超低粘度環氧基注漿材料在修復建筑結構微裂縫中的可行性研究*

李 培

(上海建橋學院商學院, 上海 201306)

水泥的熱脹冷縮往往會導致混凝土的微裂縫、滲水或更嚴重的問題，注漿加固是重要的防治措施[1-2]，目前常用的注漿材料有兩類：水泥注漿材料和化學注漿材料[3]。環氧注漿材料是一種化學注漿材料，常用于建筑基礎加固、道路養護和大壩修復等[4]，其具有強度高、凝結速度快和耐腐蝕性等諸多優點[5]。但是，環氧樹脂是一種高粘度流體，因此很難灌入到微裂紋中，為了解決這個問題，可通過稀釋劑降低環氧樹脂的粘度，提高其加工性能[6]。

Eren等[3]研究了稀釋劑類型對環氧樹脂混合物粘度的影響，稀釋劑的分子量會影響環氧基注漿材料的粘度，隨著稀釋比的增加，環氧樹脂混合物的粘度降低；5%稀釋劑的加入使粘度下降52%～72%。Loos等[7]發現在環氧樹脂中加入10%的丙酮(一種非活性稀釋劑)可使粘度降低50%左右。盡管為了降低環氧樹脂的粘度而對稀釋劑進行了大量的研究，但對于超低粘度(接近水粘度)的環氧樹脂漿液材料的報道較少。

環氧樹脂具有高度的交聯結構，因此其脆性較高、抗裂紋萌生和擴展能力較差和韌性較低[8]，極大地限制了其作為結構材料的使用，因此，脆性環氧樹脂的改性一直是該領域長期研究的課題[9]。提高環氧樹脂韌性的方法有很多，如加入軟橡膠顆粒、剛性無機顆粒、石墨烯和碳納米管等[10]。同時，化學注漿材料的毒性越來越受到人們的關注，要確保其滿足環境無害性方才可以使用[11]。

本文旨在通過一種柔性活性組合稀釋劑降低環氧基注漿材料粘度的同時還能增強其韌性，并與傳統的丙酮稀釋劑進行對比，研究兩種稀釋劑對環氧基注漿材料物理力學性能的影響，探索其修復建筑結構微裂縫的可行性。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

（1）E-51環氧樹脂，其主要成分是雙酚A二縮水甘油醚，為無色透明液體；25℃時粘度為8～18 Pa·s，環氧基重量為182～200 g/eq。（2）丙酮稀釋劑。（3）組合稀釋劑：雙官能團活性稀釋劑（DRD），主要成分為己二醇二縮水甘油醚；三功能活性稀釋劑（TRD），主要成分為三羥甲基丙烷三縮水甘油醚。（4）環氧基固化劑采用酚醛固化劑，粘度為1450～1470 mPa·s；固化劑中含有胺官能團，與環氧基團反應形成網狀結構。

1.2 試樣制備

根據化學計量比計算原材料的用量，根據試驗目的制定了不同稀釋劑比例的樣品，其具體配合比見表1。確定配合比后，首先將環氧樹脂和不同稀釋劑混合并攪拌2min，然后加入固化劑混合攪拌約5min，得到均勻的液體作為化學注漿材料，隨后將液體混合物倒入模具中，24h后脫模，根據JC/T 1041-2007規范要求，將樣品在室溫下養護28d，進行后續測試。

表1 環氧基注漿材料配合比Table 1 Mix ratio of epoxy grouting materials

1.3 試驗方案

利用SNB-1數字粘度計測量混合注漿材料的粘度。取60g環氧樹脂混合物裝進塑料杯中，在室溫條件下放置7d，隨后在烘箱中（125℃，1h）烘干，根據質量變化計算固體含量。通過傅里葉紅外光譜（FTIR）對樣品進行表征。通過CMT4303 SANS萬能試驗機測試試樣的抗拉強度、伸長率和抗壓強度，拉伸和壓縮試驗均采用速度控制，速度分別為10mm/min和5mm/min，測試結果均取自三個試樣的平均值。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測拉伸試驗試樣的斷口形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 粘度

在現場注漿過程中，應考慮注漿材料的粘度和注漿時間，化學注漿材料的初始粘度非常重要，初始粘度越小，越容易灌注到微裂縫中，標準JC/T 1041-2007規定初始粘度應小于30 mPa·s，流動時間應大于30 min，即粘度小于200 mPa·s。不同稀釋劑改性環氧樹脂粘度隨時間的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出，只加入丙酮的環氧樹脂材料的初始粘度最低，室溫條件下為5.2 mPa·s；與DRD和TRD相比，丙酮分子結構更小，因此丙酮含量較高的改性環氧樹脂初始粘度較低；由于DRD的分子量為230.3 g/mol，而TRD的分子量為302.4 g/mol，故在相同丙酮含量下，DRD改性環氧樹脂的初始粘度比TRD改性環氧樹脂要低。

從圖1中還可以看出，各組試樣的粘度隨著時間的增加，粘度增長率均表現出顯著增長的趨勢，與僅使用丙酮作為稀釋劑的樣品相比，添加DRD-丙酮和TRD-丙酮的樣品粘度增長速率更高，這是因為DRD和TRD中的環氧基團與固化劑的反應速度比丙酮快。在相同配比下，DRD-注漿混合料的黏度增長速度略快于TRD-注漿混合料，分子量更小的DRD分子更容易與固化劑發生反應。

圖1 不同稀釋劑改性環氧樹脂粘度隨時間的變化曲線圖Fig. 1 Viscosity curve of epoxy resin modified with different diluents over time

2.2 固化率

圖2為不同稀釋劑改性環氧樹脂注漿材料的固化率，固化率可以反映其反應程度。從圖2可以看出，僅使用丙酮作為稀釋劑的樣品固化率最低，主要是由于丙酮是一種揮發性溶劑，具有蒸發性，從而減少了與固化劑反應的反應物量[12]；加入DRD和TRD均能增加樣品的固化率，因為添加DRD或TRD后，丙酮的揮發率降低，同時加速了環氧溶液粘度的增加，間接阻止了丙酮的揮發。

圖2 不同稀釋劑改性環氧樹脂注漿材料固化率Fig. 2 Curing rate of epoxy resin grouting materials modifi ed by different diluents

2.3 傅里葉紅外光譜測試

圖3給出了含三種不同稀釋劑的環氧樹脂注漿材料的傅里葉紅外光譜測試結果。結合前人研究及圖3測試結果可知[13]，所有樣品在915cm-1處都沒有發現環氧環對應的吸收峰，故環氧環與固化劑反應被完全消耗。所有樣品在1112cm-1處均有吸收峰，說明有醚（-C-O-C）基團存在，其形成有兩個方面的原因：一方面，固化過程中消耗的環氧基團通過開環形成醚基團；另一方面，含醚分子在參與固化反應時引入了醚基團。由于DRD和TRD都含有醚基團，而丙酮沒有，所以樣品1的醚基團峰值強度相對較低。醚基具有柔韌性，可以提高環氧灌漿材料的柔韌性。所有樣品在1370cm-1、1460cm-1和2850cm-1處的吸收峰表明樣品中還存在C-C、C-H和CH3，這些均是環氧樹脂中常見的成分。而樣品在1600cm-1和1508cm-1處的吸收峰表明樣品中存在芳香骨干。

圖3 部分試樣傅里葉紅外光譜測試結果Fig. 3 Fourier infrared spectroscopy test results of some samples

2.4 抗拉強度和斷裂伸長率

不同稀釋劑種類和配比試樣的抗拉強度和斷裂伸長率試驗結果如圖4所示。根據JC/T 1041-2007標準，環氧注漿材料的抗拉強度不應小于10MPa，從圖中可以看出，所有試樣的抗拉強度均高于10MPa，只加入丙酮的試樣抗拉強度最高，達到了24.05MPa。隨著DRD和TRD含量的增加，試樣的抗拉強度逐漸降低。試件的抗拉強度來源于DGEBA分子中的苯結構，DGEBA分子含量與丙酮含量成正相關[13]。此外，在相同比例下，含TRD試樣的抗拉強度略高于含DRD試樣的抗拉強度。這是因為DRD和TRD中的環氧基團可以與固化劑反應生成環氧鏈。DRD可以增加鏈長，但不能改善交聯密度，而TRD可以增加整個分子網絡的交聯密度，從而增加分子間的鍵合強度[13]，因此，TRD更能增強試樣的抗拉強度。

圖4 試樣的抗拉強度和斷裂伸長率Fig. 4 Tensile strength and elongation at break of samples

環氧樹脂通常是一種脆性材料，斷裂伸長率低。只加入丙酮的試樣斷裂伸長率最低，這是因為其環氧基團含量最高。試樣斷裂伸長率隨DRD和TRD的含量增加而增大，因為DRD和TRD中的醚基可以提高分子鏈的延性，從而增強其韌性。在相同比例下，DRD試樣的斷裂伸長率大于TRD試樣，這與其內部環氧基團數目的差異有關。由于環氧樹脂材料的脆性特征使其斷裂伸長率一般不超過5%，通過加入組合稀釋劑改善環氧樹脂韌性，使其斷裂伸長率最高可達8.31%。

2.5 抗壓強度

不同稀釋劑種類和配比試樣的抗壓強度試驗結果如圖5所示。從圖中可以看出，只加入丙酮的試樣抗壓強度最高，達到了84.15MPa，與抗拉強度一致，試樣的抗壓強度也與漿液中的環氧樹脂含量有關；隨著DRD和TRD的加入，試樣的抗壓強度顯著降低，這是因為兩種稀釋劑是柔性分子，加之組合稀釋劑改性試樣中的丙酮含量遠高于丙酮稀釋劑改性試樣，丙酮殘留在環氧樹脂中，導致應力集中和強度降低，此外，丙酮的單官能團也會降低試樣內部官能團的交聯密度。與抗拉強度相似，由于TRD更能增強官能團的交聯密度，因此TRD改性試樣的抗壓強度高于DRD改性試樣。

圖5 試樣的抗壓強度Fig. 5 Compressive strength of samples

2.6 斷裂面微觀結構

圖6給出了含三種不同稀釋劑的環氧樹脂注漿材料拉伸斷裂面的微觀結構測試結果。從圖中可以看出，樣品1的斷口表面光滑，裂紋幾乎平行于裂紋擴展方向，這是典型的脆性斷裂行為，符合傳統環氧樹脂材料脆性特征；樣品3斷口表面出現帶狀裂紋，表明分子間的相互作用增強，在環氧樹脂中引入DRD可以提高試樣的柔韌性；樣品7斷口同樣出現帶狀裂紋，且裂紋深度和粗糙度更加明顯，說明樣品7具有更強的分子相互作用。這也可能是由于樣品7具有較高的分子間交聯性，在環氧樹脂中引入TRD可以進一步提高環氧漿液的韌性。這與試樣的斷裂伸長率試驗結果相一致。

圖6 部分試樣斷裂面微觀結構圖Fig. 6 Microstructure diagram of fracture surface of some samples

3 結論

采用丙酮、DRD和TRD三種稀釋劑的不同組合方式對環氧注漿材料進行改性，通過對改性后的環氧注漿材料性能進行表征，得出以下結論：

（1）成功制備了超低粘度環氧基漿液，漿液達到了JC/T 1041-2007標準要求；材料粘度下降的主要原因是加入了丙酮，丙酮中加入DRD和TRD的組合稀釋劑均會導致材料的粘度增長率和固化率增大。

（2）抗拉和抗壓強度隨DRD和TRD含量的增加而減小，這是由于其含有柔性醚基，能提高材料的柔韌性，使材料的斷裂行為由脆性斷裂變為輕度韌性斷裂。

（3）綜合改性環氧注漿材料性能表征結果，其可用于修補建筑材料的微裂縫。