橋梁裂縫修復用新型環氧樹脂修補材料性能研究

雷 鐳

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

0 引言

受車輛荷載和橋梁使用年限過長等因素的影響，我國很多混凝土結構橋梁出現了開裂問題，嚴重威脅到橋梁長久使用以及車輛行駛安全[1-3]。因此，研究并開發出快速、有效的混凝土裂縫修復技術非常重要。

目前，我國學者對混凝土裂縫的修復工作展開了大量的研究。常見的混凝土裂縫修補技術有化學注漿技術、微生物修復技術以及破碎再澆筑技術[4-8]。在這些常見技術中，化學注漿技術是成本較低、效果較好且比較快捷的混凝土修復技術，因此被廣為應用。常見的注漿修復材料是環氧樹脂膠（EP），具有修復速度快、膠體材料成本低等優勢[9-11]。但是，EP 材料的修補效果卻常常存在一定的局限性，因此需要對其進行改良。本文利用粉煤灰活性摻和料，基于室內試驗論證了新型FAEP 材料相較于普通EP 材料的優勢，并指出了新型FAEP 材料中粉煤灰的最優摻量。研究成果可為我國橋梁混凝土裂縫修復工作提供技術支撐。

1 修補材料制備

本次研究所制備的FAEP材料的主要成分包括環氧樹脂、乳化劑和固化劑，此3種材料均從商業渠道選購，基本技術指標見表1。此外，改性材料使用粉煤灰活性摻和料，其主要化學成分為SiO2（53.64%）、Al2O3（30.54%）、FeO（9.32%）、CaO（4.56%）及其他（1.94%）。本次研究共設計了5 組不同粉煤灰摻量的FAEP 材料，粉煤灰摻量分別為0（對照組）、2.5%、5%、7.5%和10%，深入分析了不同粉煤灰活性料含量下的FAEP修補材料的工程性能。

表1 環氧樹脂、乳化劑和固化劑物理化學性質

2 試驗設計

本次對5 組不同粉煤灰摻量的FAEP 材料展開綜合性能試驗，具體包括：單軸抗壓強度試驗、粘結強度試驗和干縮率試驗，上述試驗均是按照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-1999）等相關試驗標準和規范要求展開。利用YAW-2000 型萬能液壓試驗機（如圖1）對養護28d后的FAEP砂漿開展單軸抗壓強度試驗。

圖1 YAW-2000型萬能液壓試驗機

利用FAEP 材料粘結已養護28d 的混凝土塊，粘結后再養護28d，然后開展粘結強度試驗；干縮試驗則是將材料放入干縮室后定期測量材料的長度，以測定其干縮率。

3 試驗結果分析

3.1 單軸抗壓強度分析

基于養護28d后新型FAEP材料的單軸壓縮力學試驗，得到不同粉煤灰摻量下FAEP材料單軸抗壓強度變化曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP材料的單軸抗壓強度呈現出不斷降低的變化趨勢，粉煤灰的摻入對修補材料的抗壓能力具有一定的不利影響。對于不摻粉煤灰的EP 修補材料，其單軸抗壓強度為45.32MPa；隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP 材料的抗壓強度則分別下降到了42.08MPa、39.25MPa、34.12MPa 以及30.09MPa，分別較對照組試樣下降了7.15%、13.39%、24.71%和33.61%。分析認為，在水化過程中，環氧樹脂中存在大量的親水基，會在固-液交互界面產生吸附作用，水泥產物被包裹，阻礙水化反應。在摻入粉煤灰后，水泥含量大量減少，在水化過程中部分粉煤灰參與水化反應，因此，摻粉煤灰后新型FAEP材料的單軸抗壓強度逐漸降低。

圖2 不同粉煤灰摻量下養護28d的FAEP材料單軸抗壓強度變化曲線

進一步對新型FAEP材料的單軸壓縮強度與粉煤灰摻量之間的關系進行擬合，擬合結果如圖2所示。由圖2可知，新型FAEP材料的單軸抗壓強度與粉煤灰摻量之間成負線性相關關系，即，新型FAEP材料的單軸抗壓強度隨粉煤灰摻量增大而成線性遞減關系。擬合效果良好，線性相關系數R2達到0.9889。

3.2 粘結強度分析

對養護28d后的新型FAEP材料進行粘結強度力學試驗，得到不同粉煤灰摻量下粘結強度變化曲線，如圖3所示。由圖3 可知，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP 材料的粘結強度呈現出先增大后降低的變化趨勢，粉煤灰的摻入對修補材料的粘結能力的影響較為復雜。對于不摻粉煤灰的EP 修補材料，其粘結強度為3.98MPa；隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP材料的粘結強度則分別變為4.72MPa、5.12MPa、4.65MPa 以及4.11MPa。當粉煤灰摻量為5%時，新型FAEP材料的粘結強度相較于對照組提高了28.64%。分析認為，在水化過程中，環氧樹脂中存在大量的親水基，因此具有一定的保水作用，可有效降低修補界面砂漿泌水。在摻入粉煤灰后，粉煤灰會與環氧樹脂相互補充，減少了粘結界面的缺陷，因此提高了FAEP材料的粘結強度；而當粉煤灰摻量過高時，環氧樹脂的親水作用被抑制，因此FAEP材料的粘結強度出現了降低。

圖3 不同粉煤灰摻量下養護28d的FAEP材料粘結強度變化曲線

進一步對新型FAEP材料的粘結強度與粉煤灰摻量之間的關系進行擬合，擬合結果如圖3所示。由圖可知，新型FAEP材料的粘結強度與粉煤灰摻量之間成二次函數關系，即，新型FAEP材料的粘結強度隨粉煤灰摻量增大而先增大后減小。擬合效果良好，線性相關系數R2達到0.9629。

3.3 干縮性分析

新型FAEP材料干縮率隨粉煤灰摻量及干縮時間變化關系見表2。由表2 可知，對于不同粉煤灰摻量的FAEP 材料，其干縮率隨干縮時間的變化均呈現出相同的變化趨勢。隨著干縮時間的增長，新型FAEP修補材料干縮率逐漸增大，但增長速率越來越慢。由表2可知，當干縮時間達到28d后，隨著粉煤灰摻量的增大，材料的最終干縮率呈現出先降低后升高的變化趨勢。當粉煤灰摻量為5%時，其最終干縮率最低，僅有4.76%。由此可見，新型FAEP材料的抗干縮變形能力呈現出先增強后變弱的變化趨勢。分析認為，當摻入一定的粉煤灰后，砂漿中水泥的含量便有所降低，因此降低了水化反應的發生程度，而由于粉煤灰的比表面積較小，降低了水的吸附能力，因此新型FAEP修補材料的收縮能力降低；而當粉煤灰摻量過大，導致材料親水性差，水化反應不充分，新型FAEP修補材料的干縮性也就增大了。

表2 新型FAEP材料干縮率隨粉煤灰摻量及養護時間變化關系

4 結束語

基于室內單軸壓縮試驗、粘結強度試驗以及干縮性試驗，對比分析了新型FAEP材料與普通環氧樹脂的工程性能，并深入研究了粉煤灰摻量對新型FAEP材料應用性能的影響。研究結論如下：

（1）粉煤灰的摻入對新型FAEP材料的抗壓能力具有一定的不利影響。對于不摻粉煤灰的EP 修補材料，其單軸抗壓強度為45.32MPa；隨著粉煤灰摻量的不斷增大，新型FAEP材料的抗壓強度，分別較對照組試樣下降了7.15%、13.39%、24.71%和33.61%。

（2）新型FAEP材料的粘結強度與粉煤灰摻量之間成二次函數關系。新型FAEP材料的粘結強度隨粉煤灰摻量增大而先增大后減小。不同粉煤灰摻量條件下，新型FAEP 材料的粘結強度分別為3.98MPa、4.72MPa、5.12MPa、4.65MPa以及4.11MPa。

（3）新型FAEP材料的抗干縮變形能力呈現出先增強后變弱的變化趨勢。當干縮時間達到28d后，隨著粉煤灰摻量的增大，材料的最終干縮率呈現出先降低后升高的變化趨勢。當粉煤灰摻量為5%時，其最終干縮率最低，僅有4.76%。