地鐵工程用彈性環氧封縫膠的研究與應用

曠慶華

摘要：研究了稀釋劑、增韌劑對彈性環氧封縫膠力學性能的影響。通過對配方的優化，制得了一種力學強度與柔韌性能均良好的彈性環氧封縫膠，并應用于長沙地鐵2號線的裂縫修補工程中，取得了良好的效果。

關鍵詞：稀釋劑；增韌劑；拉伸性能；地鐵工程；裂縫修補

在地鐵施工過程中，由于各方面的原因，已經施工完成的混凝土結構常常會出現裂縫，發生滲漏現象?，F有對裂縫進行嵌填密封的材料大部分為聚氨酯，這種材料雖然具有良好的柔性，但與混凝土粘接能力不佳且耐久性差。環氧樹脂作為一種力學性能佳、耐久性優異的材料一直廣泛應用于土木工程的各個領域，但其柔韌性較差。通過增韌等改性手段，可以使環氧體系獲得相應的韌性以適應活動裂縫的尺寸變化，同時保有其高粘接與耐久的特點。本文基于上述原理對彈性環氧封縫膠進行配方設計及性能研究，最終制得了一種地鐵工程裂縫嵌填密封專用的彈性環氧封縫膠。

1 實驗部分

1.1 原材料

雙酚A型環氧樹脂E51，碳12-14烷基縮水甘油醚S1、丁基縮水甘油醚S2、1，6-己二醇二縮水甘油醚S3、間苯二酚二縮水甘油醚S4、三羥甲基丙烷三縮水甘油醚S5，工業級，國產；長鏈脂肪族增韌劑B1、聚硫橡膠B2、聚氨酯改性環氧樹脂B3，工業級，國產；脂環胺C1、雜胺C2，工業級，國產。

1.2 測試設備

電子萬能試驗機，WDW100，中國科學院長春科新公司試驗儀器研究所；恒溫箱；研磨分散機。

1.3 實驗試件的制備

拉伸試件：參考GB/T 2567—2008中試樣制備方法進行。

正拉粘接試件：參考GB 50728—2011中附錄G中試樣制備方法進行。

固化方式：恒溫（23±2）℃固化7 d。

1.4 性能測試與表征

拉伸性能（包括拉伸強度、斷裂伸長率以及彈性模量）：參考GB/T 2567—2008測定，拉伸速率為10 mm/min。

粘接強度：參考GB 50728—2011中附錄G進行測定

2 結果與討論

2.1 不同稀釋劑對拉伸性能的影響

稀釋劑主要用來降低環氧膠粘劑體系的黏度，改善膠液的涂布性和流動性。但稀釋劑的加入一般會降低固化產物的各項性能 [1]。為了降低稀釋劑摻入帶來的不利影響，原則上優先選用活性稀釋劑。

本文選取已添加一定增韌劑的環氧樹脂作為基體，以柔韌性優異的脂環胺C1和雜胺C2進行復配作為固化劑，分別加入不同種類不同摻量的稀釋劑，測試其拉伸性能，結果見圖1、圖2和圖3。

從圖1可以看出，單環氧稀釋劑S1、S2的加入顯著降低了固化體系的拉伸強度。且隨著S1、S2摻量的不斷增加，固化產物拉伸強度不斷下降，但下降趨勢逐漸變緩。

雙環氧稀釋劑S3、S4的摻入對體系拉伸強度的影響并不相同。隨著S3摻量的增加，拉伸強度呈下降趨勢，隨著S4摻量的增加，拉伸強度反而呈現上升的趨勢，造成這種現象的原因是其分子結構組成不同。雖然S3與S4分子結構中均含有雙環氧基，但是由于S3屬于線型結構，其固化產物的強度遠低于環氧樹脂本身強度，而S4分子結構中存在著芳香環，致使其固化產物的強度略高于環氧樹脂本身強度，所以導致上述現象的產生[2]。

隨著三環氧稀釋劑S5摻量的增加，環氧固化產物的拉伸強度呈下降趨勢，但是下降趨勢較為平緩。

從圖2可以看出，隨著單環氧稀釋劑S1、S2摻量的增加，固化產物的斷裂伸長率呈現先升高后降低的趨勢，當S1、S2摻量為10%時，斷裂伸長率均達到最大。隨后隨著其摻量的增加，斷裂伸長率迅速降低。原因是由于當S1、S2摻量過多會導致固化產物的力學性能顯著下降，斷裂伸長率亦隨之下降。

雙環氧稀釋劑S3、S4的加入對固化產物斷裂伸長率的影響也不相同。隨著S3摻量的增加，裂伸長率表現為先升后降，但是降幅沒有單環氧稀釋劑明顯。隨著S4摻量的增加，斷裂伸長率則持續大幅下降。

隨著三環氧稀釋劑S5摻量的增加，斷裂伸長率呈持續緩慢上升的趨勢。

從圖3可以看出，單環氧稀釋劑S1和S2的摻入使得環氧固化產物的彈性模量呈急劇下降的趨勢。這是由于單環氧稀釋劑的分子結構中僅含有一個環氧基團，在發生固化反應時，僅能在一端連接到交聯網絡中去，導致固化產物的交聯密度顯著降低，從而彈性模量也明顯降低。

隨著雙環氧稀釋劑S3摻量的增加，彈性模量逐漸下降。這是因為其分子結構中含有2個環氧基團，在固化反應過程中能參與固化產物交聯網絡結構的形成，固化產物的交聯密度下降不如單環氧稀釋劑的幅度大，所以彈性模量稍高于單環氧稀釋劑S1和S2。

雙環氧稀釋劑S4對固化產物彈性模量的影響異于S3，隨著S4摻量的增加，彈性模量亦隨之增加。這是由于S4分子結構中在含有2個環氧基的同時還含有苯環結構，其中苯環結構具有一定的剛性，所以在固化反應后能提高固化產物的交聯密度和剛度，從而導致彈性模量明顯上升。

隨著三環氧稀釋劑S5摻量的增加，彈性模量呈平緩下降的趨勢。這是由于S5分子結構中含3個環氧基團，固化反應后能成為固化產物交聯網絡的一部分，所以固化產物的交聯密度不會有太大下降，且其分子結構中不含苯環，不致使固化產物剛度變大，因此導致固化產物彈性模量呈下降趨勢。

2.2 不同增韌劑對拉伸性能的影響

常用的增韌劑一般為無機填料類、橡膠類、熱塑性樹脂類、互穿網絡聚合物以及柔性鏈段固化劑等。環氧體系中無機填料的加入雖然可使環氧固化產物的韌性增加，但是對其彈性模量的降低和斷裂伸長率的增加基本沒有改善，故作為增韌劑而言，本實驗不予采用。本實驗中選用了B1、B2、B3這3種不同類型的增韌劑，其中B1為長鏈脂肪族增韌劑；B2為液態聚硫橡膠；B3為聚氨酯改性環氧樹脂。選用E51環氧樹脂作為A組分，脂環胺C1、雜胺C2復配體系作為B組分，對以上3種增韌劑進行拉伸性能的考查，結果如圖4、圖5、圖6所示。

從圖4～6可以看出，3種增韌劑的摻入對環氧固化產物柔韌性能的改善均相當顯著。隨著B1或B2摻量的增加，固化產物斷裂伸長率會顯著增加，而彈性模量會顯著降低，這是由于當B1或B2摻入到環氧樹脂中，參與固化反應時，會在環氧固化產物的網絡交聯結構中引入柔性良好的長鏈段分子，提高了環氧固化產物交聯網絡的自由活動能力，極大地改善了固化產物的柔韌性能。所以隨著B1或B2摻量的增加，環氧固化產物的拉伸強度和彈性模量持續地下降。但是隨著B1或B2摻量的增加，其固化產物的斷裂伸長率呈現先升后降的趨勢，這是由于長鏈段分子的引入大大增加了分子鏈段柔順性的同時也會大大降低環氧固化產物的內聚強度，導致斷裂伸長率出現下降的趨勢。

隨著B3摻量的增加，拉伸強度以及彈性模量逐漸降低。在B3摻量為30%以前，拉伸強度和彈性模量的下降趨勢不明顯，但是摻量超過30%時，拉伸強度與彈性模量均會顯著下降。主要原因可能是當聚氨酯改性環氧樹脂摻量增多時，固化產物中聚合物的協同作用減弱，更多地向聚氨酯鏈段的柔韌性能方向發展，導致拉伸強度與彈性模量下降[3]。隨著B3摻量的增加，斷裂伸長率持續增加。當B3摻量為100%時，斷裂伸長率可達90%，大大提高了固化產物的柔韌性能。

2.3 彈性環氧封縫膠綜合性能

由于進行嵌填修補的彈性環氧封縫膠應為膏狀，所以必須加入適當的填料與流變助劑。但是填料的加入會嚴重損失固化產物的柔韌性能，鑒于此，本研究中選取的膠液應為柔韌性能優異的體系。經過對稀釋劑、增韌劑的分析比較，最終確定在E51樹脂基液中加入30份的S2和100份的B3。所用填料為納米填料，并使用流變助劑改善膠粘劑的觸變性，提高其施工性能。所用固化劑為柔韌性良好的脂環胺C1與雜胺C2的復配體系。其主要性能如表1所示。

從表1可以看出，固化產物的柔韌性能良好，其斷裂伸長率可達55%。同時與混凝土粘接性能優異，與干燥混凝土界面粘接強度可達2.5 Mpa以上。加之其具有良好的觸變性，可在頂面或立面進行嵌填施工，施工過程和固化過程中膠粘劑均不發生流墜現象，賦予了彈性環氧封縫膠良好的施工性能。

3 工程應用

滲漏是地下工程中常見的問題。長沙地鐵2號線是長沙市首條開通的地鐵線路，線路全長22.226 km，均為地下線。由于各種原因，全線車站主體結構混凝土工程中多處出現裂紋，混凝土表面有滲水現象。工程所處地層地下水豐富，地下水可透過裂紋滲入鋼筋混凝土結構內部，對鋼筋及混凝土產生腐蝕作用，嚴重影響工程結構的安全性。傳統的裂縫修復方法為注漿法，且所用注漿材料以聚氨酯為主，但由于聚氨酯耐久性與粘接性能差等原因，導致注漿修復后，經過一段時間，裂縫又重新滲漏[4，5]。經過分析論證，按照JGJ/T 212—2010《地下工程滲漏治理技術規程》中提到的“多道設防”原則，決定在注漿修復的基礎上，再沿裂縫鑿槽，然后嵌填環氧膠泥，進行二次防護，即嵌填彈性環氧膠泥，以適應裂縫寬度變化所帶來的危害。

本文所研制的彈性環氧封縫膠現已成功應用于長沙地鐵2號線裂縫修復工程，圖7為彈性環氧封縫膠修補原理示意圖。從現場的修復效果可見，固化產物無任何流墜現象，顏色接近于混凝土本身的顏色，修補效果良好。

4 結論

1）單環氧稀釋劑的摻入會顯著降低環氧固化產物的拉伸強度，而多環氧稀釋劑的影響不盡相同。

2）增韌劑的摻入能大幅增加環氧固化產物的柔韌性能，同時也會不同程度降低產物的力學強度。

3）通過配方優化，制得了一種力學性能優異、柔韌性能良好的彈性環氧封縫膠。現已應用于長沙地鐵2號線裂縫嵌填修復工程中，取得了良好的效果。

參考文獻

[1]孫曼靈.環氧樹脂應用原理與技術[M].第1版.北京：機械工業出版社，2002：1-268.

[2]蔡佩芝，張昊，趙東林，等.稀釋劑對DDM/E-51環氧樹脂體系力學性能的影響[J].高分子材料科學與工程，2010，26（11）：75-82.

[3]周宏群.環氧建筑結構膠的增韌改性研究[D].長沙：湖南大學土木工程學院，2011：48-51.

[4]富珠峰，楊霞，王霽新.彈性環氧灌漿材料在上海地鐵9號線中的應用[J].中國建筑防水，2012（4）：21-24.

[5]楊元龍，徐宇亮，張亞峰，等.高強度無溶劑環氧樹脂堵漏材料的制備與應用[J].中國建筑防水，2012（8）：4-7.