電站特殊建筑外立面裂縫修補改性EP復材及性能測試

摘 要：針對傳統的環氧樹脂（EP）在實用中存在耐熱性差、黏度偏大的弊病，嘗試利用聚氨酯對EP進行改性，探究了不同改性條件下EP修復材料的性能。試驗結果表明，向EP中摻入適量的PPG、P-M能夠有效拉低改性EP的黏度，即摻入20%的PPG，改性EP黏度降低為1 021 MPa·s，摻入30%的PPG，改性EP黏度為1 034 MPa·s；向EP中摻入少量PUP即可大幅提高改性EP黏度，即摻入30%的PUP，改性EP黏度激增至43 274 MPa·s。在摻入PPG、P-M或PUP后，改性EP的斷裂伸長率均有所升高以及拉伸強度均有所降低。試驗采用抗折比值來表征不同修補材料對于混凝土裂縫的修補性能，證實了摻入25%的P-M時的抗折比值為1.96，高于未改性EP的1.51，這說明改性EP有效增強了混凝土的抗折性能。

關鍵詞：大型變電站；混凝土裂縫；黏度；EP修補材料

中圖分類號：

TQ323.5

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0076-04

Repair and detection test of cracks in the coating layer of the" facade of large-scale substation buildings

HU Zhuoer1，DAI Shu2，DONG Li2

（1.Foshan Electric Power Design Institute，Fuoshan 528000，Guangdong China;

2.Foshan Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Fuoshan 528000，Guangdong China）

Abstract：In view of the poor heat resistance and high viscosity of traditional epoxy resin （EP） in practice，the polyurethane was tried to modify EP，and the properties of EP repair materials under different modification conditions were explored. The test results showed that the viscosity of modified EP effectively reduced by adding an appropriate amount of PPG and P-M into EP，that was，the viscosity of modified EP reduced to 1 021 MPa·s by adding 20% PPG，and the viscosity of modified EP was 1 034 MPa·s when mixed with 30% PPG. The viscosity of modified EP greatly increased by adding a small amount of PUP to EP，that was，the viscosity of modified EP increased to 43 274 MPa·s by adding 30% PUP.After adding PPG，P-M or PUP，the elongation at break and tensile strength of the modified EP increased. The flexural resistance of different repair materials for concrete cracks was characterized，and it was confirmed that the flexural resistance value of 25% P-M was 1.96，which was higher than that of unmodified EP （1.51），which indicated that the modified EP effectively enhanced the flexural performance of concrete.

Key words：large substation;concrete cracks;viscosity;EP repair material

伴生于混凝土結構中的裂縫直接降低其耐久性及承載力，因而成為建材領域迫切渴求改善的病害問題，也是保證大型變電站運行的重點。當前最為常見的裂縫修補材料是聚合物材料、無機材料和改性類修補材料，比如有機硅改性環氧樹脂、EP等。其中，作為應用廣泛的一種熱固性樹脂，EP擁有機械強度高、粘接性好的特征，故而備受建材領域的青睞［1-5］。早期學者針對利用EP修補混凝土裂縫開展了深入研究［6-11］，但也面臨許多問題，在此背景下，本文嘗試利用PU改性EP修補材料體系，從而開發出一種熱穩定性高、黏度小的混凝土裂縫修補材料，并結合大型變電站建筑外立面裂縫修補實務對新型修補材料的實用性進行檢驗。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器

本次試驗原料為：E-51型環氧樹脂（環氧值為0.51，南通星辰）；PPG（分子量為1 000，濟寧佰一化工）；MDI（98%，濟寧佰一化工）；二正丁胺（AR，天津福晨化學）。

本次試驗涉及的儀器：

NGJ-1F旋轉黏度計，

上海昌吉地質儀器；

FR-100C電子萬能試驗機，

上海法瑞儀器科技;

YAW-300ZO微機控制（I級）水泥壓折試驗機，濟南邦科試驗機。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備

（1）PPG改性EP修補材料制備：將PPG原料放于120 ℃真空環境中進行脫水處理，脫水時長不低于2 h，然后準備好5組等量的EP原料，向其中4組添加10%、20%、25%、30%的PPG，剩余一組為未改性EP，之后利用玻璃棒進行持續攪拌，直至混合物充分融合，最后向EP中添加33%的固化劑421，繼續攪拌15 min即得試驗樣品。利用真空硅脂對模具內壁進行涂抹，然后將樣品注入模具中，將模具放在80 ℃環境中進行固化，歷時2 h即可有效清除氣泡，最后將模具轉移到室溫環境中繼續固化48 h，即可拆模得到試驗試件。本次PPG改性EP樣品名稱定義為E-（PPG）-X，X指代的是PPG摻量;

（2）PUP改性EP修補材料制備：首先將PPG原料放于120 ℃真空環境中進行脫水處理，脫水時長不低于2 h，然后利用蠕動泵將40 ℃的PPG原料滴入MDI溶液中，控制n（—OH）∶n（—NCO）=1∶1.5，最后加熱PPG-PUP溶液至70 ℃，歷時3.5 h的反應期即可生成PUP。在制備PUP的過程中，需遵循GB/T 12009.4—2016采取二正丁胺回滴法檢測混合液中—NCO含量，當—NCO含量達到理論值3.08%時，即可終止反應過程。同樣，本次PUP改性的EP樣品名稱定義為 Ｅ－（ＰＵＰ）－Ｘ，Ｘ指代的是ＰＵＰ摻量;

（3）PPG、MDI改性EP修補材料制備：按照m（—OH）∶m（—NCO）=1∶1.5的質量比制得PPG與MDI的混合料，然后將混合料置于120 ℃真空環境中脫水2 h;之后將脫水后的混合料按照10%、20%、25%、30%的質量比分別混入預先準備好的4組EP中，同時保留一組EP并未摻入PPG和MDI以作對照，對各組物料進行15 min的攪拌以使融合，最后向EP中添加33%的固化劑421，繼續攪拌15 min即得試驗樣品。利用真空硅脂對模具內壁進行涂抹，然后將樣品注入模具中，將模具放在80 ℃環境中進行固化，歷時2 h即可有效清除氣泡，最后將模具轉移到室溫環境中繼續固化48 h，即可拆模得到試驗試件。本次PPG、MDI改性EP樣品名稱定義為E-（P-M）-X，X指代的是PPG、MDI摻量。

1.2.2 樣品表征

（1）拉伸強度測試：本文遵循GB/T 2567—2008開展拉伸強度測試，設定拉伸速率2 mm/min，待樣品斷裂時測得樣品斷裂伸長率。為確保試驗數據可靠，本次試驗共計開展了3輪測試，并以3輪測試數據的平均值作為最終結果。

樣品拉伸強度的算式［12-15］：

σ=Fb×h（1）

式中：F表示樣品所承受的最大荷載，N；σt表示樣品的拉伸強度，MPa；h表示樣品厚度，mm；b表示樣品寬度，mm。

樣品斷裂伸長率的算式［16-17］：

e=ΔLL0×100% （2）

式中：ΔL表示樣品斷裂時的標距伸長量，mm；L0表示樣品標距，mm；e表示斷裂伸長率。

（2）黏度測試：遵循GB/T 2974—2013開展黏度測試，設定NDJ-1F型旋轉黏度計的轉速為10 r/min，規定初凝時間是從開始測試到樣品黏度達到60 000 MPa·s的時長。為確保試驗數據可靠，本次試驗針對3個樣品進行測試，并以3個樣品的平均值作為最終結果［18］；

（3）抗折強度測試：預先加工規格為40 mm×40 mm×160 mm的試件，在加載速率（2 400±200） N/s條件下，測定普通試件的抗折強度。待試件折斷以后，對斷裂面涂抹改性EP修補材料，粘接后重新放到模具中進行升溫（80 ℃）固化2 h，然后轉移到室溫環境中養護48 h，最后在相同的測試條件下，測定修補后試件的抗折強度［19-20］。在完成同一試件的兩側測試以后，即可求得試件修補前后的抗折強度比值，用以表征改性EP修補材料的修補性能。

2 結果與分析

2.1 拉伸強度及斷裂伸長率

在不同改性方式下的EP修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率分別如圖1和圖2所示。

由圖1、圖2可知，就拉伸強度而言，未改性EP修補材料的拉伸強度是31.13 MPa，其他3種改性EP修補材料的拉伸強度均有所降低，而且摻量越大降幅越大，這是因為PPG、PUP、P-M中均包含內聚能較低的柔性鏈段，在EP中添加PPG、PUP、P-M后，體系內聚強度逐漸降低，同時拉低了EP固化后的交聯密度，表現為改性EP修補材料的拉伸強度持續降低。相比較來看，在不斷增多改性劑摻量的過程中，P-M改性EP修補材料拉伸強度的降幅最大，即在摻入25%的P-M后，改性EP修補材料的拉伸強度已經降低至1.47 MPa，摻入20%的P-M后，改性EP修補材料就已經因為拉伸強度過小而無法滿足施工需求了。就斷裂伸長率而言，未改性EP修補材料的斷裂伸長率是15.76%，而其他3種改性EP修補材料的斷裂伸長率均超過了這一水平，其中，PPG改性EP修補材料的斷裂伸長率隨著PPG摻量的增多而平穩升高，待到PPG摻量超過25%以后，斷裂伸長率趨于穩定，PPG改性EP修補材料的最大斷裂伸長率是71.96%；PUP改性EP修補材料的斷裂伸長率在前期增幅較小，但在后期（摻量＞25%）增幅較大，其最大斷裂伸長率是109.04%；P-M改性EP修補材料的斷裂伸長率隨著P-M摻量的增多而表現出先升后降的態勢，當摻入25%的P-M后，斷裂伸長率達到峰值196.56%，可見，改性劑P-M對于EP修補材料發揮出顯著的增韌效果。

2.2 黏度變化

不同改性方式下EP修補材料的黏度變化如圖3所示。

由圖3可知，不斷增加PPG和P-M的摻量，改性EP修補材料的黏度隨之降低，當摻量增至30%時，黏度降至最小值分別為2 409、1 034 MPa·s，與之不同的是，PUP本身黏度就大，它與EP混勻后的黏度基數已然較大，繼續增大PUP摻量會使得改性EP修補材料的黏度激增，即摻入30%的PUP后，E-（PUP）-30%的黏度增至峰值43 274 MPa·s，由此制備的改性EP因黏度過大而無法發揮修補功能。

2.3 抗折比值測試結果

不同改性方式、不同摻量下的EP修補材料抗折比值測試結果，如圖4所示。

由圖4可知，除了E-（PPG）-30%和E-（PUP）-30%的抗折比值小于1以外，其余的E-（PPG）-10%、E-（PPG）-20%、E-（PPG）-25%、E-（P-M）-10%、E-（P-M）-25%、E-（PUP）-10%的抗折比值均處于［1，1.51］，這些組別的改性EP修補材料修補后的試件抗折強度超過了試件本身抗折強度，但不及經純EP修補后的試件抗折強度。此外，因為改性EP修補材料的抗折比值大于1，所以經改性EP修補材料修補后的試件2次斷裂位置并不一致。在眾多試驗組別中，E-（P-M）-20%所對應的試件抗折比值達到峰值1.96，這也證實了20%摻量條件下的P-M改性EP修補材料對于混凝土裂縫的修補效果達到最佳水平。

3 結語

（1）以未改性EP作為對照，PPG、PUP、P-M改性EP修補材料的拉伸強度均有所降低以及斷裂伸長率均有所升高，且2項指標的變化趨勢隨著摻量的增多而更加顯著。其中，P-M對EP修補材料的增韌效果最為突出，E-（P-M）-25%的斷裂伸長率高達196.56%，高于其他實驗組別;

（2） PPG、P-M改性EP修補材料的黏度低于不改性EP的黏度，而PUP改性EP修補材料的黏度高于不改性EP的黏度，同時黏度達到60 000 MPa·s，所用的初凝時間也變得更短；

（3）利用PPG、PUP、P-M對EP進行改性處理時均會發生化學反應，但3類改性劑對于EP的改性機理存在差異；

（4）當P-M摻量介于10%～25%，向EP摻入P-M并未改變EP的熱性能；

（5）對EP修補材料的拉伸試樣進行斷面SEM觀測，可以發現拉伸式樣發生脆性斷裂，而在摻入P-M以后，可以發現P-M改性EP修補材料拉伸試樣發生韌性斷裂，并且試樣韌性隨著P-M摻量的增加而增強。

（下轉第97頁）

【參考文獻】

［1］

周翔.新型裂縫修補材料在大西海子水庫除險加固工程的應用研究［J］.中國水能及電氣化，2021（12）：41-45.

［2］ 吳若冰，王熙.聚氨酯基道路修補材料的研究進展［J］.材料科學與工程學報，2021，39（1）：164-166.

［3］ 李瑞.混凝土建筑材料中高彈性環氧基裂縫修補材料的應用分析［J］.粘接，2020，41（1）：107-110.

［4］ 張長林，張丹，張勇強，等.路用水性聚氨酯改性環氧樹脂的制備與工作性能［J］.中外公路，2022，42（1）：215-220.

［5］ 沈霽，丁兆棟，張玉雙，等.SiC-聚氨酯改性環氧樹脂固體顆粒沖蝕磨損性能研究［J］.化工新型材料，2022，50（1）：147-150.

［6］ 婁星原，馮朝波，黎燦光，等.聚氨酯改性環氧樹脂的增韌性能探究［J］.廣東化工，2021，48（21）：46-48.

［7］ 張藝媛，鄧聲強，孔林，等.聚氨酯/納米SiO2/稀釋劑復合改性環氧樹脂摻量研究［J］.應用化工，2021，50（9）：2424-2426.

［8］ 李會錄，李濤，祁向花，等.聚氨酯增韌改性環氧樹脂的制備及性能表征［J］.高分子材料科學與工程，2020，36（7）：15-22.

［9］ 陳楊杰，張雄飛，盧小蓮，等.混凝土裂縫修補材料環氧樹脂的聚氨酯增韌改性研究［J］.公路交通科技，2019，36（9）：24-30.

［10］ 陳啟輝，朱士豪，劉巧玲，等.水性環氧樹脂改性超細水泥基防水堵漏材料性能研究［J］.新型建筑材料，2022，49（4）：124-130.

［11］ 劉曉齊，黨明巖，王亞健，等.陽離子型環氧樹脂改性丙烯酸酯乳液的研究［J］.沈陽理工大學學報，2022，41（2）：54-58.

［12］ 喬子賀，范曉天，趙文麗，等.環氧樹脂基類玻璃高分子在苯并噁嗪樹脂改性中的應用及回收［J］.工程塑料應用，2022，50（4）：136-142.

［13］ 郭寅川，張沖，申愛琴，等.濕熱環境下水性環氧樹脂改性橋梁混凝土耐久性及機理［J］.長安大學學報（自然科學版），2022，42（2）：32-42.

［14］ 梁姣利，賈雪婭，伊爾夏提·地里夏提.環氧樹脂/改性SiC復合材料的制備及性能［J］.合成樹脂及塑料，2022，39（1）：35-38.

［15］ 周依莎，鄧鑫，焦曉嵐，等.不同改性方法對竹纖維增強環氧樹脂復合材料性能的影響［J］.工程塑料應用，2022，50（1）：143-147.

［16］ 鐘鑫.水性環氧樹脂改性水泥混凝土的制備及力學性能分析［J］.功能材料，2021，52（12）：12008-12012.

［17］ 張翔，尚玉棟，賀江平，等.環氧樹脂基水性聚氨酯改性研究［J］.針織工業，2022（10）：23-27.

［18］ 呂曉東，尚偉，趙政.硅酸鹽環氧樹脂復合改性聚氨酯注漿材料力學性能的研究［J］.煤炭與化工，2022，45（7）：150-153.

［19］ 王玉勤，徐偉杰.高強度高粘型改性韌性環氧樹脂性能研究［J］.粘接，2022，49（5）：18-22.

［20］ 王修山，王銘杰，徐靖怡，等.巖瀝青/環氧樹脂復合改性路面回收料路用性能［J］.科學技術與工程，2022，22（13）：5395-5402.