高性能防水膠粘劑在鋼筋混凝土結構補強加固中的應用

余家筆

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,西藏 昌都 854000)

鋼筋混凝土結構在不同環境條件下，受溫度、濕度和外界荷載影響，會出現不同形貌和尺寸裂縫和破壞，影響補強加固的正常使用，同時降低膠粘劑使用壽命，甚至會引發嚴重的安全事故。由于客觀原因限制，不能對實際工程中微觀結構進行快速、精確檢測，而傳統補強加固技術也很難對其進行有效修補。為了有效地解決混凝土結構在使用中出現的裂縫修補問題，改善其穩定性，延長其使用壽命，國內外學者對其進行了大量的研究。為了達到混凝土裂縫補強加固的耐久性，應著重考慮各種因素對混凝土結構的影響，并對其進行合理修復。為了使補強加固材料的熱膨脹系數達到或接近于混凝土，必須對其進行有效控制。目前，補強加固混凝土結構的主要材料是膠粘劑[1]。作為建材基本原材料，膠粘劑在環保、抗老化方面需求下，研制、生產技術得到了飛速發展，新產品不斷出現。使用傳統的膠粘劑中存在大量易揮發有毒氣體，且易產生污水、廢料等，不能很好滿足施工要求[2]。以成本低廉、易于獲得可再生天然聚合物作為主要原材料，通過綠色化工生產工藝，開發出具有更好性能新型膠粘劑，已是今后發展的必然趨勢。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

工業級試驗原料及生產廠家，結果如表1所示。

表1 工業級試驗原料及生產廠家Tab.1 Industrial grade test raw materials and manufacturers

1.2 試驗設備

試驗設備型號和生產廠家如表2所示。

表2 試驗設備及生產廠家Tab.2 Test equipment and manufacturer

1.3 試驗制備

首先在高溫箱內加熱環氧樹脂至溫度為70 ℃左右，然后加入鄰苯二甲酸二丁醋，將其攪拌均勻直到溫度降至50 ℃左右[3-4]。之后加入活性劑和乙二胺，并持續攪拌，直至出現糊狀，由此得到環氧樹脂膠粘劑[5]。

配制的環氧樹脂膠粘劑混凝土試塊的配比：

m1∶m2∶m3∶m4=100∶15∶10∶20

(1)

m5:m6=3:1

(2)

式中：m1表示原料2質量；m2表示原料3質量；m3表示原料4質量；m4表示原料5質量；m5表示細砂；m6表示水泥[6]。在鋼筋混凝土試件配制過程中，將得到的環氧樹脂膠粘劑添加到粘接處，結果如圖1所示。

圖1 試件制備示意圖Tig.1 Schematic diagram of specimen preparation

參照HB/Z 197—1991標準處理2024-T3薄板，將膠粘劑鋪設在板材連接位置，并按照如下工藝開始粘接：首先在0.2 MPa固化壓力下，實時外推方式獲取理論固化工藝條件[7-9]；然后在該固化壓力下，升高室內溫度，加熱速度為2 ℃/min，加熱到125 ℃，保溫時間為2.0 h；之后，使用恒溫式電吹風烘干機進行固化；最后待其凝固后，關掉電源，等樣品自然降溫到室溫，方可取出[10]。

1.4 測定指標

1.4.1拉伸剪切強度

選擇合適鋼板，用研磨砂輪對其進行研磨。對測試中所需鋼板進行了分類，并對膠合測試樣品進行了編號。在鋼板接合面上涂上環氧樹脂膠粘劑，采用單點連接方式粘貼試樣，并用夾具固定試件，靜置保存1周后再進行測試[11-12]。對于未經過測試的組件，使用萬能試驗機進行拉伸剪切強度測定，實時記錄膠合表面破壞長度和寬度，并進行強度計算，其公式：

(3)

式中：F表示最大拉伸剪切力；S表示拉伸剪切面積。

1.4.2抗壓強度

使用微機控制的電子萬能材料試驗機，記錄破壞負荷，測試承載區面積，并計算抗壓強度[13]。

1.4.3抗彎強度

在SL 352—2020標準支持下，采用電子萬能材料試驗機，對環氧樹脂膠粘劑混凝土試樣進行了測試。在進行試驗時，要先把水泥基座上的電阻片擦干凈，再把電阻片接上，接著繼續加載，直到試樣被破壞為止。記錄破壞荷載和彎曲程度，由此計算抗彎強度[14]。

1.5 補強加固工藝設計

在實際膠接過程中，通常使用等溫固化技術，而在測試過程中，則是使用均勻的非等溫固化。因而，在何種溫度下反應，多長時間得到最優的固化產品，已成為制程工程師和研發人員所關注的問題。在較低的固化溫度下，不能充分地進行固化；但是如果溫度過高，則會有不良影響[15]。另外，系統能量消耗也會增大，還會引起系統熱應力，從而對產品性能造成一定影響。因此，在固化工藝中，最重要的因素是適宜的固化溫度。

1.5.1補強加固溫度

環氧樹脂高性能防水膠粘劑固化溫度隨著升溫速率加快，溫度也快速增加，實際的固化溫度難以精準確定。而在實際操作過程中，首先需要獲取升溫速率為0時的固化溫度，在恒溫條件下，將固化反應的溫度進行線性擬合處理，結果如圖2所示。

圖2 固化反應-升溫速率擬合直線Tig.2 Curing reaction heating rate fitting straight line

從圖2可以看出，采用外推法獲取膠粘劑在不同升溫速率下的固化反應變化溫度，二者之間呈正比例關系。

1.5.2補強加固時間

使用高性能防水膠粘劑時，固化反應時間與溫度息息相關，關系式：

(4)

(5)

t=t1+t2

(6)

式中：t1表示初始升溫固化階段；t2表示末端升溫固化時間；v表示升溫速率；R1、R2和R3分別表示初始溫度、中間溫度和末端溫度。

補強時間與升溫速率之間存在著非線性關系，具體如圖3所示。

圖3 補強加固時間與升溫速率非線性關系Tig.3 Nonlinear relationship between reinforcement time and heating rate

從圖3可以看出，將擬合曲線補強加固時間t1外推至v=0 ℃/min時，得到膠粘劑反應所需時間；將擬合曲線補強加固時間t2外推至v=0 ℃/min時，得到膠粘劑固化所需時間。由此可知，補強加固時間與升溫速率呈非線性關系。

2 結果與討論

2.1 拉伸剪切性能

在鋼筋混凝土結構補強加固中使用高性能防水環氧樹脂膠粘劑進行補強加固，利用掃描電子顯微鏡能夠得到環氧樹脂膠粘劑結構圖，結果如圖4所示。

圖4 環氧樹脂膠粘劑Tig.4 Epoxy resin adhesive

從圖4可以看出，高性能防水環氧樹脂膠粘劑基體雜亂分布，表面粗糙，將其作為鋼筋混凝土結構補強加固膠粘劑，能夠改善材料脆性。

為了確定環氧樹脂高性能防水膠粘劑中增韌劑的使用量，需通過試驗驗證方式對補強加固材料拉伸剪切強度進行測試，測試結果如表3所示。

表3 拉伸剪切強度測試結果Tab.3 Tensile shear strength test results

由表3可知，陽離子型乳化瀝青在環氧樹脂上的作用是顯著的。將質量分數10%的增韌劑添加到乳化瀝青中，可使其拉伸強度增至2.8倍，而不會使其變形性能下降。環氧樹脂從分散相向連續相向轉變，最后呈現出硬脆性；在拉伸剪切試驗過程中，不同增韌劑用量的試件均未出現斷裂。萬能試驗機在進行拉伸剪切試驗后，先維持在一個較低的位置，隨后發生了明顯的位移，接著又出現了一個逐步增大過程，直到剪切破壞試驗結束。結果表明：隨著環氧樹脂高性能防水膠粘劑質量分數的逐漸增大，材料的拉伸剪切強度也隨之提高。

2.2 抗壓性能

為了測試環氧樹脂高性能防水膠粘劑抗壓強度，在不同溫度下的測試結果，具體如表4所示。

表4 不同溫度下抗壓強度測試結果Tab.4 Compressive strength test results at different temperatures

由表4可知，在各種溫度條件下，所制得的環氧樹脂膠粘劑混凝土試件抗壓強度都超過了60 MPa。結果表明，所制得的混凝土試件抗壓強度高，而環氧樹脂膠粘劑在補強加固混凝土試件中的粘接效果更好。另外，應用環氧樹脂膠粘劑在補強加固混凝土試件中，還能提高其使用壽命。

2.3 抗彎性能

試驗選取24根自密實混凝土小梁的3個彎曲處進行了試驗，并使用了不同修復材料進行比較，以驗證環氧樹脂高性能防水膠粘劑對混凝土補強加固的抗彎性能。使用的3種粘結劑分別是：環氧樹脂粘結劑、磷酸酯化淀粉粘結劑、活性粘結劑，對結構承載力進行了詳細的分析。本試驗選取了C50輕質自密實高性能混凝土，在不同荷載作用下，當跨中位移為1.20 mm時，混凝土結構的承載能力隨荷載增加而增大，結果如表5所示。

表5 抗彎性能測試結果Tab.5 Bending resistance test results

由表5可知，在第1次加載過程中，3種膠粘劑加載承載力相差不大；在第2次加載過程中，3種膠粘劑加載承載力都相對變大，其中環氧樹脂膠粘劑承載力最大。主要是原因在第2次加載過程中，未加入膠粘劑混凝土由于受鋼筋拉力作用，導致混凝土受力較小，其承載能力有所降低。膠粘劑加入使混凝土抗彎性能有了顯著提高，而混凝土承載能力也有了顯著提高。

由于上述對比結果還不能明確鋼筋混凝土結構補強加固中已經使用高性能防水環氧樹脂膠粘劑，為此使用紅外光譜儀進行測試分析，結果如圖5所示。

(a)環氧樹脂膠粘劑

(b)磷酸酯化淀粉膠粘劑

(c)活性膠圖5 紅外光譜圖Tig.5 Infrared spectrogram

從圖5可以看出，使用活性膠最小透過率發生在1 400 cm-1處，且最小透過率數值為0.74，說明使用活性膠與鋼筋混凝土結構化學反應不明顯；使用磷酸酯化淀粉膠粘劑最小透過率發生在2 400 cm-1處，且最小透過率數值為0.69，說明使用該膠粘劑雖然發生了明顯的化學反應，但其產生的磷酸酯無法形成保護層，無法阻礙分解，導致加固效果不理想；將環氧樹脂膠粘劑與磷酸酯化淀粉膠粘劑和活性膠進行對比分析，能夠發現1 500 cm-1處的透過率最小，說明—CHO基團出現了吸收作用，證明該基團與鋼筋混凝土結構發生了化學反應，從而可以證明高性能防水環氧樹脂膠粘劑具有良好補強加固性能。

3 結語

采用高性能防水膠粘劑對鋼筋砼進行加固，可有效地改善混凝土的抗拉、壓、抗彎曲性能。

(1)從抗拉剪性能的試驗中可以看出，在添加50%的增韌劑后，其抗拉強度和抗剪強度都達到了最大值；

(2)抗壓強度試驗結果表明：在質量分數50%以上的增韌劑中，拉伸強度和剪切強度都是最大的；

(3)通過抗彎承載力的試驗，發現混凝土的抗彎承載力隨荷載的不斷增大而顯著提高；

(4)通過紅外光譜分析，證實了環氧樹脂膠粘劑基團與鋼筋混凝土結構發生化學反應，使其具有較強的補強加固效果。