振實方式成型基底混凝土試塊，1 d拆模后放入（20±3）℃、相對濕度90%以上的標準養護室中養護28 d。

（3）制作黏結抗拉試件時，基底塊黏結面預先做干濕處理，濕潤界面的處理方式為提前將基底塊放水里浸泡48 h以上，取出后擦干表面明水，使用鋼絲刷刷洗干凈。干燥界面的處理方式為在烘箱中用80 ℃烘2 h，取出后冷卻至室溫。澆筑環氧砂漿的邊界需要預先切槽，槽寬和槽深約2 mm，需要粗糙處理的試件用石材切割機劃出深1 mm左右的條紋，如圖1和圖2所示。在基底混凝土塊黏結界面處涂上薄而均勻的界面劑并靜置2～3 min。

圖1 混凝土表面切槽處理Fig.1 Grooving on concrete surface

圖2 混凝土表面粗糙處理Fig.2 Rough treatment of concrete surface

試驗采用兩種形式的黏結試件，方形黏結試件和長“8”字形黏結試件。方形黏結試件的制作方式為：在基底塊上部安裝40 mm×40 mm×10 mm的試模，一次性裝入改性砂漿，24±2 h后拆模，自然養護至規定齡期測試黏結強度；長“8”字形黏結試件的制作方式為：將半個長“8”字形混凝土塊放入涂有脫模劑的長“8”字形試模中，涂過乳液后將環氧砂漿分兩層澆入余下的半個長“8”字模內，插搗并抹平表面，24±2 h后拆模，自然養護至規定齡期測試黏結強度。

1.3 黏結試件

現場測試時，先使用空心鉆機在水性環氧砂漿涂層上垂直切出一個Ф50 mm的圓形待測面，將待測面部分的修復砂漿與周圍砂漿分離，透過水性環氧砂漿涂層切割深入混凝土層5～10 mm，之后用快速強力膠黏劑把Ф50 mm的拉頭黏結到砂漿待測面上。現場試驗時把黏結拉頭連接到拉拔儀上。為更好地模擬現場測試環境，試驗采用方形黏結試件進行直接拉伸試驗，試驗裝置如圖3所示，抗拉強度試驗按照《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》（DL/T 5126—2001）進行。

圖3 方形黏結試件直接拉伸試驗裝置圖Fig.3 Diagram of direct tensile test device for square bonded specimen

國內檢驗黏結抗拉強度的試件形式多為“8”字形試件，而在試驗中發現，“8”字形試件在拉伸過程中可能會出現扭、偏動，產生一定的彎矩，從而導致腰部位置出現應力集中現象，測出的黏結強度值離散性大。為避免應力集中現象，在“8”字形試件基礎上進行改進。在試件腰部位置增加一直線段，長度為100 mm，寬度為25 mm，厚度為25 mm，如圖4所示。

圖4 長“8”字形黏結試件Fig.4 Long “8” shaped bonded test piece

1.4 黏結抗拉強度測定

黏結抗拉強度按下式計算：

式中：σt為試件抗拉強度，MPa；P為破壞荷載，N；A為黏接面積，mm2。

每個編號的試件制作6個，在6塊試件測值中，剔除最大最小2個，以其余4個測值的平均值，作為該組試件混凝土黏結強度的試驗結果。

2 結果與討論

2.1 方形黏結試件抗拉強度

方形黏結試件抗拉強度測試結果見表4。

表4 方形黏結試件抗拉試驗結果Table 4 Tensile test results of square bonded specimens MPa

從表4可以看出，無論試件采用何種黏結面處理方式，整體而言，使用水泥凈漿作為界面劑對改性砂漿-混凝土黏結性能提升最大，使用環氧乳液作為界面劑與無界面劑時的界面黏結強度相差不大，甚至在Ⅱ型面、濕潤表面出現了黏結強度降低的現象。以無界面劑、干燥狀態下的Ⅰ型黏結面試件抗拉強度為基準，涂抹水泥凈漿界面劑后強度提升了49%，而涂抹環氧乳液界面劑后黏結強度僅僅提升了 27%。在濕潤的Ⅱ型黏結面涂抹環氧乳液作為界面劑時，黏結強度不升反降，為不涂界面劑的78%。原因可能是：試驗中的乳液摻量較大，濕潤狀態下，基底混凝土黏結界面表層存在水膜，導致環氧乳液難以滲透到基底混凝土表面孔隙中去，有自動脫離表面的現象。此外，環氧乳液界面劑不易與混凝土進行黏結，黏結面處出現孔洞現象，導致改性砂漿-混凝土結合面抗拉強度較低。

基底混凝土表面干燥時，經過粗糙處理過的Ⅱ型面黏結強度均高于Ⅰ型面，原因是粗糙處理后混凝土表面與新澆筑的水性環氧砂漿的接觸面積增加，通過增強改性砂漿與混凝土間的主要黏結力，即機械咬合力來提高整體結構的黏結性能。此外，基底混凝土表面粗糙處理后黏結性能雖有提高，但提升幅度不大，使用不同種類界面劑時，較Ⅰ型面增長的最大值僅為39%。基底混凝土表面濕潤時，涂抹環氧乳液界面劑的Ⅱ型黏結處理面試件抗拉強度與Ⅰ型面試件相差不大，原因可能是：環氧乳液與基底混凝土的接觸改善了黏結界面的粗糙度，使得改性砂漿與基底混凝土間的機械咬合力降低。圖5為Ⅰ型面與Ⅱ型面抗拉試件拉斷面。

圖5 Ⅰ型面與Ⅱ型面黏結抗拉試件拉斷面Fig.5 Tensile section of bonded tensile test piece between type Ⅰ surface and type Ⅱ surface

無論對于Ⅰ型黏結面還是Ⅱ型黏結面，界面處于干燥狀態時黏結效果明顯優于濕潤界面，且不難看出，在使用環氧乳液作為界面劑時，基底混凝土干濕情況對抗拉強度影響較大。此時，干燥處理后的Ⅰ型面試件相較于濕潤界面，改性砂漿抗拉強度提升93%；干燥處理后的Ⅱ型面試件相較于濕潤界面，改性砂漿抗拉強度提升160%。干燥狀態下，在基底混凝土表面涂一層環氧乳液，原本的干燥表面會吸收部分乳液進入多孔隙基底混凝土中，有助于環氧乳液滲透，而環氧乳液界面劑又有利于改性砂漿的保水，使黏結面附近的水泥充分水化；濕潤狀態下，混凝土表層的水膜阻礙了乳液滲透，從而影響了改性砂漿的黏結效果。

2.2 長“8”字形黏結試件抗拉強度

長“8”字形黏結試件抗拉強度測試結果見表5。

表5 長“8”字形黏結試件抗拉試驗結果Table 5 Tensile test results of long “8” shaped bonded specimens MPa

從表5可以看出，在長“8”字形黏結試件抗拉試驗中，界面劑黏結效果最好的是環氧乳液，其次是水泥凈漿和無界面劑，以無界面劑下表面干燥的Ⅰ型面試件抗拉強度為基準，涂抹水泥凈漿界面劑和環氧乳液界面劑后強度分別提高23%和114%。

無論對于Ⅰ型面還是Ⅱ型面黏結試件，干燥界面的抗拉強度均高于濕潤界面。同樣地，在使用環氧乳液作為界面劑時，基底混凝土干濕情況對抗拉強度影響較大。而根據俞亮[11]的改性砂漿黏結拉拔試驗，在濕潤界面條件下，改性砂漿黏結拉拔強度值高于干燥界面條件下的黏結拉拔強度值。出現這種差異可能是因為：當改性砂漿中的乳液摻量較小時，改性砂漿中的水份被干燥的基底混凝土表面吸收，導致界面處的改性砂漿水灰比有所降低。由于水份過早喪失，靠近黏結面的水泥水化反應進行得不充分，對結合面黏結強度產生一定的影響。而基底混凝土濕潤界面表層水膜的存在阻礙了基材吸收砂漿中的水份，避免了靠近黏結面處改性砂漿水份流失，有利于此處水泥的水化反應，保證了黏結面附近水泥硬化后的強度，因此黏結力較干燥表面有所提高。本文中使用的水性環氧砂漿乳液摻量為21%，屬于高聚灰比改性砂漿。基面濕潤狀態下，混凝土表層的水膜阻礙了環氧乳液向基底混凝土表面的孔隙滲透，從而影響了界面黏結強度。

不論黏結界面是干燥還是濕潤，Ⅱ型黏結處理面試件黏結抗拉強度均高于Ⅰ型面。基底混凝土表面粗糙處理后雖然黏結強度有所提升，但幅度不大。例如，以Ⅰ型干燥界面改性砂漿-混凝土黏結試件為基準，無界面劑、水泥凈漿和環氧乳液界面劑下Ⅱ型面黏結試件分別提高64%、52%、30%。圖6為Ⅰ型面與Ⅱ型面黏結抗拉試件拉斷面。

圖6 Ⅰ型面與Ⅱ型面黏結抗拉試件拉斷面Fig.6 Tensile section of bonded tensile test piece between type Ⅰ surface and type Ⅱ surface

在進行改性砂漿與混凝土的黏結試驗時，幾乎所有的試件都在砂漿與混凝土的結合面附近的區域破壞，這一破壞區域，叫做界面過渡區，它是改性砂漿與混凝土黏結后的薄弱區。界面過渡區的缺陷是導致過渡區改性砂漿力學性能大幅降低的直接原因，此外，基底混凝土的水泥幾乎完全水化，失去活性，導致界面過渡區黏結力薄弱。

3 結 論

針對混凝土結構補強加固過程中改性砂漿-混凝土黏結面這個薄弱環節，進行改性砂漿和混凝土黏結抗拉試驗，研究了界面干濕狀況、粗糙度和界面劑類型對改性砂漿-混凝土界面黏結強度的影響，得到結論如下：

（1）界面干濕狀況是影響黏結強度的主要因素，干燥界面的抗拉強度高于濕潤界面，使用環氧乳液作為界面劑時，界面干濕狀況對抗拉強度影響較大。在研究其對黏結強度的影響時，需綜合考慮改性砂漿中乳液摻量。

（2）使用界面劑可以改善改性砂漿與混凝土接觸的界面區結構，增強黏結性能。直接拉伸試驗結果表明界面劑黏結效果由大到小依次為水泥凈漿、環氧乳液和無界面劑；黏結抗拉試驗結果表明界面劑黏結效果由大到小依次為環氧乳液、水泥凈漿和無界面劑。這是因為兩種黏結試件的接縫方式不同，直接拉伸試驗采用的是頂部接縫，而黏結抗拉試驗采用的是側面接縫。因此研究界面劑類型因素時需同時考慮界面干濕狀況和界面接縫方式對黏結的影響。

（3）對改性砂漿與混凝土的結合面進行一定程度的粗糙處理，可以使基底混凝土與界面劑的接觸面積增大，增強黏結面的機械咬合力，從而使改性砂漿黏結強度得到提高。基底混凝土表面粗糙處理后雖然黏結強度有所提升，但提升幅度不大。

（4）方形黏結試件測得的抗拉強度偏低，但數據離散性小，適合模擬檢驗面層修補中改性砂漿-混凝土局部剝離黏結強度。長“8”字形黏結試件由于在進行拉伸試驗時最大程度地降低了剪切力作用，測得的試驗結果更穩定。

本文選自“全國病險水庫安全評估及除險加固技術前沿研討會”征集論文，會議旨在探討病險水庫評估方法以及除險加固新技術、新措施，推進病險水庫除險加固工作、提高防災和供水保障能力，會議于2021年5月26—27日在杭州召開。

本期刊登其中兩篇精選論文。