亞熱帶區環氧砂漿與混凝土黏結性能試驗研究

晏國泰，謝金齊，黃 鎮，陳新林

(武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430071)

環氧砂漿具有強度高、綜合性能優良等特點。作為水工混凝土過流面抗沖耐磨保護層及沖刷、磨損和氣蝕等破壞部位的修補加固材料，環氧砂漿在工業民用建筑、公路、橋梁和機場跑道等構筑物的維修加固材料應用己有40多年歷史[1-3]。

由于環氧砂漿底膠具有黏度低，浸潤性好，可以較好的滲透到混凝土基層毛細孔中，增加界面之間黏結強度的作用等特點[3]。因此在環氧砂漿施工前，需要進行底膠涂抹工作，待底膠表干后，方可進行環氧砂漿施工[2-4]。但是環氧砂漿底膠層很容易就受到陽光、溫度和水的影響，加速底膠層的老化，影響其強度[1]。而大面積施工環氧砂漿時，底膠層沒有固化前，不便于進行環氧砂漿層施工。特別是在亞熱帶氣候區戶外施工時，有光照強烈、環境溫度高、雨水充沛、雷陣雨頻繁等不利于環氧砂漿連續施工的氣候因素。那么在亞熱帶氣候區如何確保戶外大面積環氧砂漿的施工質量?以孟加拉國戈邦戈大橋為例，為確保戈邦戈大橋橋面診治的順外實施，筆者通過專門的試驗研究，以找出相同的施工環境、不同的環氧砂漿和施工工藝下的黏結性能規律。

1 試驗概況

試驗1：底膠曝曬不同時間的影響試驗。

試驗2：已經老化的底膠表層處理后試驗。

試驗3：自制免底膠環氧砂漿試驗。

選用3種不同的環氧砂漿及其底膠作為試驗材料。A為含抗老化助劑的環氧砂漿及其底膠；B為普通環氧砂漿及其底膠；Z為自制免底膠環氧砂漿。其中A和B兩種環氧砂漿均采用國際知名品牌。

在同一處理完成的混凝土基面上，使用3種環氧砂漿施工。A，B兩種材料根據底膠在強紫外光下暴曬時間，將試驗共分為7組，見表1。A材料每組7個試件(編號為A1～A7)；B材料每組14個試件，其中7個試件底膠表層不做處理(編號為B1～B7)，7個試件底膠表層使用打磨機處理(編號為C1～C7)。每天的暴曬時間為10 h，紫外線指數為10。達到設計暴曬時間和處理要求后，施工環氧砂漿厚1 cm。在同等環境放置7 d，固化后對底膠黏結強度進行測試。Z材料直接涂抹在處理完成的混凝土基面上。

表1試件編號及底膠在強光下暴曬情況

Table1Testspecimensnumberingandprimerbeingexposedunderstrongsunshine

黏結強度測試根據規范DL/T 5193—2004《環氧樹脂砂漿技術規程》(以下簡稱《規程》)的要求進行拉拔試驗[4]。

2 試驗數據及結果分析

2.1 紫外線對環氧樹脂黏結性能的影響

戶外大面積環氧砂漿時，底膠沒有表干前，底膠層上不能行走，不便于進行下環氧砂漿施工，底膠涂抹完成到其表干需要2～3 h的時間。而亞熱帶氣候區常年紫外線強烈，底膠不可避免會受到曝曬。同時亞熱帶氣候區雷陣雨頻繁發生，如果遇到雷陣雨，則需要等底膠表面干燥無水跡后才能施工，這又增加了底膠的暴曬時間。紫外線會加速環氧砂漿老化，減低黏結強度[5-7]。

2.1.1 底膠曝曬不同時間對黏結性能的影響

根據《規程》的要求對上述試件進行拉拔試驗。發現每組試件中的各個試件之間的黏結強度差別不大(在0.2 MPa以內)，且破壞形式基本一致；但是組與組之間的差異比較大。將各組試件的黏結強度和破壞形式取平均值，其具體結果見表2。

表2各組試件平均黏結強度及破壞形式

Table2Averagebondingstrengthandfailuremodesoftestspecimens

注：破壞形式：T混凝土破壞，S底膠與環氧砂漿界面破壞。(下同)

從表2可以看出：底膠經陽光曝曬后，隨著曝曬時間的延長其黏結強度逐漸減小，曝曬至第 3 d后，黏結性能開始較大幅度的降低。并且初期主要是混凝土破壞，之后是底膠和環氧砂漿之間的界面破壞就逐漸增多。這可能是由于環氧樹脂在紫外線的作用下表面材料老化分解。隨著裂解的進行，材料的力學性能開始降低[8-10]。抗老化助劑的環氧砂漿底膠，由于底膠層比較薄，光穩定劑和抗氧劑對其作用效果不大，特別是曝曬至第5 d后的底膠的黏結性能與不含抗老化助劑的環氧砂漿差不多。由于底膠表面形成了薄弱層，后續施工的環氧砂漿會黏結在薄弱層上而影響層間黏結強度。在這種情況下原來增加黏結性的底膠沒有發揮應有的作用。因此在底膠表干后就應該及時施工環氧砂漿。

2.1.2 已經老化的底膠處理后黏結性能

根據《規程》的要求對C1～C7試件進行拉拔試驗。發現每組試件中的各個試件之間的黏結強度差別不大(在0.2 MPa以內)，且破壞形式基本一致。將各組試件的黏結強度和破壞形式取平均值，其具體結果如表3。

表3 底膠表面處理后各組試件平均黏結強度及破壞形式

從表3可以看出，并且結合比較表2的數據可以看出：底膠經陽光曝曬后，隨著曝曬時間的延長其黏結強度逐漸減小。但是對暴曬后的底膠表面用 120 目砂紙打磨老化的表面至全新，并清理干凈表面粉塵后，再進行環氧砂漿施工的黏結強度和底膠表干后施工的黏結強度基本沒有變化[8-10]。因此當底膠層經過陽光暴曬后，需要對底膠表面進行打磨處理，以保證環氧砂漿的黏接性能。

2.2 免底膠環氧砂漿黏結性能

施工底膠的目的是增加黏結性能，但由于在亞熱帶氣候區戶外大面積施工砂漿時，難以避免底膠施工后會由于天氣原因無法在底膠表干后及時施工砂漿，會造成環氧砂漿黏結不良的情況，同時大面積施工底膠施工也會造成施工進度不好掌握的情況，能否采用不用底膠的砂漿？因此使用了自制免底膠環氧砂漿進行試驗3，同其他環氧砂漿黏結強度數據進行了比較。

根據《規程》的要求對進行拉拔試驗。將每種環氧砂漿試件的黏結強度和破壞形式取平均值，其具體結果如表4。

表4 3種砂漿黏結強度破壞形式

注：1.含抗老化助劑環氧砂漿和普通環氧砂漿施工時均為底膠表干。2.破壞形式：T混凝土破壞；S底膠與環氧砂漿界面破壞；W環氧砂漿界面破壞。

從表4可以看出：自制的免底膠環氧砂漿無論是3 d還是7 d的黏結性能強均比含抗老化助劑環氧砂漿和普通環氧砂漿略高，并且破壞形式都是混凝土界面破壞，能保證施工質量。同時對整個環氧砂漿施工而言，減少了底膠涂抹的施工工序，可以縮短工期；由于減少了結構層，從而降低了環氧砂漿的不確定性。

2.3 試驗分析

通過對以上3個試驗中的各數據進行對比分析可以看出：

1)底膠經陽光暴曬后，隨著暴曬時間的延長其黏結強度逐漸減小，暴曬至第 3 d后，黏結性能開始較大幅度的降低。并且初期主要是混凝土破壞，之后是底膠和砂漿之間的界面破壞就逐漸增多。

2)抗老化助劑的環氧砂漿底膠，由于底膠層比較薄，光穩定劑和抗氧劑對其影響效果不大，暴曬至第 5 d后的底膠的黏結性能與不含抗老化助劑的環氧砂漿差不多。

3)底膠施工完成后應該立即進行環氧砂漿面層的施工，施工間隔時間不得長于1 d。

4)對長時間暴曬過的底膠，應對底膠表層進行打磨處理，并清洗后才進行環氧砂漿施工。

5)沒有涂抹底膠的環氧砂漿比有底膠的黏結強度略高，并且都是混凝土破壞。

3 工程實例

3.1 工程簡介

孟加拉邦戈邦都大橋是南亞最長的一座大橋。大橋全長4.8 km，共有50個橋墩，是公路鐵路兩用橋。大橋于1998年6月23日竣工并通車。經過多年運營橋面出現了大量的由溫度和收縮應力造成的裂縫，嚴重影響橋梁的正常使用，急需進行橋面修復工作。同時孟加拉大部分地區屬亞熱帶季風型氣候，濕熱多雨。夏季最高溫度達45℃，雨季平均溫度30℃。

根據孟加拉當地的環境及橋梁的自身特點，為了確保橋面修復工作的成功。在大橋的東引橋上進行了試驗段施工。施工設計方案如下：主要使用高強度高彈模碳纖維板來約束裂縫的擴展并適當提高橋梁局部承載力，再鋪設4～10 mm厚的環氧砂漿找平、隔熱、加強及防水，最后鋪設SMA橋面耐磨層提高行車舒適性。

3.2 施工技術方案及要求

在邦戈邦都大橋的東引橋分別選取5 m區域，進行有底膠的含抗老化助劑環氧砂漿和自制無底膠環氧砂漿對比試驗，對比試驗段分布見圖1。對比試驗段結構層見圖2。

圖1 對比試驗段分布Fig.1 Location of the comparison trial section area

圖2 對比試驗段結構層Fig.2 Structural layers of the comparison trial section area

施工步驟如下：①橋面噴砂，基面處理；②黏貼高強度高彈模碳纖維板；③橋面和碳纖維板基面處理；④環氧砂漿施工。

施工時對施工時間和施工溫度嚴格控制，具體要求如下：①在15:30，太陽光照開始減弱、紫外線開始減弱后施工底膠；②施工時橋面溫度不得高于40℃；③底膠施工完成3 h后施工環氧砂漿，施工間隔時間不得超過24 h；④抗老化助劑環氧砂漿和自制無底膠環氧砂漿同時施工；⑤施工完成初凝結束后，遮陰養護。

3.3 結果及分析

施工完成7 d后，在對比試驗段的各區域內分別黏貼7個拉拔頭做拉拔黏結試驗，拉拔試驗編號為：自制無底膠環氧砂漿(D1～D7)；含抗老化助劑環氧砂漿(E1～E7)。試驗結果如表5。

表5 現場砂漿黏結強度及破壞形式

試驗段的黏結拉拔試驗數據表明：自制的免底膠環氧砂漿的黏結性能強比含抗老化助劑環氧砂漿和普通環氧砂漿略高，并且破壞形式都是混凝土界面破壞。同時有底膠的環氧砂漿施工控制因數多，減少了底膠涂抹的施工工序，可以縮短工期；由于減少了結構層，從而降低了環氧砂漿的不確定性。

4 結 論

1)環氧砂漿底膠由于強光暴曬會老化，影響其黏結強度。并且隨著暴曬時間的延長，其黏結強度會越來越低。對暴曬過的底膠表層打磨，并清洗后可以消除陽光暴曬的影響，保證環氧砂漿的黏結強度，保證施工質量。

2)在亞熱帶氣候地區戶外施工時，建議采用免底膠環氧砂漿，在保證環氧砂漿的黏結強度的前提下，可確保施工質量，同時簡化工藝，提供工效，縮短工期，具有較好工程實用價值，為孟加拉邦戈邦都大橋橋面病害成功診治打下技術基礎。

[1] 謝業明,潘榮,彭勃.不同固化體系下環氧結構膠的耐濕熱老化性能研究[J].工程與建設,2009,23(1):55-57.

Xie Yeming,Pan Rong,Peng Bo.Research wet and heat aging resistance of epoxy structural adhesive under different curing system [J].Engineering and Construction,2009,23(1):55-57.

[2] 潘東芳,彭勃.工藝參數對低粘度建筑結構膠粘結強度的影響[J].熱固性樹脂,2004,19(2):24-26.

Pan Dongfang,Peng Bo.Influence of process parameters on the low viscosity structural adhesive strength [J].Thermosetting Resin,2004,19(2):24-26.

[3] 凌彩珠,寧金成,彭勃.碳纖維加固用膠黏劑工作性能的研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(4):773-777.

Lin Caizhu,Ning Jincheng,Peng Bo.Study on working performance of adhesives for CFRP [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30 (4):773-777.

[4] DL/ T 5193—2004 環氧樹脂砂漿技術規程[S].北京:中國電力出版社,2004.

DL/T 5193—2004 Epoxy Resin Mortar Technology Procedures [S].Beijing:China Electric Power Press,2004.

[5] Bhavesh G K,Raman P S,Nakamura T.Degradation of carbon fiber-reinforced epoxy composites by ultraviolet radiation and condensation [J].Journal of Composite Materials,2002,36(24):2713-2733.

[6] Singh R P,Namrata S T,Bhadraiah S V.Photo-oxidation studies on polyurethane coating:effect of additives on yellowing of polyurethane [J].Polymer Degradation and Stability,2001,73(3):443-446.

[7] Nve B D,Shanahan M E R.Effects of humidity on an epoxy adhesive [J].International Journals of Adhesion and Adhesive,1992,12(3):191-196.

[8] 林明,侯學杰,王滿昌,等.陽光暴曬對環氧樹脂基復合材料涂層附著性能的影響[J].材料開發與應用,2011(12):42-44.

Lin Ming,Hou Xuejie,Wang Manchang,et al.Effect of sun exposure on the properties of epoxy resin matrix composite coating adhesion [J].Development and Application of Materials,2011(12):42-44.

[9] Oteino-Alego V.Characterization of the moisture absorption and thermal ageing behavior of polymeric composite systems using ramen[M]//Ageing Studies and Lifetime Extension of Materials.Germany:Springer-Verlag,1999:113-121.

[10] 黃明,黃衛東.環氧瀝青固化劑的一些相關問題研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2009,28(5):883-886.

Huang Ming,Huang Weidong.Several relative problems of epoxy asphalt solidifiers [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2009,28(5):883-886.