薄覆型環氧砂漿在輸（儲）水混凝土防護中的應用

婁巖

摘 要：在輸（儲）水工程中，由于其特殊的運行條件，混凝土的老化形式和機理更為多樣和復雜，如裂紋、碳化、溶蝕、凍融剝蝕、化學腐蝕、沖磨破壞等，所以對防護和修補提出了更高的要求。隨著社會的發展和對修補防護作用認識的加深，高性能環氧防護修補材料的應用已越來越普遍。薄覆型環氧砂漿采用活性増韌體系，使材料具有良好的韌性，可避免應用過程中環境溫度變化等因素引起的應力積累，防止防護層開裂和脫空。

關鍵詞：環氧砂漿;混凝土;防護

中圖分類號：X799.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0112-04

Application of Thin Covered Epoxy Mortar in Protection

of Water Storage （Storage） Concrete

LOU Yan

（Management Department of Donggan Canal， Beijing South-North Water Transfer Project，Beijing 100176）

Abstract： In the transportation （storage） water project， due to its special operating conditions， the aging form and mechanism of concrete are more diverse and complex， such as crack， carbonization， dissolution， freeze-thaw erosion， chemical corrosion， erosion damage， etc. Higher requirements are placed on protection and repair. With the development of society and the deepening of understanding of repair and protection， the application of high-performance epoxy protective materials has become more and more popular. The thin-coated epoxy mortar adopts an active toughening system to make the material have good toughness， avoid stress accumulation caused by factors such as environmental temperature changes during application， and prevent cracking and voiding of the protective layer.

Keywords： epoxy mortar;concrete;protection

混凝土的破壞主要分為三類：機械破壞、化學破壞和物理破壞。機械破壞主要包括沖磨、疲勞、沖擊、過載、沉降等運動和振動形式;化學破壞包括堿骨料反應、侵入性介質引起的性能劣化;物理破壞包括凍融、熱效應、鹽結晶、收縮、沖蝕、磨損等。混凝土表面的防護材料主要分為三類，即疏水性浸漬材料、浸漬材料和涂層。其主要區別是混凝土表面形成的防護層狀態不同，疏水性浸漬是通過滲透作用使混凝土表面成為疏水性表面，包括混凝土孔隙的內表面，但不填充混凝土表面的孔隙，品種多為硅烷和硅氧烷材料;浸漬材料可以完全或部分填充混凝土表面的孔隙和毛細管，并對混凝土表面具有補強作用，常在混凝土表面形成不連續的膜，多采用有機聚合物材料;涂層則在混凝土表面形成連續的防護膜，厚度在0.1～5mm，材料多為有機聚合物、聚合物砂漿及聚合物改性水泥砂漿等。涂層材料對化學破壞和物理破壞都具有很好的防護作用，部分涂層材料對機械破壞也有防護作用，所以涂層材料在防護中用途最為廣泛，尤其在浸水環境中，涂層防護能夠提供更好的阻隔作用，具有更可靠的物理和化學防護作用。針對水工混凝土的狀態和其運行環境，其處理目的可以分為防護、修補和加固等。由于環氧樹脂材料具有突出的粘接、力學和耐介質性能，本文對其進行深入研究。

1 環氧材料在水工混凝土表面防護中的研究及應用進展

輸（儲）水工程運行條件特殊，混凝土的老化形式和機理更為多樣和復雜，如裂紋、碳化、溶蝕、凍融剝蝕、化學腐蝕、沖磨破壞等，所以對防護和修補提出了更高的要求，而環氧樹脂材料優異的綜合性能使其在水工防護修補中具有很大的技術優勢和發展潛力。相關試驗研究表明，環氧樹脂材料對于混凝土有優異的防護效果。M Delucchi等[1]比較了不同材料類型涂層的防護性能，包括水性環氧樹脂體系、水性環氧+丙烯酸酯/聚氨酯體系、環氧/聚胺體系以及乳液橡膠等，試驗結果表明，在滲透性、抗磨性、耐介質腐蝕性能以及裂紋橋聯方面，環氧/聚胺體系具有非常出色的性能。盧永忠[2]研究了丙乳砂漿和環氧砂漿對混凝土的防護作用，結果表明，兩種材料對混凝土的抗氯離子和抗凍性均有利，而環氧砂漿在抗磨性方面更優。

環氧基材料在混凝土薄層修補和防護中得到了廣泛應用。包叔平等[3]報道了某船閘混凝土采用環氧涂層材料（環氧膠泥）進行防護取得的滿意效果。三峽大壩導流底孔、葛洲壩3號船閘反弧面利用環氧涂層材料進行抗沖磨、抗氣蝕防護，效果良好[4]。江蘇省國營淮海農場利用環氧厚漿涂料對碳化嚴重的混凝土橋梁進行修補和防護取得了較好效果，為今后水工防腐提供了經驗。

環氧防護材料的修補防護效果在應用實踐中也得到了證明。Fowler[5]對聚合物材料在混凝土修補防護中的應用進行了回顧，指出限制其推廣利用的一個主要因素是價格，其成本一般是水泥的1～100倍。但隨著社會的發展和對修補防護作用認識的加深，高性能環氧防護修補材料的應用已越來越普遍。

2 水工混凝土環氧防護材料的環境適應性試驗

WF薄覆型環氧砂漿采用活性增韌體系，使材料具有良好的韌性，可避免環境溫度變化等因素引起的應力積累，防止防護層開裂、脫空。WF薄覆型環氧砂漿具有良好的施工性能，無須底涂，可直接在混凝土表面涂覆，形成1～2mm厚度的連續保護層，具有優異的力學性能、阻隔性能、粘接性能和長期的耐水性能，是輸（儲）水建筑物混凝土防護的理想材料。

下面通過一系列的試驗測試，考察薄覆型環氧砂漿的環境適應性和耐久性，以期積累基礎數據，為工程應用提供參考。

2.1 試驗內容

2.1.1 高低溫干熱循環試驗。為了評價薄覆型砂漿材料在混凝土防護過程中適應環境溫度變化的能力，進行了高低溫干熱循環試驗。為了涵蓋我國極寒地區凍融防護的應用條件，將循環的最低溫度設定為-40℃，最高溫度設定為55℃。其基本試驗參數和過程如下。

準備300mm×300mm×100mm混凝土試件，要求試件表面拉拔強度大于3MPa，基面打磨清理潔凈后涂覆2mm厚的薄覆型環氧砂漿涂層，在常溫下養護14d;一塊作為凍融試件，一塊作為空白試件進行對比。

可編程高低溫實驗箱，其設定的溫度變化程序為：從21℃降溫至-40℃，降溫速率為3℃/min（需20min）;在-40℃下保持溫度153min;從-40℃升溫至55℃，升溫速率為3℃/min（需32min）;在55℃下保持153min;在降溫降溫至21℃，降溫速率為3℃/min（需12min）;一個循環過程約為370min。

本試驗整個過程需經過30個循環，試驗結束后觀察涂層表面是否出現裂紋、起包、分層、剝落等外觀缺陷，同時測試試驗后的粘接強度，并與空白比對試件的粘接強度進行比較。

2.1.2 濕熱-浸泡循環試驗。本試驗模擬考察混凝土薄覆型環氧砂漿防護涂層材料突遇雷陣雨熱沖擊或水位上升引起的溫度下降時涂層材料與混凝土基層的熱相容性能。其基本試驗條件及過程如下。

準備300mm×300mm×100mm混凝土試件，試件表面拉拔強度大于3MPa，基面打磨清理干凈后刮涂2mm厚環氧砂漿防護涂層，養護14d;一塊作為凍融試件，一塊作為空白試件進行對比。

在內徑為50cm、高度大于20cm的水浴容器中放入14cm高的自來水，水溫不超過20℃;烘箱設定溫度為70℃;將試件放入70℃烘箱中5.5h后取出，馬上放入水浴容器中，水沒過試件表面50mm，攪拌容器中的水，使水溫均勻，15min后取出，完成一個循環，合計時間為6h。

本試驗整個過程需要經過30個循環，試驗結束后觀察涂層表面是否出現裂紋、起包、分層、剝落等外觀缺陷，同時測試試驗后的粘接強度，并與空白比對試件的粘接強度進行比較。

2.1.3 凍融循環試驗。為了評價環氧防護材料對混凝土抗凍融防護作用，依據《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）抗凍性試驗要求，采用混凝土快速凍融試驗機進行凍融試驗，通過測試凍融循環前后環氧防護涂料與混凝土的拉拔粘接強度，檢驗該材料的抗凍性以及對混凝土的防護作用。基本試驗參數和過程如下。

準備100mm×100mm×400mm混凝土試塊（C30F300），表面打磨清理后涂刷2mm厚環氧砂漿防護涂層，常溫養護14d。一塊作為凍融試件，一塊作為空白試件進行對比。凍融條件為：凍融液溫度為-25～20℃;循環一次3h，降溫1.5h。

本試驗整個過程需要經300個凍融循環，觀察涂層表面是否出現裂紋、起包、分層、剝落等外觀缺陷，并測試試驗前后粘接強度變化。

2.1.4 基本力學性能試驗。測試薄覆型砂漿材料的本體力學性能試驗，參考《環氧樹脂砂漿技術規程》（DL/T 5193—2004）中規定的拉伸強度測試方法;砂漿粘接強度測試，參考《建筑防水涂料試驗方法》（GB/T 16777—2008）中規定的粘接強度測試方法。

2.1.5 低溫性能試驗。由于施工季節或環境條件的多變，施工溫度變化很大，特別是溫度較低會影響材料的正常性能發展。本試驗以8～10℃為環境溫度，考察薄覆型砂漿的低溫固化性能和粘接性能。其試驗過程如下：將薄覆砂漿樣品及水泥砂漿試塊放置在溫度為8～10℃的低溫箱中，靜置4h以上;取出樣品按比例要求混合均勻，成型粘接拉拔試件，即在高強水泥砂漿試件表面涂覆薄覆型環氧砂漿，厚度約1.5mm，放回低溫箱中固化養護;2d后在拉拔試件上打孔粘接拉拔頭。按計劃時間進行粘接拉拔測試。

2.2 結果與討論

2.2.1 力學性能與粘接性能。表1為薄覆型環氧砂漿的基本力學性能測試結果。由測試數據可知，薄覆型環氧砂漿具有良好的力學性能，其抗拉強度通常為混凝土材料抗拉強度的2～3倍，且剛性與韌性均衡。薄覆型砂漿與混凝土的粘接效果非常出色，其破壞形式通常為基層混凝土的內聚破壞，即其粘接強度大于基層混凝土的本體強度，這是環氧砂漿修復混凝土在耐久性方面的保障。另外，薄覆型環氧砂漿具有很好的濕面粘接效果，可在環境濕度較大、基面干燥不良的條件下正常施工，大大提高了施工環境適應性。

2.2.2 適應性試驗。表2為薄覆型砂漿適應性系列試驗的檢測結果。涂層材料能夠發揮保護作用的基礎是防護層保持連續、完好，在工程實踐中經常出現的防護層開裂、脫空、脫落等問題，是防護作用失效的主要原因。本試驗進行了3種工況的測試，高低溫干熱循環試驗用于表征材料在無水環境下耐受溫差的能力，濕熱浸泡循環試驗用于評價冷水熱沖擊及濕熱的耐受能力，凍融循環試驗用于評價材料在寒冷地區耐受冰-水融化循環過程的性能。

從試驗結果可以看出，經過干熱循環試驗、濕熱循環試驗以及凍融循環試驗后，防護層外觀正常，未出現開裂、起包、脫落等缺陷。粘接測試中，所有粘接破壞形式均為混凝土基層內聚破壞，其中干熱循環和濕熱浸泡循環的拉拔強度變化不明顯，凍融循環后強度有一定降低，原因可能是經過300次凍融循環后混凝土的本體強度受到一定的影響。從整體測試結果看，薄覆型環氧砂漿具有出色的環境適應性和耐久性。

2.2.3 低溫性能測試。表3為低溫固化3d和7d的粘接拉拔結果。從試驗結果看，3d粘接拉拔強度均值為2.44MPa，破壞形式為薄覆砂漿內聚破壞，此時由于低溫固化時間短，薄覆砂漿的內聚強度還比較小;7d后的拉拔強度均值增長為5.56MPa，破壞形式轉化為基層混凝土的內聚破壞，表明此時薄覆型環氧砂漿的強度已大于5.56MPa，性能已滿足工程要求，這對溫度較低、工程緊張的施工環境來說有重要的意義。

圖1為粘接拉拔試驗照片。圖1（a）為低溫固化3d的拉拔破壞情況，破壞形式均為薄覆型砂漿內聚破壞;圖1（b）圖為低溫固化7d的拉拔破壞照片，破壞形式均為混凝土基層內聚破壞。

3 結論

混凝土應用環境復雜，對防護材料的要求較高，僅對材料的基本力學性能和隔離性能進行評價是不全面的。大量工程經驗表明，良好的環境適應性和耐久性才是防護層達到防護目的的關鍵，也是其防護性能能夠發揮作用的基礎。試驗研究發現，薄覆型環氧砂漿具有出色的環境適應性，由于材質本身的高隔離性質，其在復雜環境中可以用于混凝土表面防護，能起到防碳化、抗凍融、防腐蝕等多功能防護作用，可作為混凝土防護工程的一種優秀備選材料。

參考文獻：

[1]Delucchi M，Barbucci A，Cerisola G.Crack-bridging ability and liquid water permeability of protective coatings for concrete[J].Progress in Organic Coatings，1998（1）：76-82.

[2]盧永忠.修補混凝土橋墩病害的砂漿類材料試驗研究[J].中國鐵路，2010（7）：8-11.

[3]包叔平，溫成國.兩種修補工藝在某船閘施工中的應用[J].人民長江，2004（6）：31-32.

[4]梁凱，胡斌，趙大明.環氧材料在三峽大壩導流底孔修補中的應用[J].人民長江，2006（5）：30-31.

[5]D W Fowler.Polymers in concrete：a vision for the 21st century[J].Cement & Concrete Composies，1999（21）：449-452.