改性環氧修復材料在渠道襯砌板潮濕界面的修復性能試驗

胡小勇

(中國水利水電第十工程局有限公司二分局，四川 成都 611800)

1 材料與方法

1.1 原料

雙酚A型環氧樹脂是目前使用最廣泛的樹脂材料，不僅材料成本低，同時還可以和多種不同的固化劑反應，因此在混凝土裂縫修復劑的研制方面具有顯著優勢。此次研究選擇鳳凰牌雙酚A型環氧樹脂E-44。

根據修復材料和水的互溶情況，可以將其分為親水型和憎水型兩大種類[1]。在潮濕環境下，水溶作用會導致親水型材料的過度稀釋，而憎水型材料則難以有效排開其表面的水層，導致修復材料和混凝土難以直接接觸。由此可見，單一的親水或憎水材料，都難以在潮濕環境下獲得良好的黏結性能[2]。綜合上述考慮此次試驗選擇的是改性脂肪胺和聚酯胺作為固化劑。這兩種固化劑同時含有親水和憎水基團，因此配制的環氧結構兼有親水性和憎水性，可以使修復材料充分浸潤并填充在混凝土基材的表面。

試驗中使用的稀釋劑為乙二醇二縮水甘油醚，促進劑為DMP-30環氧樹脂催化劑；表面活性劑為異構十三醇聚氧乙烯醚-3，改性材料可以有效提升修復材料在潮濕環境下與混凝土基體表面的黏結性；有機溶劑為無水乙醇，以降低環氧樹脂材料的黏度；填料為徐州中聯水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥。

1.2 配合比優化

在改性環氧修復材料的組分確定之后，需要確定其能夠產生最佳性能的配合比。研究中充分借鑒環氧修復材料的相關研究成果和工程經驗，確定如表1所示的配合比優選方案。

表1 環氧修復材料配合比試驗方案 g

在改性環氧修復材料中，可以利用加大稀釋劑的方式降低材料黏度，提高材料在裂縫中的填充效果，但是大量添加稀釋劑會影固結物的力學性能，因此在研究中需要綜合考慮初始黏度和固化物性能，并尋求綜合平衡點。因此，對表1中的各方案進行上述兩方面性能的綜合測試，結果如表2所示。從試驗結果來看，配合比方案3的整體性能較優，因此作為后續研究的修復材料配合比。

表2 修復材料性能試驗結果

1.3 試驗設計

在試驗中使用棱長為100 mm的標準規格混凝土試件，對養護好的試件利用加載破壞的方式制造裂縫，以模擬混凝土襯砌板裂縫[3]。試驗中將同批養護的完好混凝土試件作為對照。試驗中將固化時長和裂縫寬度作為影響變量，設計1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm等5種不同的寬度和7 d、14 d和28 d等3種不同固化時長，獲得如表3所示的15種不同試驗方案。

表3 裂縫修復試驗方案設計情況

1.4 試驗方法

試驗中使用的水泥材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為天然中砂，粗骨料為粒徑5～20 mm，級配良好的天然碎石；試驗用水為普通自來水；試驗用修復材料為改性環氧樹脂修復材料。試驗中按照渠道襯砌混凝土中常用的C30混凝土進行配合比設計和試件制作。將制作好的試件在養護室內以標準養護條件養護至28 d齡期。

在養護好的試件上下表面中心部位各放置一根鋼筋，然后利用液壓伺服萬能試驗機加壓至劈裂。將試件裂縫表面的灰塵和殘渣清理干凈；利用游標卡尺和模具控制好裂縫寬度，然后在裂縫的底部和兩側涂抹封縫膠，預留一面進行灌漿修補。待封縫膠凝固良好后將試件放入清水中浸泡24 h以模擬潮濕環境。取出試件擦拭干凈表面水分進行注漿修補處理，然后養護至規定齡期。在試驗之前將封縫膠清理干凈，以免其影響試驗結果。

試件的抗壓強度采用液壓伺服萬能試驗機測試，在測試中采用帶縫面為頂面的最不利試驗方式。抗折強度的試驗采用兩點對稱加載的方式。在渠道襯砌裂縫修復工程中，耐久性也是重要的檢驗指標。因此，研究中結合渠道襯砌板的服役環境，對固化時長14 d，不同裂縫寬度試件進行100次干濕循環，然后測試其抗壓強度和抗折強度，以便對其耐久性做出評價。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

對不同試驗方案條件下的混凝土試件進行抗壓強度測試，獲取潮濕界面混凝土裂縫修補后的抗壓強度值并計算出其抗壓強度恢復率，結果如表4所示。根據試驗數據，繪制出抗壓強度隨裂縫寬度變化曲線，結果如圖1所示。從試驗結果可以看出，混凝土試件的抗壓強度及恢復率隨著固化時長的增加而不斷增大。由此可見，適當延長固化時長對提高修復效果有利。

圖1 抗壓強度隨裂縫寬度變化曲線

表4 抗壓強度及恢復率試驗結果

在固化時長為7 d的條件下，抗壓強度恢復率的最小值為62.81%，最大值為85.07%，恢復效果并不理想。究其原因，主要是潮濕環境不利于改性環氧修復劑的完全反應，導致其早期的力學性能較差。在固化時長為14 d時，固化物性能有顯著提高，抗壓強度恢復率最低值達到91.73%，最高達到108.30%，已經顯示出較好的強度恢復效果，已經滿足混凝土補強加固的基本要求。在28 d時，試件抗壓強度的最低恢復率達到98.10%。最高達到了119.68%。由此可見，此次研究提出的改性環氧修復材料具有良好的潮濕界面修復性能，修復后的界面不會成為試件受壓破壞過程中的薄弱處。

從圖1可以看出，除了14 d裂縫寬度2 mm和28 d裂縫寬度2.5 mm兩個點位外，試件的抗壓強度基本呈現出隨裂縫寬度的增加而先增加后減小的變化特點。由此可見，改性環氧修復劑對寬度為1.5～2.5 mm裂縫的修復效果最佳，對較寬或較窄裂縫的修復效果相對較差，但是差距并不顯著。

2.2 抗折強度

對不同試驗方案條件下的混凝土試件進行抗折強度測試，獲取潮濕界面混凝土裂縫修補后的抗折強度值并計算出其抗折強度恢復率，結果如表5所示。根據試驗數據，繪制出抗折強度隨裂縫寬度變化曲線，結果如圖2所示。從試驗結果可以看出，混凝土試件的抗折強度及恢復率隨著固化時長的增加而不斷增大。在固化時長為7 d的條件下，抗折強度恢復率的最小值為62.35%，最大值為85.65%。在固化時長為14 d時，固化物性能有顯著提高，抗折強度恢復率最低值達到91.80%，最高達到106.73%，已經顯示出較好的強度恢復效果。在28 d時，試件抗折強度的最低恢復率達到94.00%。最高達到了119.77%。由此可見，在使用新型環氧樹脂材料修復之后，修復早期的抗折強度恢復相對較慢，在14 d之后可以獲得良好的恢復效果，其原因和抗壓強度類似。

圖2 抗折強度隨裂縫寬度變化曲線

表5 折強度及恢復率試驗結果

從圖2可以看出，隨著裂縫寬度的增加，試件的抗折強度呈現出波動變化的特點并無明顯的規律性。由此可見，改性環氧修復劑修復后試件的抗折強度與裂縫寬度之間并無明顯的關聯性，這一點和抗壓強度有所不同。

2.3 耐久性

研究中根據100次干濕循環后試件的抗壓強度和抗折強度測試數據，獲得如表6所示的結果。從計算結果來看，在干濕循環作用之后，無論是無裂縫的對照試件還是修復試件，其抗壓強度和抗折強度都有不同程度的降低，因為干濕循環對混凝土的耐久性造成一定影響，使其產生一定的劣化。具體來看，抗壓強度的修復值隨著裂縫寬度的增加呈現出先增加后減小的變化特點，而抗折強度的變化并無明顯的規律性。從各方案的試驗結果均值來看，修復后的抗壓強度和抗折強度小幅高于對照試件。由此可見，此次研究中使用的改性環氧修復材料在修復潮濕環境下襯砌板裂縫具有良好的耐久性。

表6 試件耐久性試驗結果

3 結 語

此次研究針對輸水渠道襯砌結構的特殊服役環境，提出了一種針對潮濕環境混凝土裂縫的改性環氧修復材料。試驗結果顯示，該材料可以獲得良好的修復效果，在14 d固化時長條件下的抗壓強度和抗折強度修復率即可達到90%以上。同時，干濕循環條件下的耐久性試驗結果顯示，修復后的混凝土耐久性良好。另一方面，試驗結果顯示，修復后的固化時間較短時混凝土試件的抗壓強和抗折強度恢復效果不甚理想。因此，建議在工程應用中采取不小于14 d的固化時間。當然，針對混凝土服役環境的環氧修復材料，大都需要進行復雜的改性處理，存在原料獲取困難、性價比不高的問題。因此，在今后的研究中需要進一步優化改性工藝，開發出原料易得、性價比高的綠色環保改性環氧修復材料。