地鐵潮濕環(huán)境中UHPC防護(hù)層粘結(jié)劑耐久性能研究

摘要：為提高地鐵工程建設(shè)質(zhì)量，增強(qiáng)地鐵施工中超高性能混凝土（UHPC）防護(hù)層的可靠性，研究了潮濕環(huán)境下UHPC防護(hù)層粘結(jié)劑的耐久性能。通過(guò)制備不同質(zhì)量配比的水性環(huán)氧封閉劑，將其用作UHPC防護(hù)層，并結(jié)合低模量聚氨酯密封膠，制成了潮濕和干燥條件下的UHPC混凝土粘接試件。拉伸、耐低溫和耐老化性能測(cè)試結(jié)果顯示采用A組分∶B組分∶去離子水=10∶15∶15配比的封閉劑與密封膠相結(jié)合的UHPC防護(hù)層表現(xiàn)優(yōu)異，能在潮濕條件下保持高強(qiáng)度和抗沖擊性，且具有良好的耐久性能。

關(guān)鍵詞：潮濕環(huán)境；UHPC防護(hù)層；粘結(jié)劑；耐久性能；拉伸性能；耐低溫性能

中圖分類號(hào)：TQ436+.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0009-04

Study on the durability of UHPC protective layer binder in subway wet environment

TANG Xiaoyong1，TANG Xudong2，HUANG Fengzhi1，WENG Deyao1，JIANG Shibo1，MAI Jiaer1

（1.Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510030，China；

2.Guangzhou Pengyue Building Materials Technology Development Co.，Ltd.，Guangzhou 510030，China）

Abstract：In order to improve the construction quality of subway engineering and enhance the reliability of ul-tra-high performance concrete（UHPC）protective layer in subway construction，the durability of UHPC protective layer binder in wet environment was studied.Waterborne epoxy sealants with different mass ratios were prepared and used as UHPC protective layer.Combined with low modulus polyurethane sealant，UHPC concrete bonding specimens under wet and dry conditions were made.The test results of tensile，low temperature resistance and aging resistance show that the UHPC protective layer combining the sealant with the sealer with a ratio of 10∶15∶15 for component A∶component B∶deionized water has excellent performance，which can maintain high strength and im-pact resistance under humid conditions，and has good durability.

Key words：humid environment；UHPC protection layer；binder；durability；tensile properties；low temperature re-sistance

超高性能混凝土（UHPC）是一種高密實(shí)性和抗?jié)B透性的特殊混凝土，其微觀結(jié)構(gòu)致密，耐化學(xué)腐蝕，適用于惡劣環(huán)境施工[1-2]。然而，在地鐵潮濕環(huán)境中，UHPC易受結(jié)露水珠影響，從而降低摩擦系數(shù)、增加滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)加速水分滲透和蒸發(fā)，影響粘結(jié)劑性能和防護(hù)層穩(wěn)定性[3-5]。因此，需設(shè)計(jì)可靠的防護(hù)層粘結(jié)劑以確保UHPC在地鐵潮濕環(huán)境下的應(yīng)用質(zhì)量。

目前有較多學(xué)者對(duì)工程施工用粘結(jié)劑進(jìn)行研究。李偉等[6]研究了水性丙烯酸塑膠跑道粘結(jié)劑的性能，該粘結(jié)劑在力學(xué)方面表現(xiàn)良好，但耐潮濕能力不足。毛敏軒等[7]研究了淀粉基木材粘結(jié)劑的結(jié)構(gòu)性能，使用聚乙烯醇和玉米淀粉為原料，制備了不同NaOH含量的粘結(jié)劑，測(cè)試結(jié)果顯示其粘接效果良好，但高溫下易老化。馮李等[8]研究了低溫環(huán)境下低粘度裂縫修復(fù)環(huán)氧粘結(jié)劑，通過(guò)在環(huán)氧樹脂中加入不同活性稀釋劑實(shí)現(xiàn)混凝土修復(fù)。雖然其剪切強(qiáng)度高，但耐久性不足。Xavier等[9]制備了用于高鐵環(huán)境施工的混凝土粘結(jié)劑，雖然該材料適用于多種環(huán)境，但抗拉拔強(qiáng)度較低，無(wú)法提供良好的粘接力。

為提高地鐵工程建設(shè)質(zhì)量，增強(qiáng)地鐵施工中UHPC防護(hù)層的可靠性，本試驗(yàn)研究了地鐵潮濕環(huán)境下不同UHPC防護(hù)層粘結(jié)劑的耐久性能。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)原材料

在制備UHPC防護(hù)層粘結(jié)劑時(shí)[10-11]，主要使用原材料：聚氧化丙烯二醇和聚氧化丙烯三醇（湖北東曹化學(xué)科技有限公司）；聚合物多元醇（廣州遠(yuǎn)心材料有限公司）；改性二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和擴(kuò)鏈劑（蘇州六福材料科技有限公司）；辛酸亞錫（山東首化化學(xué)有限公司）；水性環(huán)氧樹脂和硅烷改性聚氨酯樹脂（濟(jì)南泉星新材料有限公司）；UHPC混凝土塊（70 mm×70 mm×10 mm，市售）。

1.2試驗(yàn)材料制備

1.2.1低模量聚氨酯密封膠制備

（1）預(yù)聚物組分制備：加入聚合物多元醇至三口燒瓶中，攪拌并加熱至（110±5）℃，使其水分降至0.05%或以下，然后降溫至常溫[12-14]。向燒瓶中加入改性MDI，并在攪拌的同時(shí)逐步升高溫度，在85℃溫度下反應(yīng)3 h后制得預(yù)聚物組分；

（2）固化劑組分制備：將聚合物多元醇和擴(kuò)鏈劑加入三頸燒瓶中，混合并加熱至（110±5）℃，在減壓條件下進(jìn)行干燥，并加入合適的催化劑，攪拌30 min制得固化劑組分；

（3）低模量密封膠制備：將預(yù)聚物組分和固化劑組分按照適當(dāng)?shù)谋壤鸵欢ǖ捻樞蚣尤氲揭粋€(gè)裝有液體的器皿中，攪拌均勻后用抽氣裝置除去氣泡即可得到低模量聚氨酯密封膠。

1.2.2水性環(huán)氧封閉劑制備

適量稱取A組分、B組分。其中，A組分為環(huán)氧樹脂、硅烷改性聚氨酯樹脂，質(zhì)量比為2∶1；B組分為辛酸亞錫、聚氧化丙烯二醇、聚氧化丙烯三醇、水，質(zhì)量比為1∶2∶2∶5。將A組分、B組混合，并按照質(zhì)量比（A組分∶B組分∶去離子水）分別為10∶15∶10（F1）、10∶15∶15（F2）、10∶15∶25（F3）的稀釋比例加入去離子水，制成3種水性環(huán)氧封閉劑。

1.2.3潮濕UHPC混凝土試塊制備

為模擬地鐵潮濕環(huán)境，制備了潮濕UHPC混凝土試塊。去除UHPC混凝土塊表面灰塵、浮砂，在（23±2）℃水中浸泡24 h后，取出擦凈晾干備用[15-17]。

1.2.4涂覆粘接試塊制備

分別向UHPC混凝土塊、潮濕UHPC混凝土試塊上涂刷不同配比的封閉劑（F1、F2、F3），制備得到干燥UHPC混凝土粘接試塊（G1、G2、G3組），潮濕UHPC混凝土粘接試塊（R1、R2、R3組），每組試件各有20個(gè)試塊。向各試塊上涂刷密封膠，在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h，并在烘箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)4 h，放至室溫后，將試塊與直徑為40 mm的圓形定子粘接，用于試驗(yàn)備用。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1潮濕UHPC混凝土粘接試件測(cè)試

（1）拉伸粘接性能測(cè)試。采用深圳新三思材料檢測(cè)有限公司生產(chǎn)的CMT5205型電子萬(wàn)能拉力機(jī)測(cè)試試件的拉伸粘接性能，以評(píng)估試塊在拉伸過(guò)程中的耐久性。將試塊對(duì)稱地夾在萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具上[18]。拉剪速率為5 mm/min，觀察試件變化，并記錄試件破壞時(shí)的最大荷載。通過(guò)萬(wàn)能拉力機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉拔速率為5 mm/min，分析試件的拉拔強(qiáng)度和斷裂延伸率；

（2）抗沖擊性能測(cè)試：參考GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》，應(yīng)用濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司生產(chǎn)的Zbc-4型懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的抗沖擊性能，以評(píng)估試件在沖擊作用下的耐久性；

（3）低溫性能測(cè)試：將浸泡后的潮濕UHPC試件取出后立即放置在上海一恒科學(xué)儀器有限公司的HWS-150B型恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，在0～-50℃放置1 h后，分析不同試塊在各低溫環(huán)境下的粘接強(qiáng)度，以評(píng)估其在低溫狀態(tài)下的耐久性。

1.3.2干燥UHPC混凝土粘接試件性能測(cè)試

由于地鐵潮濕環(huán)境中濕度和溫度變化常常較大，因此將干燥UHPC混凝土粘接試件置于HWS-150B型試驗(yàn)箱中靜置養(yǎng)護(hù)7d后取出，分別進(jìn)行熱老化、濕熱老化與水浴老化測(cè)試：

（1）熱老化測(cè)試：通過(guò)廣東宏展科技有限公司出廠的GW-150A型熱老化試驗(yàn)箱進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為80℃，取樣時(shí)間為50～600 h；

（2）濕熱老化測(cè)試：通過(guò)上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司出廠的THS-100型濕熱老化試驗(yàn)箱展開測(cè)試，試驗(yàn)溫度為120℃，相對(duì)濕度（RH）為98%，取樣時(shí)間為50～600 h；

（3）水浴老化測(cè)試：通過(guò)常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司出廠的HH-S2型單列二孔水浴箱展開測(cè)試，測(cè)試溫度為80℃，測(cè)試時(shí)使用去離子水，取樣時(shí)間為1～23d。

2結(jié)果與討論

2.1潮濕UHPC混凝土粘接試件耐久性測(cè)試

（1）試件拉剪強(qiáng)度測(cè)試：潮濕UHPC混凝土粘接試件拉剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)試件結(jié)束吸水并放置2h時(shí)，每組試件的拉剪強(qiáng)度均處于較低水平，說(shuō)明潮濕狀態(tài)對(duì)試件拉伸性能存在一定影響；3組試件中，R1試件的拉剪強(qiáng)度最低，達(dá)到1.0 MPa左右，其他2組試件拉剪強(qiáng)度略高于該組。當(dāng)試件放置時(shí)間達(dá)到10 h以后，每組試件拉剪強(qiáng)度均開始大幅上升，這是由試件在放置過(guò)程中含水量下降導(dǎo)致的。當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到16 h時(shí)，每組試件拉剪強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到24h時(shí)，每組試件拉剪強(qiáng)度達(dá)到最高，其中，R2組試件的拉剪強(qiáng)度達(dá)到1.6 MPa以上，明顯高于其他2組，說(shuō)明該組試件具有良好的抗拉效果。

（2）試件拉拔強(qiáng)度測(cè)試：每組潮濕試件在不同放置時(shí)間下的拉拔強(qiáng)度如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到14h時(shí)，試件的拉拔強(qiáng)度得到大幅度增高，說(shuō)明在較小的含水量下，每組試件均能夠保持優(yōu)異的粘接能力。當(dāng)試件放置時(shí)間達(dá)到24h時(shí)，3組試件拉拔強(qiáng)度較為接近，但R2組拉拔強(qiáng)度達(dá)到3.8 MPa以上，略高于其他2組，可見(jiàn)R2試件的粘接效果相對(duì)較好。

（3）試件斷裂延伸率測(cè)試：3組潮濕試件在不同放置時(shí)間下的斷裂延伸率如圖3所示。

由圖3可知，放置2h時(shí)，試件含水量處于較高水平，3組試件斷裂延伸率均保持在90%以上。隨著放置時(shí)間的增加，試件的含水量逐漸降低，斷裂延伸率逐漸上升，R1試件斷裂延伸率最大達(dá)到120%～150%，R3試件斷裂延伸率最大達(dá)到180%以上，而R2試件斷裂延伸率最大達(dá)到210%左右，可見(jiàn)R2組試件可以在拉伸過(guò)程中保持優(yōu)異的斷裂延伸率，耐久性良好。

（4）試件抗沖擊性測(cè)試：不同放置時(shí)間下潮濕試件的抗沖擊強(qiáng)度如圖4所示。

由圖4可知，隨著放置時(shí)間的增加，UHPC含水量逐漸下降，防護(hù)層粘結(jié)劑的抗沖擊強(qiáng)度有所增高。3組試件在放置4h時(shí)的抗沖擊強(qiáng)度保持在4.3～4.6 kJ·m-2，整體差異并不明顯。當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到12h時(shí)，3組試件的抗沖擊強(qiáng)度差異逐漸加大，R2試件始終保持最高的抗沖擊強(qiáng)度，說(shuō)明該組試件不僅在UHPC含水量較低狀態(tài)下能夠保持良好的抗沖擊性，在含水量較高時(shí)仍然可維持一定的抗沖擊效果。

（5）低溫性能測(cè)試：試件在不同低溫環(huán)境下的剪切強(qiáng)度如圖5所示。

由圖5可知，隨著試驗(yàn)溫度的不斷下降，每組試件的剪切強(qiáng)度都有所降低。當(dāng)試件處于0℃環(huán)境時(shí)，3組試件的剪切強(qiáng)度均保持在4.0 MPa以上。而當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到-50℃時(shí)，3組試件的剪切強(qiáng)度已下降至2.0～3.0 MPa，但R2試件的剪切強(qiáng)度始終保持最高，說(shuō)明該組試件在低溫環(huán)境下保持良好的耐久性。

當(dāng)試驗(yàn)溫度為-10℃時(shí)，3組試件均未產(chǎn)生裂紋；-30℃時(shí)，R1、R3組試件均產(chǎn)生輕微裂紋，而R2組試件仍未出現(xiàn)裂紋；-50℃時(shí)，R2組試件僅產(chǎn)生輕微裂紋，而R1和R3組彎曲時(shí)脆裂。

2.2干燥UHPC混凝土粘接試件耐久性測(cè)試

3組干燥UHPC混凝土粘接試件在不同老化環(huán)境下的儲(chǔ)能模量如圖6所示。

由圖6可知，在不同老化條件下，3組試件的儲(chǔ)能模量均隨取樣時(shí)間的增加而下降，可見(jiàn)熱老化對(duì)每組試件的性能均存在一定影響。當(dāng)試件處于熱老化環(huán)境時(shí)，每組試件的儲(chǔ)能模量要略高于其他2種試驗(yàn)環(huán)境，這是由于在其他2種試驗(yàn)環(huán)境中，還存在一定的濕度影響。G2組試件始終保持最高的儲(chǔ)能模量；在濕熱老化環(huán)境下，該組試件儲(chǔ)能模量最低值仍高于8 000 MPa；在水浴老化環(huán)境下，G2組試件儲(chǔ)能模量最低值仍高于7 000 MPa。因此，G2組試件在不同老化環(huán)境下能夠保持良好的耐久性。

3結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)研究了潮濕環(huán)境下UHPC防護(hù)層的粘結(jié)劑耐久性能。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的粘結(jié)劑材料能夠有效地保證基材與UHPC材料形成穩(wěn)定的粘接，保持防護(hù)層的完整性和性能穩(wěn)定性。未來(lái)在實(shí)際工程應(yīng)用中，為確保粘結(jié)劑能夠在潮濕環(huán)境下發(fā)揮最佳的防護(hù)效果并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性，還可以對(duì)粘結(jié)劑的使用壽命進(jìn)行分析。

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（責(zé)任編輯：伍鈺）