剛性實體橋梁墩臺裂縫的環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補技術研究

丁海峰

【摘要】剛性實體橋梁墩臺混凝土表面裂縫對工程質(zhì)量的潛在危害較大。該文選擇環(huán)氧樹脂灌漿材料作為裂縫的修補材料，分析了環(huán)氧樹脂灌漿料的特點與性能，分別提出了潮濕和干燥條件下環(huán)氧樹脂灌漿料的推薦配方，提出一套橋梁墩臺裂縫的環(huán)氧灌漿材料壓力灌注修補工藝。研究成果對提高剛性實體橋梁墩臺混凝土結構耐久性與使用壽命具有重要的現(xiàn)實意義。

【關鍵詞】混凝土裂縫修補；環(huán)氧樹脂灌漿料；改性配方；修補工藝

0 引言

剛性實體橋梁墩臺屬于大體積混凝土結構，在建設和使用過程中不可避免地出現(xiàn)不同程度、不同形式的裂縫。采用有效的預防措施雖可將早期裂縫控制在一定范圍內(nèi)，但在橋梁實際運營條件下，墩臺混凝土結構長期遭受恒載、活載、溫度變化、混凝土收縮等因素共同作用，部分無害裂縫將逐漸發(fā)展成為有害裂縫，同時裂縫的數(shù)量也將隨著橋梁運營時間的增加而增大，不僅影響橋梁工程的外觀形象，還會降低工程結構的耐久性，如果不及時對混凝土裂縫進行修補，甚至可導致橋梁坍塌事故的發(fā)生[1]。為此，該文選擇環(huán)氧灌漿材料作為橋梁墩臺裂縫修補的基質(zhì)材料，分析了環(huán)氧樹脂灌漿材料的性能及特點，給出了干燥與潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方，制定了壓力灌注環(huán)氧樹脂裂縫修補的施工技術流程。

1 環(huán)氧樹脂灌漿材料的性能及特點

環(huán)氧樹脂屬熱塑性樹脂材料，可與固化劑進行交聯(lián)反應，生成各類固化物。環(huán)氧樹脂灌漿材料是由環(huán)氧樹脂為主，同時添加固化劑、改性劑、促進劑、稀釋劑等組成的液態(tài)材料[2]。

1.1 環(huán)氧灌漿材料修復混凝土裂縫的機理

應用環(huán)氧灌漿材料對墩臺混凝土裂縫進行修補是個較復雜的化學與物理過程，需要經(jīng)過浸潤、粘附、固化等過程，形成具有交聯(lián)三維結構的固化物，將裂縫兩側混凝土粘結形成整體結構。具體過程如下：（1）浸潤，環(huán)氧樹脂既有親水的輕基團，同時含有疏水的碳氫鏈段，因此具備一定的表面活化特征，進而在材料表面生成單分子膜結構進行浸潤；（2）粘附，環(huán)氧類材料含有極性基團（環(huán)氧基、醚鍵、輕基等），可與其它極性材料形成偶極化學鍵，進而形成有力的化學和物理吸附作用，在材料間生成穩(wěn)定的粘結界面，因此粘接性能突出；（3）固化成型：環(huán)氧類材料的分子量小，但同固化劑進行交聯(lián)反應和開環(huán)加成聚合生成具有異向網(wǎng)絡結構的巨大分子，破壞此類預聚體內(nèi)聚力所需能量是普通氯丁橡膠的2倍以上[3]。

1.2 環(huán)氧樹脂材料的性能特征

環(huán)氧樹脂與其他聚合物材料相比較具有很多優(yōu)良的性能，其主要工程應用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）環(huán)氧樹脂含有環(huán)氧基與極性基團，與極性材料（金屬、水泥基材等）產(chǎn)生較強的粘結作用；（2）環(huán)氧樹脂在固化過程中很少產(chǎn)生低分子揮發(fā)物，線膨脹系數(shù)小，內(nèi)應力較小，膠層的體積穩(wěn)定性好；（3）應用不同的環(huán)氧灌漿材料配方，可獲得所需要的工程應用性能，如高強度、高柔性、耐高溫、耐低溫、導熱、導磁、導電、耐老化等；（4）環(huán)氧樹脂與各類無機、有機填料有較好的相容性，可通過共混、交聯(lián)、共聚、填充等方式進行改性，提高膠層的粘結性能；（5）耐腐蝕性與介電性能優(yōu)異；（6）產(chǎn)地廣、產(chǎn)量大、價格低廉。上述分析表明，環(huán)氧樹脂材料具有優(yōu)異的粘結作用，在應用中同時具備耐熱、抗蠕變及收縮率小等特征，因此在各類工程中得到了廣泛應用[4]。

1.3環(huán)氧灌漿材料的增韌改性

對混凝土裂縫進行灌漿修補，要求灌漿材料具備剛性抵抗荷載作用，同時具備一定的韌性以便提高粘接能力。但改性前的環(huán)氧樹脂材料固化后性質(zhì)偏脆，其抗剝離、抗開裂及抗沖擊的性能也較差，易出現(xiàn)裂縫，且不耐疲勞。因此，需要通過改性克服環(huán)氧樹脂固化物硬而脆的缺點，提高韌性與抗疲勞性能。目前，環(huán)氧灌漿材料的增韌改性方法主要采用以下四種途徑：（1）以雙酚型環(huán)氧樹脂作為基質(zhì)材料，添加非反應性增韌劑與環(huán)氧增塑劑，該法配制的環(huán)氧灌漿材料粘度高，但低溫固化性較差，同時固化物低溫時較硬，耐水性較差；（2）以帶官能團的液體端鞍基丁睛橡膠、端胺基聚氨醋橡膠等作為增韌改性材料，通過調(diào)節(jié)溶解度參數(shù)，控制固化過程，提高環(huán)氧樹脂的斷裂韌性，但該法可致灌漿料的模量與耐熱性能下降；（3）采用分子量10000以上的熱塑性樹脂與熱固性環(huán)氧樹脂進行共混增韌，可在提高環(huán)氧樹脂韌性的時保持材料的模量及耐熱性基本不變，但熱塑性樹脂的流動性與溶解性較差，加工工藝繁雜；（4）采用由各向異性的介晶基元組成的液晶聚合物對環(huán)氧樹脂進行增韌改性[5]。

2 干燥與潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的配方研究

環(huán)氧樹脂灌漿材料的工程應用性能對橋梁墩臺混凝土裂縫的膠結修補效果具有決定性影響，因此需要選擇合理的原材料、試驗裝置、測試方法及配制工藝。

2.1 原材料

（1）環(huán)氧樹脂

雙酚 A 型環(huán)氧樹脂是由環(huán)氧氯丙烷和二酚基丙烷在堿性催化劑作用下縮聚而成的，其中環(huán)氧基和羥基使固化物具有很強的內(nèi)聚力和粘接力、醚鍵和羥基可提高粘附力和浸潤性、C—C鍵和醚鍵增加大分子的柔順性、苯環(huán)和異丙基提高聚合物的剛性和耐熱性、C—O鍵提高聚合物的耐堿性[6]。上述特征使雙酚A 型環(huán)氧樹脂在工程結構補強領域得到廣泛應用。然而，雙酚A型環(huán)氧樹脂只溶于有毒且易燃易爆有機溶劑，因此以水為溶劑的水性環(huán)氧樹脂逐漸得到推廣應用。水性樹脂材料常用于混凝土補強劑等，還可降低傳統(tǒng)溶劑型環(huán)氧樹脂材料對人體健康與環(huán)境產(chǎn)生危害。

（2）固化劑

在環(huán)氧樹脂材料灌漿料的配制過程中，主要采用多胺類常溫固化劑，包括低分子聚酰胺樹脂、直鏈脂肪族多胺、C型與D型環(huán)氧樹脂固化劑、水性環(huán)氧樹脂固化劑。其中：低分子聚酰胺樹脂能在室溫或加熱條件下使環(huán)氧樹脂固化，固化物具有良好的韌性、粘結力、耐磨性、耐腐蝕性，但在室溫條件下的固化速度慢、粘度偏大[6]；直鏈脂肪族多胺可在室溫下與環(huán)氧樹脂反應，但固化物偏脆，因此需與低分子聚酰胺樹脂搭配使用[7]；C型與D型環(huán)氧樹脂固化劑的分子體系中同時具有親水和憎水性，在灌漿壓力的推動下用漿液取代處理范圍的自由水和毛細水，可保證灌漿料在潮濕環(huán)境中充分固化[8]；水性環(huán)氧樹脂固化劑屬于低揮發(fā)性化合物，可以用水進行稀釋，抗化學侵蝕能力強，對潮濕混凝土具有良好的封閉性[9]。

（3）稀釋劑

摻入固化劑后環(huán)氧樹脂材料的粘度較大，因此需摻配稀釋劑來降低漿液的初始粘度，提高其滲透能力[10]。但加入稀釋劑后會影響漿液固化物的力學性能，影響灌漿效果，因此需要選擇適合的稀釋劑及其摻配比例。糠醛與丙酮雙組分混合活性稀釋劑可保證漿液良好的可灌性，同時可保證環(huán)氧樹脂固化物的強度，兼具固化物體積穩(wěn)定性好、耐久、耐老化等有點。

（4）促進劑

環(huán)氧樹脂灌漿料在常溫下的初凝固化時間較慢，因此需要在漿液中加入促進劑。三（二甲胺基甲基）苯酚促進劑含有羥基，與環(huán)氧基能形成氫鍵，可加速固化反應，縮短固化時間。

2.2 試驗裝置及測試方法

（1）環(huán)氧樹脂灌漿料的粘度測定

為保證灌漿質(zhì)量，依據(jù)《膠粘劑粘度的測定》測試標準，應用旋轉粘度計、恒溫水浴、溫度計、秒表等儀器，可測試環(huán)氧樹脂灌漿料的初始粘度。

（2）環(huán)氧樹脂灌漿料的初凝時間測定

為保證灌漿施工的可操作時間，依據(jù)《膠粘劑粘度的測定》測試標準，應用旋轉粘度計、恒溫水浴、溫度計、秒表等儀器，可測試漿液的初凝時間。

（3）環(huán)氧樹脂灌漿料的粘結強度測定

依據(jù)《建筑防水涂料試驗方法》測試標準，應用抗拉試模、電動抗折儀、刮刀等儀器，可分別測試干燥與潮濕環(huán)境中環(huán)氧樹脂漿液固化物與周邊混凝土間界面上的粘結強度。

（4）環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物抗壓強度的測定

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》測試標準，應用液壓式萬能試驗機及相關試模，可測試環(huán)氧樹脂固化產(chǎn)物抗壓強度

2.3 干燥施工條件下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方（表1）

表1 干燥環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方

漿液組分名稱 雙酚 A 型環(huán)氧樹脂 混合型固化劑 稀 釋 劑 三苯酚促進劑

聚酰胺樹脂固化劑 多胺固化劑 糠醛 丙酮

摻量 100g 20g 5g 40ml 40ml 3g

3.4 潮濕施工條件下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方（表2）

表2 潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方

漿液組分名稱 雙酚 A 型環(huán)氧樹脂 C型環(huán)氧樹脂固化劑 稀 釋 劑 三苯酚促進劑

糠醛 丙酮

摻量 100g 30g 40ml 40ml 2g

3 壓力灌注環(huán)氧樹脂裂縫修補的施工技術流程

環(huán)氧灌漿料對橋梁墩臺混凝土裂縫的修補效果取決于以下幾個方面：混凝土表面特征、環(huán)氧樹脂材料的膠粘能力、配制工藝、存儲方法、施工工藝、環(huán)境條件等。這表明混凝土裂縫修補效果同時受到材料質(zhì)量和施工方法兩方面的影響。該文作者根據(jù)多年施工經(jīng)驗，提出一套橋梁墩臺裂縫的環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補工藝。

3.1 壓力灌注環(huán)氧樹脂裂縫修補工作原理

利用手工或機械手段，在壓力作用下將配制的灌注材料灌入混凝土結構裂縫中，環(huán)氧樹脂灌漿材料在裂縫中凝固后與混凝土形成閉合，使裂縫封閉。

3.2墩身裂縫修補工藝

（1）施工工藝流程

施工工藝流程：設計布置圖→清洗裂縫→粘灌漿嘴→封閉裂縫→檢查裂縫封閉情況→修補漏氣處→配漿→灌漿→效果檢查。

（2）施工機具

鋼絲刷、砂輪機、高壓水槍、噴霧器具、鑿子、錘子、專用尼龍刷、半硬棕刷、計量水和料的器具、拌料器具、注射器、抹布、膠皮手套等。

（3）施工方法

第一步，對墩臺混凝土裂縫進行檢查，確定裂縫的幾何特征并進行混凝土表面標記；

第二步，對混凝土裂縫進行前期清潔處置，采用專用打磨設備，清除裂縫周邊及內(nèi)部的雜物、浮塵及松散體，保持混凝土表面具有良好的粘結面；

第三步，按裂縫的幾何特征確定注膠位置并沿裂縫開裂方向每延米安裝三個注射設備臺座，保持臺座基底幾何形心與裂縫重合；

第四步，對裂縫與臺座周邊5cm2的范圍進行徹底密封，防止?jié){液損失；

第五步，利用裝滿灌漿料的注射設備進行灌漿作業(yè)，避免注射設備混入氣泡。通過加壓方式灌漿，如注射設備內(nèi)灌漿料無法一次灌滿裂縫，需及時進行添加，防止?jié){料固化；

第六步，裂縫注滿灌漿料后需保持60～90分鐘，待灌漿料初凝后方可拆卸注漿設備；

第七步，在25℃條件下，灌漿后6～24h后可拆卸注漿設備臺座，用砂輪機等機具進行墩臺混凝土裂縫的表面美化修復工作。

（4）施工技術措施

每次實施橋梁墩臺裂縫的環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補作業(yè)前，需要精確計算灌漿材的配置量，防止環(huán)氧灌漿材料在關注前發(fā)生早期固化，影響裂縫修補效果；

制備的環(huán)氧樹脂灌漿材料需要在陰涼、通風的環(huán)境中分散存放，并適當攪拌，防止固化；

在環(huán)氧樹脂灌漿材料的修補施工和后期養(yǎng)護過程中，需要控制裂縫周圍環(huán)境溫度；

修補施工和后期養(yǎng)護過程中，工作人員要求不能裸露手、口、鼻等易受刺激的器官，防止溶劑型環(huán)氧樹脂材料的揮發(fā)顆粒對人體健康產(chǎn)生危害

禁止施工人員拋棄施工器具，污染環(huán)境；

環(huán)氧樹脂灌漿材料壓力灌注修補作業(yè)完畢后，可通過壓縮空氣或壓入水（灌漿壓力的70%～80%）或鉆芯取樣等方式對灌漿質(zhì)量進行核查。

3.3 橋梁墩臺裂縫觀測制度

墩身裂縫在修補前后均需要對裂縫進行觀測，修補前的觀測主要是觀察裂縫是否存在繼續(xù)發(fā)展狀況；修補后的觀測主要是觀察裂縫修復后是否存在二次開裂現(xiàn)象。觀測制度如下：

（1）觀測人員

現(xiàn)場工程技術人員負責裂縫修復前后的觀測，并對每一次觀測結果做出評估。

（2）觀測時間和周期

觀測時間為每個觀測日的早上6：30～7：30，此時間段為墩身溫度較低、溫度變化較小，且觀測視線較好的觀測時間段。

裂縫修復前觀測：觀測時間段為一周，觀測周期為每天觀測一次，并做好觀測記錄。裂縫修復前觀測一周后，并對觀測記錄進行評估，且評估結果為裂縫無繼續(xù)發(fā)展，才可進行裂縫修復工作。

裂縫修復后第一周觀測：觀測時間段為一周，觀測周期為每天觀測一次，并做好觀測記錄；裂縫修復后第二、三周觀測：觀測時間段為兩周，觀測周期為每周觀測兩次，并做好觀測記錄；裂縫修復后第四～七周觀測：觀測時間段為四周，觀測周期為每周觀測一次，并做好觀測記錄。

4 結語

剛性實體橋梁墩臺混凝土表面裂縫雖然在短期內(nèi)不會對工程實體結構的安全性產(chǎn)生影響，但裂縫的長期存在會導致結構內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕，從而影響工程結構的實用設計年限，因此需要及時對墩臺混凝土表面裂縫進行修補。該文選擇環(huán)氧灌漿材料作為剛性實體橋梁墩臺裂縫的修補材料，給出了干燥與潮濕環(huán)境下環(huán)氧樹脂灌漿材料的推薦配方，并結合多年施工經(jīng)驗提出一整套橋梁墩臺裂縫的壓力灌注修補工藝。

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