改性環氧膠在建筑結構加固修復中的應用

吳海瑛

摘 要：為測試改性環氧膠在建筑結構加固修復中的應用效果和優勢，設計了應用測試實驗。選擇混凝土結構廠房作為工程建筑研究內容，分析并計算建筑結構的承載力，以此設置加固修復的約束條件。制備環氧膠，從溫度和韌度2個方面實現環氧膠的改性處理。應用改性環氧膠，執行建筑結構加固修復的施工方案，從拉伸、耐濕熱老化和抗剪3個方面測試加固修復效果。經數據處理與統計，發現與對比組相比，應用改性環氧膠得出的建筑結構加固修復結果的拉伸強度更高，腐爛面積更小，產生裂縫寬度更小。說明改性環氧膠在建筑結構加固修復中具有良好的應用效果。

關鍵詞：改性環氧膠;建筑結構;加固修復方法

中圖分類號：TU58

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0062-05

Application of modified epoxy adhesive in reinforcement

and repair of building structure

WU Haiying

（Shanghai Urban Construction Vocational College，Shanghai 200438，China）

Abstract：In order to test the application effect and advantages of modified epoxy adhesive in building structure reinforcement and repair， an application test experiment is designed. The concrete structure workshop is selected as the research content of engineering construction， the bearing capacity of the building structure is analyzed and calculated， and the constraint conditions for reinforcement and repair are set. Epoxy adhesive was prepared and modified from two aspects of temperature and toughness. Using modified epoxy adhesive， the construction scheme of building structure reinforcement and repair is implemented， and the reinforcement and repair effect is tested from three aspects： tensile， moisture and heat aging resistance， and shear resistance. After data processing and statistics， it is found that compared with the control group， the results of building structure reinforcement and repair obtained by using modified epoxy adhesive have higher tensile strength， smaller decay area and smaller crack width. Therefore， it is concluded that modified epoxy adhesive has a good application effect in building structure reinforcement and repair.

Key words：modified epoxy adhesive; building structure; reinforcement and repair methods

由于建筑物老化、意外損傷以及自然災害等因素的影響，致使建筑結構的耐久性和穩定性隨之降低，建筑結構發生危險事故的概率增加，使用功能下降，最終導致建筑物無法正常使用[1]。為了延長建筑的使用壽命，需要對部分存在安全隱患的建筑進行加固修復處理。

目前市場對加固修復技術的需求增大，從當前的建筑結構加固修復研究成果和應用情況來看，現有加固修復方案存在加固效果不佳的問題。主要體現在加固修復處理后建筑結構的剪切強度、耐濕熱、老化性能等方面。為此將改性環氧膠應用到建筑結構的加固修復工作中，并觀察其應用效果。

改性環氧膠是環氧膠的一種，環氧膠是在一個分子中含有兩個或兩個以上的環氧基團與固化劑按一定比例混合后，在固化反應的作用下形成的產物。與其他熱固性膠相比，環氧膠具有良好的穩定性、粘接性等特點，被廣泛的應用到裝修、結構粘接、建筑物修復與加固等場合中。然而，普通的環氧膠雖可以滿足建筑結構施工加固修復的需求，在膠體性能方面依舊存在一定的缺陷，例如常溫型環氧膠不能在高溫環境下長時間使用等，為此在普通環氧膠的基礎上針對建筑的特殊結構以及施工環境對其進行改性處理，以期能夠在簡化加固修復施工難度的同時，最大程度地提高對建筑結構的加固與修復效果。

1 改性環氧膠在建筑結構加固修復中的應用實驗設計

為了進一步研究改性環氧膠在建筑結構加固修復工作中的應用方式和應用效果，設計應用設計實驗，通過實驗的方法研究不同環境下粘貼法加固混凝土試塊的破壞形式、破壞機理以及加固修復結果。

1.1 建筑工程概況

此次應用實驗選擇某市郊區的混凝土結構廠房作為實驗背景，該建筑結構包含4層框架。其中，地上3層、地下1層，建筑總面積為357 060 ㎡，每層結構面積相同;但地上建筑的高度為2.9 m，地下高度僅為2.4 m。選擇建筑工程的基本平面結構，具體如圖1所示。

選擇的建筑工程于2010年5月開工，并于2010年9月正式竣工;竣工后直接投入使用，且截止目前該建筑未經歷大規模的施工。建筑結構基礎為鋼筋混凝土筏板，地基持力層為粉土，承載力按120 kPa設計，剪力墻為二級[2]。加固修復處理前建筑結構的強度等級為C30。

1.2 計算建筑結構承載力

在開始建筑結構的加固修復處理之前，首先需要分析初始建筑結構的受力情況以及極限承載力，從而設置加固修復的施工參數。建筑結構主要承受的力包括自身重力、建筑內部物體重力、移動人員的重力和運動力等。當建筑結構的承載力接近極限值時，建筑結構各個模塊之間的結合面可能會出現拉、壓、彎、剪等復雜應力，并在應力作用下產生建筑結構形變，

軸心受壓建筑結構應力與應變之間存在正相關關系。在非均勻受壓環境下，應力與應變仍存在正相關關系，若建筑結構不屬于區域受壓極限應變值范圍，則應力與應變量相同。綜合上述建筑結構的應力分析結果，設置建筑結構的加固修復約束條件：

σ≤f1+0.56ρsvf2

（1）

式中：ρsv為建筑結構的配筋率;σ為總應力值。在實際的加固修復施工過程中需要針對建筑結構不同的位置和特征對約束參數進行調整，以保證最終的加固修復效果。

1.3 準備實驗原材料與設備

改性環氧膠的主要組成包括固化劑、偶聯劑、稀釋劑、填料等。采用胺類固化劑為主的固化劑，在綜合考慮固化、施工、結構性能、環境等因素后，選用合適的固化劑[3]。稀釋劑主要用于環氧膠粘劑系統降低黏度，改善涂布性和流動性，考慮到止水加固效果的長期存在，使用活性稀釋劑。為使環氧基具有更好的塑性和抗剪切性，需加入適當的增韌成分，改善環氧膠存在的脆性大、彈性差的缺點。此外，在制備改性環氧膠時，加入填料可使環氧樹脂在固化和冷卻過程中因體積收縮而引起內部破壞。綜合改性環氧膠的組成成分以及實驗過程中使用的藥品試劑，得出實驗原材料的準備情況，具體如表1所示。

另外，從改性環氧膠制備和建筑結構加固修復效果測試兩個方面，設置實驗儀器設備，具體的設置情況如表2所示。

除了表1、表2中的材料和設備外，還需要準備旋轉黏度計、高速研磨攪拌機、電子天平等設備，并按照使用原理進行設備連接。

1.4 環氧膠制備與改性

圖2表示的是環氧膠制備的一般步驟。

按照圖2表示的流程，在液體雙酚 A型環氧樹脂中加入增韌劑、偶聯劑等原材料。以溴甲酚綠為指示劑，在70～75 ℃下合成環氧膠預聚體，其 pH值變化區域為3.8～5.4，3 h后反應完全。將環氧樹脂加熱至600 ℃，抽真空去除小分子和水分雜質，取PU預聚體加入預先稱量的EP中，攪拌和70 ℃恒溫反應2 h，保證 PU與 EP完全接枝;然后滴加適量摩爾比為4∶1的擴鏈劑，80 ℃恒溫下進行擴鏈交聯2 h，得到接枝環氧膠液[4]。最終取不同量的已烘干脫水的聚氨酯加入到液體狀態的環氧膠中，在80 ℃環境下強烈攪拌8 h，混合均勻后，得到普通環氧膠制備的結果。在此基礎上，分別從溫度和韌度2個方面對環氧膠進行改性處理，目的是提高環氧膠對建筑結構環境的適應程度。其中，對固化溫度的改性主要是利用1，6-己二胺和硫脲化學反應，即將己二胺和硫脲作為原材料應用到環氧膠的制備工作中。而環氧膠的增韌改性主要是利用化學反應促使相互脫離，采用液相抑制或熱溶2種方法對熱塑性樹脂進行液態處理，使之溶于環氧樹脂內制成平衡的體系結構。硫化過程中，經過熱塑性樹脂濾出，形成了相反轉、雙連續相及海島等多個多元網絡結構，有效處理了分散相的表面狀態。經過上述兩個步驟，實現普通環氧膠的改性，并得出改性環氧膠制備結果。

1.5 改性環氧膠應用與建筑結構加固修復施工

由于粘合劑對基體表面的浸潤性和界面的分子間作用力是獲得高粘接強度的主要原因。為降低表面污染程度，在進行加固修復施工前，需要先對建筑結構表面進行處理，以實現牢固粘接。通過對建筑結構表面裂縫寬度、走向、彎曲度等進行檢測，確定灌漿嘴的布置間距，并在灌漿嘴安放時保持平順[5]。用環氧封縫膠泥將裂縫全部封堵，保持均勻、平整，封閉應完整，防止漏漿。結合建筑結構承載力的分析計算結果，利用式（2）計算改性環氧膠的注入量。

σ=α-β lg h

（2）

式中：α和β均為常數系數，其具體取值由使用環境決定;h表示鋪設的膠層厚度。按所定比例將一定量改性環氧樹脂與固化劑稱重混合，攪拌均勻后倒入手提注射器進行灌漿。灌漿按照從低到高的順序進行，若靠近其上的注漿嘴出漿，則暫停灌漿，并迅速地將灌漿嘴封住。上一次注漿嘴為排氣，不需注膠。24 h內，注膠基座不能受到干擾，注膠24 h后得出的建筑結構即為加固修復結果。

1.6 描述建筑結構加固修復效果測試過程

在相同的建筑結構研究對象中，將其平均分為3個部分，分別標記為A、B和C，且盡量保證3個部分所包含的建筑結構元素相同，占地面積與受力情況相似。A建筑區域選擇傳統的加固修復方法，即不使用任何環氧膠進行建筑結構的加固修復;B建筑區域使用普通的環氧膠;C建筑區域使用制備的改性環氧膠，由此產生實驗中的3個對比組。為了保證應用測試實驗結果的可信度，實驗分別從框架梁柱、剪切墻、樓板3個方面進行具體測試，并分別在各個建筑結構位置上分別設置2個測點，方便相關數據的測量。

此次實驗分別從拉伸性能、耐濕熱老化性能和抗剪性能3個方面進行效果測試，設置拉伸性能的測試指標為拉伸強度，其數值結果：

μt=Pbb·H

（3）

式中：Pb、b和H分別為建筑結構被破壞時的最大荷載、研究區域的寬度和厚度。拉伸強度計算結果越大，說明加固修復后的建筑結構拉伸性能越好。耐濕熱老化性能的量化測試指標為建筑結構中的腐爛或破損總面積，可以利用卡尺等精密空間測量設備直接計算得出腐爛面積的計算結果;建筑表面的腐爛面積越小，則說明建筑結構的耐濕熱老化性能越優。另外，抗剪性能的測試就是在建筑結構上施加不同的壓力荷載，并在不同荷載作用下建筑結構上產生裂縫以及裂縫寬度的變化情況，即建筑結構的沉降情況。

拉伸性能和抗壓性能測試均在室溫環境下進行，并保證環境中的相對濕度不高于20%。先將萬能拉力機安裝在加固修復后的建筑結構兩端，設置初始拉伸荷載為500 N，每隔5 min增加100 N拉力，直到建筑結構研究對象表面出現斷裂為止，記錄斷裂時刻拉伸荷載的值。拆卸萬能拉力機設備，在建筑結構頂部安裝沖擊試驗機，設置沖擊剪切力的施加參數為1 000 N，進行抗剪性能測試，觀察裂縫數量和裂縫寬度。拆除所有應力加載設備后，將實驗環境調整為溫度40 ℃，相對濕度 50%，并設置測試時間分別為10、30和90 d;然后對比3個加固修復建筑結構的腐爛變化情況，統計腐爛面積，從而得出耐濕熱老化性能的測試對比結果。

2 應用實驗結果分析

2.1 拉伸性能測試結果分析

通過測量建筑結構研究區域的寬度和厚度始終為10 m和0.5 m，經過式（3）的計算，得出建筑結構拉伸強度的測試數據，結果如表3所示。

由表3可以看出，未應用環氧膠、應用普通環氧膠和應用改性環氧膠的建筑結構加固修復結果的平均拉伸強度分別為223.3、263.3和516.7 MPa，相比之下應用普通環氧膠后的建筑結構的拉伸強度更高，即拉伸性能更優。

2.2 耐濕熱老化性能測試結果分析

圖3為90 d時刻的建筑結構研究對象的腐爛測試結果。

同理可以得出1 d和30 d時，研究對象的耐濕熱老化性能測試結果，具體如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著濕熱老化時間的推進，建筑結構的腐爛面積逐漸擴大，與未應用環氧膠和應用普通環氧膠的加固修復建筑相比，應用改性環氧膠的加固修復建筑的腐爛面積更小，即耐濕熱老化性能更好。

2.3 抗剪性能測試結果分析

通過剪切荷載的施加以及硬件設備的測量，得出不同建筑結構加固修復結果的裂縫寬度變化測試結果，其中樓板測點1裂縫寬度的測試結果如圖5所示。

按照相同的方式得出其他建筑結構測點的測量結果，通過統計發現在不同的剪切力作用下，3個研究對象表面均產生一條裂縫，各個測點裂縫的測量結果，如圖6所示。

由圖6可以看出，將改性環氧膠應用到建筑結構的加固修復工作中，得出的處理結果能夠在1 000 N剪切力作用下將裂縫寬度控制在5 cm以下，且始終低于兩個對比建筑。

綜合拉伸性能、耐濕熱老化性能和抗剪性能的測試結果，發現應用改性環氧膠的建筑結構加固修復效果更佳，即改性環氧膠在建筑結構的加固修復工作中具有良好的應用效果。

3 結語

結構膠在各類建筑物、結構及構件的加固、補強、改造和修復等方面發揮了巨大作用，從實驗結果可以看出，相比于傳統的結構膠，改性環氧膠在建筑結構的加固修復中的應用效果更明顯，在促進加固修復行業的技術進步的同時，提高了建筑的安全性和穩定性。

【參考文獻】

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