滲透性聚合物砂漿的性能優化及應用研究

張 瀟

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110111；2.公路橋梁診治技術交通運輸行業研發中心，沈陽 110111)

水泥混凝土因其優良的性能和較高的經濟性等優點在公路工程中得到廣泛應用。同時，隨著時間的推移，混凝土材料在使用過程中因遭侵蝕而被破壞，混凝土結構出現破損、裂縫、鋼筋銹蝕等一系列耐久性問題[1]。因此，必須對劣化的混凝土結構進行修補和加固。

滲透性聚合物砂漿是一種有機-無機復合材料，主要成分是由環氧樹脂、固化劑、粉料及外加劑經混合而構成[2,3]。與普通修補砂漿相比，滲透性聚合物砂漿具備力學性能早強高強、超高的粘結性能等特點，且無收縮、抗開裂。同時具有較高抗滲、抗凍、耐鹽、耐堿、耐腐蝕性能優點，且施工工藝簡便、養護時間短。滲透性聚合物砂漿廣泛適用于建筑、公路、橋梁、隧道等混凝土修補、防護及加固等工程中，尤其適用于混凝土結構高強鋼絞線網—滲透性聚合物砂漿加固施工[4,5]。

國內外學者通過研究摻加流變劑、偶聯劑及脫粘劑來改善滲透性聚合物砂漿的施工性能及長期耐久性能較少，所以該文采用正交試驗，優化外加劑中各組分比例，研制開發一種力學及粘結性能、耐久性能、施工性能優良的滲透性聚合物砂漿，且進行了高強鋼絞線網—滲透性聚合物砂漿加固試驗，以驗證滲透性聚合物砂漿在加固工程應用的實際使用效果。

1 試 驗

1.1 原材料

環氧樹脂：采用雙酚A型環氧樹脂(E51)，環氧當量185～195 g/mol，無色透明粘稠液體。固化劑：采用聚酰胺固化劑(3140A)，淺黃色透明粘稠液體。粉料：采用P·O42.5水泥；采用40～70目、70～140目、200目石英砂；采用1 200目滑石粉；采用600目降粘粉。外加劑：采用芐基縮水甘油醚作為稀釋劑；采用KH-560硅烷偶聯劑；采用有機膨潤土作為流變劑；采用改性聚硅氧烷作為脫粘劑。

1.2 方法

根據GB/T 50728—2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》測試試件的抗壓強度、抗折強度、粘結強度和耐水性能；根據JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》測試試樣抗凍性能；根據JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》測試試樣的收縮性能。

1.3 基礎配比

環氧樹脂、固化劑、粉料及稀釋劑是滲透性聚合物砂漿的主要組成部分，粉料主要成分包括水泥、降粘粉、石英砂、滑石粉。根據滲透性聚合物砂漿的固化機理及和先期研究成果，在保證產品性能的前提下，研究中滲透性聚合物砂漿的基礎配比見表1。

表1 滲透性聚合物砂漿主要成分配比

2 結果與討論

2.1 多組分外加劑正交試驗

2.1.1 多組分外加劑選擇及作用分析

流變劑、脫粘劑、偶聯劑各組分在滲透性聚合物砂漿中所起的作用分析如下：1)流變劑：主要成分為有機膨潤土，是一種無機礦物/有機銨復合物，可提高潤滑性能；2)偶聯劑：改善環氧樹脂與填料之間的粘結性能，使材料具有很好的沖擊強度和韌性；3)脫粘劑：能夠暫時有效地封閉環氧樹脂中的羥基，使得粉料表面應力變小，降低了環氧砂漿的粘附性。

2.1.2 正交試驗設計

通過正交試驗設計優化滲透性聚合物砂漿配合比，其主要組分：A為流變劑，B為偶聯劑，C為脫粘劑，每因素分別選取三個水平進行L9(34)正交試驗設計，正交設計的因素水平見表2，各組分外加劑摻量按滲透性聚合物砂漿中環氧樹脂的百分含量摻加。

2.1.3 正交試驗結果

表2 正交試驗因素和水平表

正交試驗中受檢滲透性聚合物砂漿主要進行力學、粘結性能及施工性能測試。滲透性聚合物砂漿施工方式以涂抹為主，因而，對料漿的稠度有一定要求，稠度應以適宜涂抹為準，且漿料施工時不粘附施工器具，因此需要根據流動度及涂抹難易程度來判斷滲透性聚合物砂漿的施工操作性能。經試驗，各組性能見表3。

綜合正交試驗結果，摻加一定量流變劑、脫粘劑與偶聯劑后有助于滲透性聚合物砂漿施工操作性能的改善，其中A1B2C2、A2B1C2、A2B2C3、A3B2C1四組配比施工操作性最好。對主要指標28 d抗壓強度、28 d抗折強度及粘結強度試驗結果進行極差分析，結果見表4。

通過極差分析得出，28 d抗壓強度的影響程度C>A>B。其中C影響程度較大，A、B影響程度較小；28 d抗折強度的影響程度C>B=A。其中C影響程度較大，A、B影響程度較小；粘結強度的影響程度C=B>A，其中C、B影響程度較大，A影響程度較小。從極差分析可以看出，C對砂漿力學及粘結性能影響程度比A、B要大。

表3 正交試驗方案及結果

表4 正交試驗結果的極差分析

分析以上結果，主要原因如下：在正交試驗中，A為流變劑，其主要成分為有機膨潤土，它與滲透性聚合物砂漿具有良好的親合性，使滲透性聚合物砂漿具有觸變性，防止流掛，主要影響砂漿的施工性能；B為偶聯劑，一定量的偶聯劑摻入可提高砂漿的抗壓強度和粘結強度，但當偶聯劑用量超過5%時，過多的偶聯劑使環氧樹脂被稀釋，環氧樹脂的交聯密度降低，而且過多的偶聯劑在固化后形成應力集中點，會導致強度下降[6]，主要影響砂漿的力學及粘結性能；C為脫粘劑，其功能是能夠有效封閉環氧樹脂中的羥基，降低滲透性聚合物砂漿的粘附性，但同時會降低環氧樹脂與固化劑的反應交聯程度，減少環氧樹脂與填料界面間的作用力，改善施工性能的同時降低砂漿的力學及粘結性能，28 d抗壓、抗折強度和粘結強度的效應曲線圖較直觀地反映出了C的影響趨勢，見圖1、圖2。

總體來看，滲透性聚合物砂漿應以28 d抗壓、抗折強度及粘結強度為主要參考指標，但綜合考慮到砂漿的實際施工操作性能，根據各組分關系，結合以上分析，可初步確定選取A1B2C2、A3B2C1兩組配合比進行滲透性聚合物砂漿的長期使用性能試驗，且兩組配合比均達到了國家標準《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》[7]對該砂漿的Ⅰ型要求。

2.2 長期耐久性能試驗

按上述試驗優化確定的配合比配制出滲透性聚合物砂漿，同時與市售同類產品性能對比，進行收縮性能、抗凍性能及耐水性能試驗，其中M1、M2分別為摻入A1B2C2、A3B2C1配合比的滲透性聚合物砂漿，M3為某廠家生產的滲透性聚合物砂漿成品。

2.2.1 收縮試驗

M1、M2及M3三組滲透性聚合物砂漿的收縮數據如圖3所示。從圖中可以看出，滲透性聚合物砂漿的收縮率較小，均隨著養護齡期的增加而逐漸增大，但增幅較小。M1、M2、M3的28 d收縮率分別為0.134%、0.096%、0.121%，滲透性聚合物砂漿收縮率低的原因為環氧樹脂與固化劑、外加劑的反應是通過直接化學反應進行的，養護期沒有水分的蒸發，所以滲透性聚合物砂漿會有較低的收縮率，且收縮率前期增長率比后期大[8]。

2.2.2 抗凍試驗

凍融循環質量損失率見表5、圖4，凍融循環300次后抗壓強度見圖5。由表5、圖4可以看出經過300次凍融循環后試件質量無損失，表明試件表面完好，無任何剝落情況，且由于緩慢滲透作用使得內部孔隙充水程度升高，各試樣質量均出現不同程度的增加；由圖5可以計算出M1、M2、M3的三組試件經過300次凍融循環的抗壓強度損失率分別為8.6%、12.1%、10.8%。試驗說明滲透性聚合物砂漿的抗凍性極好，原因為環氧樹脂與固化劑、外加劑化學反應后能有效提高砂漿的密實度，減少孔隙率，環氧樹脂可以增加砂漿韌性，提高砂漿的變形能力，有效防止砂漿凍脹；同時說明流變劑、偶聯劑及脫粘劑的摻入后并沒有影響滲透性聚合物砂漿的抗凍性能。

表5 經過300次凍融循環后試件的質量變化

2.2.3 耐水試驗

滲透性聚合物砂漿耐水性能試驗方法為試件在水中浸泡30 d后測其粘結強度，試驗結果見表6。

表6 耐水試驗測試數據結果

由表6可以看出，M1、M2、M3三組試件粘結強度分別為2.2 MPa、2.7 MPa、2.5 MPa，M1測試結果最低，這是由于M1試件脫粘劑含量大于M2試件，脫粘劑的摻加降低滲透性聚合物砂漿的粘附性。

綜上所述，與市場成品相比，優化后的滲透性聚合物砂漿在改善施工性能的同時，同樣具有良好的長期耐久性能。M2配料相比M1配料的收縮率小、耐水性好、成本低，所以綜合考慮長期耐久性及經濟性，選擇M2試件配合比最終作為滲透性聚合物砂漿的優化配合比。

3 結 論

a.流變劑、脫粘劑與偶聯劑摻入可以改善滲透性聚合物砂漿施工性能，A3B2C1配合比的滲透性聚合物砂漿性能最佳，即流變劑、偶聯劑、脫粘劑摻量分別為15%、5%、2%。A3B2C1配合比的滲透性聚合物砂漿28 d抗壓、抗折強度及粘結強度分別為82.6 MPa、35.5 MPa及3.8 MPa，滿足國家標準中對該砂漿的Ⅰ型要求。

b.優化后的滲透性聚合物砂漿M1、M2試件28 d收縮率分別為0.134%、0.096%；M1、M2試件經過300次凍融循環的抗壓強度損失率分別為8.6%、12.1%，且試件表面完好，無任何剝落；M1、M2試件浸泡30 d粘結強度分別為2.2 MPa、2.7 MPa。