適用于隧道混凝土裂縫修補(bǔ)的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿性能研究

鞠向偉， 彭海龍， 高培偉,*， 姚應(yīng)征， 馬愛(ài)群， 張　駿

(1. 南京航空航天大學(xué)土木工程系， 江蘇 南京　210016；2. 山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 山西 太原　030012； 3. 無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 無(wú)錫　214000)

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適用于隧道混凝土裂縫修補(bǔ)的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿性能研究

鞠向偉1， 彭海龍2， 高培偉1,*， 姚應(yīng)征3， 馬愛(ài)群1， 張駿1

(1. 南京航空航天大學(xué)土木工程系， 江蘇 南京210016；2. 山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 山西 太原030012； 3. 無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 無(wú)錫214000)

摘要：為提供一種可用于隧道管片破損及裂縫修補(bǔ)的高效修補(bǔ)材料，研發(fā)一種高強(qiáng)、高黏結(jié)性的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿，研究改性砂漿抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度，并采用SEM等方法進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明： 1)隨聚灰比增大，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度先增大后減小； 2)在研究范圍內(nèi)，黏結(jié)強(qiáng)度隨聚灰比的增加而減小； 3)改性后砂漿黏結(jié)強(qiáng)度增大20%～40%。

關(guān)鍵詞：管片修補(bǔ)； 改性砂漿； 黏結(jié)強(qiáng)度； 微觀分析； 隧道裂縫

0引言

地鐵隧道工程多采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)法施工過(guò)程中襯砌拼裝和拼接防水為主要內(nèi)容，其工藝技術(shù)要求高，施工難度較大，易出現(xiàn)地面沉降、管片破損和開(kāi)裂等問(wèn)題[1-2]，易導(dǎo)致施工階段和后期運(yùn)營(yíng)發(fā)生管片滲水，滲水位置可能出現(xiàn)在管片裂縫、螺栓孔及注漿孔、拼接縫和破損較大處，滲水嚴(yán)重時(shí)則會(huì)影響地鐵列車(chē)的正常運(yùn)行、縮短地鐵工程使用壽命、甚至造成工程事故。水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥砂漿具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度和耐久性能，可適用于地下潮濕環(huán)境[3]下的混凝土管片破損開(kāi)裂等修補(bǔ)，且施工周期短，早期強(qiáng)度高，有助于提高混凝土管片使用生命周期，增大經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，但針對(duì)地鐵裂縫的修補(bǔ)研究還較少。國(guó)內(nèi)研究主要包括： 聚合物明顯改善砂漿黏結(jié)強(qiáng)度[4-6]，改性砂漿黏結(jié)強(qiáng)度隨聚合物摻量遞增，且養(yǎng)護(hù)制度和種類(lèi)不同，黏結(jié)性能不同，但均都高于普通砂漿；恒溫加熱聚合物，有助于降低含氣量，提高抗折和黏結(jié)強(qiáng)度[7]。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為改性砂漿在硬化期間，水泥水化和聚合物成膜成橋都可以發(fā)生，聚合物膜和鍵橋可以提高砂漿的抗折強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度[8-10]。本文針對(duì)聚合物改性砂漿在實(shí)際工程中黏結(jié)應(yīng)用的可靠性和黏結(jié)性差的問(wèn)題，采用不同試驗(yàn)方法進(jìn)行水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿黏結(jié)性能的研究，研制高黏結(jié)性改性修補(bǔ)砂漿，為地鐵隧道裂縫修復(fù)提供理論參考。

1試驗(yàn)原材料和方法

1.1試驗(yàn)原材料

采用南京某水泥公司生產(chǎn)的P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，中砂，聚羧酸減水劑，外加劑SF和B，上海某公司生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹(shù)脂及相應(yīng)固化劑G，其固含量都為50%，消泡劑采用磷酸三丁酯。

1.2試驗(yàn)方法

抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》[11]進(jìn)行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

黏結(jié)強(qiáng)度參考DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》和JGT 336—2011《混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)用聚合物水泥砂漿》[12]。黏結(jié)強(qiáng)度采用黏結(jié)抗折試驗(yàn)[13]和黏結(jié)抗拉試驗(yàn)2種方法進(jìn)行研究，其中黏結(jié)抗折強(qiáng)度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，黏結(jié)抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm截面混凝土試件，試件簡(jiǎn)圖如圖1和圖2所示。

圖1　黏結(jié)抗折試驗(yàn)試件簡(jiǎn)圖

圖2　黏結(jié)抗拉試驗(yàn)試件簡(jiǎn)圖

1.3配比設(shè)計(jì)

外加劑SF和B采用外摻法，聚灰比為0.04、0.06和0.08。環(huán)氧樹(shù)脂摻量以乳液固體含量為準(zhǔn)，消泡劑采用磷酸三丁酯。改性砂漿試驗(yàn)配比見(jiàn)表1。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿強(qiáng)度性能

不同聚灰比水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿7 d和28 d抗壓和抗折強(qiáng)度的影響如圖3所示。

表1　水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿試驗(yàn)配合比

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 抗折強(qiáng)度

Fig. 37 d and 28 d compressive strength and flexural strength of modified aqueous epoxy mortar vs. polymer-cement ratio

由圖3(a)可知： 1)聚灰比為0.04、0.06和0.08，改性砂漿7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均高于未改性砂漿，且隨聚灰比增加呈先增后降趨勢(shì)。改性后，7 d抗壓強(qiáng)度分別增加15.8%、19.8%和6.7%，28 d抗壓強(qiáng)度較未改性前分別增加21.6%、39.8%和16.6%，聚灰比為0.6，增幅最大。2)4組試件28 d強(qiáng)度較7 d分別增加14.8%、20.6%、34.0%和25.5%，證明水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿后期強(qiáng)度大幅增加，其原因在于分散在內(nèi)部水中的環(huán)氧顆粒隨著砂漿加速失水而相互接觸，黏結(jié)并堆積，將分散的環(huán)氧顆粒連接成相互作用的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度將較大幅度增長(zhǎng)。

由圖3(b)可知： 1)聚灰比為0.04、0.06和0.08，改性砂漿7 d抗折強(qiáng)度為未改性砂漿試件的91.4%、98.7%和93.9%，均低于未改性砂漿，這主要由于水性環(huán)氧樹(shù)脂具有一定的緩凝作用，改性砂漿前期水化不充分，且聚合物未完全成膜[14]。2)抗折強(qiáng)度隨環(huán)氧樹(shù)脂量增加呈先增后降趨勢(shì)。改性砂漿28 d抗折強(qiáng)度均高于未改性試件的抗折強(qiáng)度，且隨聚灰比的增大而先增加后降低；相比7 d抗折強(qiáng)度，聚灰比為0.06，28 d抗折強(qiáng)度增大幅度最大，為36.6%。

2.2水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿黏結(jié)強(qiáng)度

不同聚灰比水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿28 d的黏結(jié)強(qiáng)度如圖4所示。

(a) 黏結(jié)抗折強(qiáng)度

(b) 黏結(jié)抗拉強(qiáng)度

Fig. 4Bond strength of modified aqueous epoxy mortar vs. polymer-cement ratio

由圖4(a)可知： 以混凝土為基底的環(huán)氧改性砂漿黏結(jié)抗折強(qiáng)度大于未改性試件。聚灰比為0.04、0.06和 0.08的試件分別較未改性試件增大37.6%、12.8%和12.5%。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，聚灰比增大，改性砂漿的黏度隨之降低。以砂漿為基底的環(huán)氧改性砂漿黏結(jié)抗折強(qiáng)度均大于未改性的試件。結(jié)果說(shuō)明： 水泥砂漿本身具有一定黏結(jié)性，且水性環(huán)氧樹(shù)脂的加入增大了水泥砂漿的黏稠度。聚灰比為0.04、0.06和 0.08的試件分別較未改性試件增大38.7%、22.1%和19.6%。聚灰比增大，改性砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度隨之降低。

由圖4(b)可知，水泥砂漿改性后黏結(jié)抗拉強(qiáng)度均大于未改性試件。結(jié)果說(shuō)明： 水泥砂漿本身具有一定黏結(jié)性，但小于改性水泥砂漿[15]。環(huán)氧改性砂漿分別較未改性砂漿增大40.9%、22.8%和21.9%。在本研究范圍內(nèi)，隨聚灰比增大，改性砂漿的黏結(jié)抗拉強(qiáng)度降低，但降幅變緩。

2.3水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿微觀結(jié)構(gòu)分析

用SEM對(duì)聚合物改性水泥砂漿進(jìn)行微觀形貌研究，是一種比較直觀、簡(jiǎn)單的方法。通過(guò)掃描電子顯微鏡能夠?qū)π蚊策M(jìn)行全方位分析。觀察的對(duì)象包括水泥水化產(chǎn)物、聚合物、孔結(jié)構(gòu)、骨料與水泥漿體之間的過(guò)渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)等。不同聚灰比環(huán)氧改性砂漿SEM圖如圖5所示。

(a) 聚灰比=0

(b) 聚灰比=0.06

(c) 聚灰比=0.08

Fig. 5SEM results of modified aqueous epoxy mortar with different polymer-cement ratios

由圖5(a)可知，普通水泥砂漿的掃描電鏡圖中存在針狀、相互交錯(cuò)的鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)以及大量的絮狀水化CSH凝膠。SEM放大倍數(shù)為5 000倍，還可以清楚看到片狀的Ca(OH)2與針狀的鈣礬石交錯(cuò)在一起，但仍有許多的孔隙，孔隙之間的連接也很少。與之相比，在摻入環(huán)氧后，砂漿的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。

由圖5(b)和圖5(c)可知： 相比普通砂漿，摻加環(huán)氧，水泥水化后，針狀的鈣礬石晶體之間被一些薄膜狀的環(huán)氧黏結(jié)在一起，但并不能非常清楚地看到環(huán)氧的成膜形態(tài)。由圖5(c)可以看到許多網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包圍在針狀體和片狀體下部及周?chē)＿@些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是環(huán)氧在水泥水化過(guò)程中滲透成膜形成的，許多膜狀物越過(guò)孔隙起到架橋和填充作用，使得孔隙體積變小，環(huán)氧樹(shù)脂相互交錯(cuò)成膜形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[16]。

經(jīng)過(guò)改性后的砂漿，在水泥凝結(jié)硬化過(guò)程中，環(huán)氧就會(huì)在骨料與水泥漿體之間滲透成膜，使砂漿變得密實(shí)，黏結(jié)變牢固，兩者之間的黏結(jié)力得到大幅提高[17]。

3結(jié)論與討論

本文針對(duì)隧道管片處于的特定環(huán)境和修補(bǔ)要求，研制了一種具有高黏結(jié)強(qiáng)度的水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥修補(bǔ)砂漿，討論了改性修補(bǔ)砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度及其黏結(jié)強(qiáng)度。結(jié)果表明，該修補(bǔ)砂漿抗壓抗折強(qiáng)度性能突出，黏結(jié)強(qiáng)度性能優(yōu)越，具體表現(xiàn)如下。

1)環(huán)氧改性砂漿7 d齡期抗折強(qiáng)度均低于未改性試件，而28 d齡期后大幅增強(qiáng)，最大增幅達(dá)36.6%，抗折強(qiáng)度隨聚灰比的增加先增加后降低。

2)環(huán)氧改性砂漿7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均高于未改性砂漿，且隨聚灰比增加呈先增后降趨勢(shì)。改性后，7 d抗壓強(qiáng)度最大增幅為19.8%，28 d最大增幅為 39.8%。

3)以混凝土或普通砂漿為基底的環(huán)氧改性砂漿黏結(jié)抗折強(qiáng)度均大于未改性試件；水泥砂漿本身具有一定黏結(jié)性，但低于水性環(huán)氧樹(shù)脂改性砂漿。

4)經(jīng)過(guò)改性后的砂漿，在水泥凝結(jié)硬化過(guò)程中，環(huán)氧會(huì)在骨料與水泥漿體之間滲透成膜，使砂漿變得密實(shí)，黏結(jié)變牢固，兩者之間的黏結(jié)力得到大幅提高。

但隧道環(huán)境較為復(fù)雜，給其修補(bǔ)等施工帶來(lái)不同程度的影響。尤其突出的特點(diǎn)在于： 1)隧道管片處于地下環(huán)境，一般表現(xiàn)為潮濕狀態(tài)并承受長(zhǎng)期振動(dòng)荷載的作用； 2)管片中上部裂縫及破損較難修補(bǔ)，修補(bǔ)材料在具有高黏結(jié)性的前提下，應(yīng)盡可能減小自重，降低凝結(jié)時(shí)間。在目前研究的基礎(chǔ)上，還應(yīng)結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及此類(lèi)修補(bǔ)材料的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行更深層次的研討和探究。

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港珠澳大橋首個(gè)曲線段沉管預(yù)制完成

2016年4月16日，隨著最后一個(gè)節(jié)段E32-S6混凝土澆筑施工的完畢，港珠澳大橋首個(gè)曲線段沉管圓滿(mǎn)預(yù)制完成。建設(shè)者經(jīng)過(guò)106 d的持續(xù)奮戰(zhàn)，通過(guò)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)及優(yōu)化施工工藝，相繼攻克了曲線段沉管鋼筋籠頂推、模板施工、混凝土澆筑等施工難題，成功預(yù)制生產(chǎn)了第一個(gè)曲線段沉管，為后續(xù)的曲線沉管安裝創(chuàng)造了有利條件。

港珠澳大橋海底沉管隧道全長(zhǎng)5 664 m，由33節(jié)沉管組成，其中直線段沉管28節(jié)，曲線段沉管5節(jié)。初次聽(tīng)聞曲線段沉管的人可能會(huì)認(rèn)為曲線段的每一個(gè)節(jié)段都呈圓弧狀，其實(shí)不然。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目總部、設(shè)計(jì)分部、工區(qū)等的多番研究論證，將曲線段沉管采用“以折代曲”的施工工藝，即把小節(jié)段預(yù)制成類(lèi)似梯形的形狀，使每2個(gè)小節(jié)段之間產(chǎn)生一定的角度，通過(guò)多個(gè)節(jié)段的組合，達(dá)到與曲線相似的效果。這種效果造就了曲線段沉管的特殊性，也給工區(qū)的預(yù)制施工帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

E32沉管作為整個(gè)沉管預(yù)制廠投產(chǎn)的第一個(gè)曲線段沉管，由6個(gè)小節(jié)段組成。為了保證整體施工質(zhì)量，由項(xiàng)目總部牽頭，經(jīng)工區(qū)與各方通力合作，在正式預(yù)制開(kāi)始前完成了方案、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，曲線段施工技術(shù)交底以及測(cè)量流程梳理等工作。隨后，工區(qū)合理安排現(xiàn)場(chǎng)施工，根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了沉管預(yù)制生產(chǎn)線場(chǎng)地改造、原材料儲(chǔ)備及加工、設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)等工作，為曲線段沉管施工做好了充分準(zhǔn)備。

相比直線段沉管，曲線段沉管形態(tài)不規(guī)則，且每一個(gè)小節(jié)段都不盡相同，這不僅增大了預(yù)制難度，也增加了工藝的復(fù)雜性。幾何形態(tài)的不規(guī)則，使得原本統(tǒng)一加工鋼筋的長(zhǎng)度變得不同，出現(xiàn)了幾十種 “變尺型號(hào)”鋼筋，使鋼筋加工、安裝難度大幅增加，經(jīng)研究，工區(qū)最終采取型號(hào)掛牌、分類(lèi)下料存放的方式使各種型號(hào)的鋼筋正確歸位。不盡相同的節(jié)段形態(tài)，使得每一個(gè)節(jié)段的施工都需重新進(jìn)行測(cè)量定點(diǎn)，并通過(guò)鋼筋綁扎區(qū)兩側(cè)的綁扎胎架調(diào)試，以達(dá)到貼合每一個(gè)節(jié)段的目的，這是“直來(lái)直去”的直線段沉管所沒(méi)有的特點(diǎn)。

(摘自 中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部(主辦) http://www.cccchzmb.com/P28-23732.biz2016-04-17)

Study of Properties of Modified Aqueous Epoxy Mortar Used in Rehabilitation of Tunnel Concrete Cracks

JU Xiangwei1, PENG Hailong2, GAO Peiwei1，*, YAO Yingzheng3, MA Aiqun1, ZHANG Jun1

(1.DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,Jiangsu,China;2.ShanxiProvincialTransportationPlanning,SurveyandDesignInstitute,Taiyuan030012,Shanxi,China;3.WuxiMetroGroupCo.,Ltd.,Wuxi214000,Jiangsu,China)

Abstract:A kind of modified aqueous epoxy mortar with high performance and high bond strength for rehabilitation of tunnel segment cracks is developed. The properties of the mortar, including flexural strength, compressive strength and bond strength, are studied; then the microstructure of the mortar is analyzed by means of scanning electron microscope (SEM) method. The testing results show that: 1) The flexural strength and compressive strength increase with the polymer-cement ratio increases; and then they decrease at a peak. 2) The bond strength decreases with the polymer-cement ratio increases. 3) Compared to the traditional mortar, the bond strength of modified mortar increases by 20%-40%.

Keywords:segment rehabilitation; modified mortar; bond strength; microcosmic analysis; tunnel crack

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0398-05

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.005

第一作者簡(jiǎn)介：鞠向偉(1990—)，男，遼寧凌源人，南京航空航天大學(xué)在讀碩士，主要研究方向?yàn)榛炷敛牧稀-mail： 939324646@qq.com。*通訊作者： 高培偉，E-mail： 1152976931@qq.com。

項(xiàng)目基金：江蘇省建設(shè)廳項(xiàng)目(2013ZD12)； 江蘇省六大人才項(xiàng)目(JZ-010)； 無(wú)錫地鐵項(xiàng)目(JS-201400361001)

收稿日期：2015-06-29； 修回日期： 2016-01-20