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環氧樹脂砂漿的配制工藝與施工運用

時間:2019-12-13 來源:粘接 作者:謝永剛 本文字數:6019字

  摘    要: 文章主要介紹了環氧樹脂材料性能,環氧樹脂砂漿(環氧砂漿)的配制工藝,環氧砂漿應用于水利工程的優缺點,它的施工要求及環氧砂漿在水利工程中的應用等。

  關鍵詞: 環氧樹脂砂漿; 水利工程; 應用;

  Abstract: This paper mainly introduces the properties of epoxy resin,preparation process of epoxy resin mortar(epoxy mortar),advantages and disadvantages of epoxy mortar applied in hydraulic engineering and the application of epoxy mortar in water conservancy projects.

  Keyword: epoxy mortar water; conservancy project; apply to;

  環氧樹脂是一種新型建筑材料,自20世紀50年代年在我國已經開始研發并投入使用。它是一種黃色或青銅色的液體化合物,化學結構含有環氧基,由環氧氫丙烷與雙酚基丙烷這兩種化學物反應生成。它是一種低分子樹脂,具有粘接性,可被制作成粘接劑應用于建筑施工中。同時,這種樹脂熱塑性很強,加入其他添加劑可將改變環氧樹脂的性能。如加入硬化劑,熱塑性的樹脂將發生固化,強度迅速提高,此外,環氧樹脂還具有穩定性,可耐受高溫及抵抗酸堿等化學物質的侵蝕。由于結構上的不同,有不同類型的環氧樹脂。伴隨著科學技術的成熟,環氧樹脂應用普及,除建筑之外,在水利、機械工業、船舶等行業也廣泛應用及推廣。

  環氧樹脂黏結材料是由環氧樹脂加上不同配比的固化劑、增韌劑、稀釋劑及填料等可以組成多種復合材料,又稱為環氧樹脂粘接材料。目前開發的環氧樹脂材料主要是:環氧基液、環氧粘接劑、環氧砂漿和環氧混凝土。環氧樹脂砂漿主要由膠結材料(環氧樹脂、固化劑)和填料(石英砂、水泥等)混合合成,根據施工需要,必要時摻入稀釋劑、增韌劑等助劑。它是一種適應性廣、性價比高的復合材料,具有和易性強、固化速度快、力學性穩定、粘接性優良等優點,近幾年主要應用于隧道滲水修補、螺栓錨固、結構修補、加固工程等。因此,過程中應用環氧砂漿可顯著提高工作效率,縮短施工時間,無需后期監管及養護,節省人力物力,干縮后不產生額外應力,避免產生裂縫,影響施工效果。國內外的科研人員近年來一直致力于環氧砂漿的研究,已開發出新型環氧砂漿材料,并已廣泛應用于水利工程及建筑之中,如CW系環氧砂漿及NE環氧砂漿。該文對環氧樹脂材料的性能、環氧樹脂灌漿料的制備技術、環氧砂漿在水利工程中的應用等方面進行了研究。
 

環氧樹脂砂漿的配制工藝與施工運用
 

  1、 環氧樹脂材料性能及優點

  環氧樹脂是指分子結構中含有2個或2個以上環氧基團構成的高分子聚合物[1]。它是一種熱塑性材料,不易固化,由于環氧基數量及空間結構的差異,環氧樹脂有多種類型[2]。

  表1 水利工程常用環氧樹脂產品的牌號、規格表
表1 水利工程常用環氧樹脂產品的牌號、規格表

  表1中所列8種產品,隨環氧值增大,分子量反而減小,軟化點也越低。

  環氧樹脂是一種易溶于有機溶劑的化學物質。環氧樹脂具有不易吸水、穩定性好(耐熱、耐腐蝕)、抗震、不易老化,使用壽命長、粘接性強、施工工藝簡便等優點。同時也有它的使用局限性。如低溫下熱塑性差,必須通過加熱才能將能將固化的樹脂從容器中倒出,使用非常不便。同時,隨著溫度上升,環氧樹脂的粘接性降低,使用效果差,且容易造成安全事故[3]。力學不穩定,不能承受較大的沖擊力量。為了彌補環氧樹脂的缺陷,更好的發揮環氧樹脂的優良性能,技術人員將環氧樹脂中摻入了其他化學物質,開發出了環氧樹脂黏結材料。

  二酚基丙烷型環氧樹脂經常應用于水利工程之中,這種化合物由環氧氯丙烷和二酚基丙烷在堿性物質的催化作用下縮聚反應生成,是一種高聚化合物。環氧樹脂材料應用廣泛,在水利工程中主要用于混凝土修補、黏結、灌漿、高強混凝土接頭等方面[2]。

  2、 環氧樹脂砂漿(環氧砂漿)的配制工藝和注意事項

  環氧樹脂砂漿主要由膠結材料,摻入填料,必要時摻入稀釋劑、增韌劑等助劑組成的多相復合材料,具有多項優良性能。熱塑性好,摻入膠結材料固化后,環氧樹脂砂漿的強度、粘接性、防水性能明顯提高,可應用于混凝土結構修補、加固、錨固等水利工程施工[4]。環氧砂漿的常見配制工藝流程簡要示意圖如圖1所示。

  圖1 環氧砂漿配制程序框圖
圖1 環氧砂漿配制程序框圖

  Fig.1 Box diagram of epoxy mortar preparation

  配制環氧砂漿的注意事項:

  第一步是將稱量好的填料與膠液混合均勻。將稱量好的填料(石英砂、水泥等)平鋪到薄鐵板上,清除砂子中的雜質,盡量鋪平,均勻分布于鐵板上,然后倒入膠液,一般倒入一般迅速攪拌,使膠液與填料充分混合、融和。配制環氧砂漿應注意控制砂子的溫度(30~35℃),反復測量砂子的溫度。混合過程中保證膠液的溫度(60℃)和填料的溫度與接近或略高,促進填料與膠液充分混合反應。給填料加熱的方法是:通過給鐵板加熱間接加熱填料,所以填料必須平鋪均勻,不宜過厚,否則受熱不均。反復翻動填料,用手感受填料溫度,溫熱即可。根據施工速度即用即配,不宜一次配制太多,否則容易造成浪費,因為不能配制時間超過1h,未及時使用環氧砂漿,砂漿會出現初凝成為廢料,無法繼續使用[5]。

  不同配合比水下環氧砂漿的性能有較大差異。李俠等[6]采用外摻不同比例的環氧樹脂乳液的方法改變水泥砂漿的性能,分析發現不同比例環氧樹脂乳液摻量影響了水泥砂漿的壓縮能力及收縮性能。他們發現伴隨著環氧樹脂乳液摻量的增加,新型水泥砂漿的壓縮強度與收縮率均下降,但其彎曲強度先增加后減小,這表明在一定范圍內環氧樹脂乳液摻量對彎曲強度和體積收縮率是有利的。馬智法等[7]以某水電站大壩溢流面及消力池大修工程為背景,根據工程實際分別設計了3組水下修補環氧混凝土和水下環氧砂漿的配合比,并研究了不同配合比水下環氧混凝土(砂漿)的壓縮強度、彎曲強度、與水泥混凝土粘接性能、耐環境作用能力以及其水下流動性能。這項研究發現環氧樹脂材料在混凝土混合物中的摻量對環氧混凝土的性能存在重要的影響,綜合考慮其力學性能指標及施工流動性等性能,他提出水利工程實際環氧樹脂砂漿推薦摻量為23.0%,如表2、表3所示。左聯等[8]也研究了膠砂比及固化劑用量對環氧砂漿強度產生影響,得出合理膠砂比為0.15∶0.30,固化劑乙二胺的合理用量為7%~10%。在合理范圍內,膠砂比、固化劑用量越大,環氧砂漿的壓縮強度則會越高。

  表2 環氧砂漿配合比
表2 環氧砂漿配合比

  注:表中配合比為細砂和水泥的質量比,環氧樹脂為主劑A和固化劑B組成的均勻混合物,其摻量為環氧樹脂占環氧砂漿聚合物總質量的百分比。

  表3 水下環氧砂漿試驗結果
表3 水下環氧砂漿試驗結果

  注:粘接強度試驗試件斷裂位置均為原水泥混凝土。

  3、 環氧砂漿的施工中的具體要求和注意事項

  環氧砂漿材料施工前,施工操作面必須保持干燥和清潔。如果表面難以清理,可以用鋼絲刷洗刷或用砂輪等工具清除掉混凝土表面的污垢及浮漿等,否則會影響環氧砂漿的黏結質量。構件表面經過打磨會產生廢料,可以用吹風機或棉紗等工具清除掉表面的塵土、垃圾等廢物,如果必須用水清理,清洗后應充分保持通風干燥,必要時可用鼓風機促進表面干燥。施工過程要注意溫度的影響,最適宜溫度為10~35℃,低于施工溫度時,需要加用保溫措施,因為低溫時樹脂的流動性差、滲透性弱,延長環氧樹脂固化時間,影響施工進度。

  3.1、 環氧砂漿的涂抹和改性

  涂抹時應盡量攤鋪均勻,控制好環氧砂漿的厚度,每層厚度應≤1.0~1.5cm,底層厚度控制在0.5~1.0cm,如果厚度超過4cm,最好建立模型再澆筑。用鐵抹盡量反復壓抹砂漿,保證厚度均勻,排除內部多余漿液,如有氣泡溢出,必須及時刺破、壓緊。

  針對水性環氧樹脂改性水泥砂漿存在含氣量高、氣孔多且大等問題,陳宗瑞等[9]研究了消泡劑摻量對水性環氧樹脂力學性能的影響,并分析了環氧樹脂改性砂漿孔結構與力學性能的關系。他們發現磷酸三丁酯與有機硅消泡劑均能改善水性環氧樹脂改性水泥砂漿的力學強度,而且這兩種消泡劑具有協同增強作用。分析孔結構數據可知摻入消泡劑不僅能降低水性環氧樹脂改性砂漿的孔隙率與孔徑,還能優化孔徑分布,減少有害孔、多害孔的數量,所以水性環氧砂漿中可常規加入磷酸三丁酯與有機硅消泡劑改良其性能。

  3.2、 環氧砂漿的保養和維護

  環氧砂漿施工后還未固化,容易受到環境變化的影響,性能發生改變。可以采用土工織物或廢棄麻袋等進行遮蓋,避免強陽光直接照射施工面。相反,如果環境溫度過低,也要采取保溫措施。一般適宜的養護溫度為20℃左右,養護晝夜溫差不宜超過5℃。遮蓋養護的時長約48h,自然潮濕養護5d左右,可適量延長2~3d。注意保護施工現場,保證環氧砂漿在固化期間免受人為因素干擾發生損壞及變質。

  4、 環氧砂漿的應用實例

  近年來國內外水利工程中,環氧砂漿主要應用在抗沖耐磨部位、混凝土裂縫修補部位、混凝土缺陷修補、緩凝土防滲等部位。下面分別進行簡要介紹[10]。

  4.1、 隧道滲水修補

  貴陽市域貨運鐵路某隧道地處巖溶地區,長期高速水流沖刷隧道,地層巖性嚴重破碎。該隧道在建成后受到該地區發生連續降雨的影響,地表水下滲入隧道內集聚,造成隧道多處襯砌施工縫處滲水。盡管進行過一次封堵處理,但是滲水問題并沒有實質性解決。建設單位于是決定進行二次修補整治處理。針對封堵材料與襯砌混凝土粘接不良,易造成安全隱患。提出將快凝堵漏劑、環氧樹脂砂漿兩種材料混合均勻,對隧道襯砌縫滲水處進行修補及加固,這種方案不堵塞、破壞隧道原有防排水體系,防滲堵漏效果優良,粘接效果穩定,不易發生材料脫落,安全穩定性好。根據使用后1年的檢驗報告可知,快凝堵漏劑與環氧樹脂砂漿用于修補部位未見開裂、松散、滲水等現象,修復效果較好[13]。

  4.2、 橋梁支座錨固

  橋梁上下部承重需要橋梁支座的支撐,支座使用效能受到多種因素的共同影響,如橋梁支座表面的平整度及強度,否則橋梁的行駛安全及駕駛難易程度會受到影響。目前橋梁支座錨固材料多采用外包的水泥基灌漿材料,一般由其他公司設計加工供應,不用人工現場配制混凝土,質量穩定,操作簡易方便。但也存在一定問題需要解決。如早期強度弱,不穩定,支座安裝好后不能立即架設梁板,需要等待較長時間;水泥基材料水化過程中容易受到環境變化影響,支座易產生干縮、應力改變,出現裂縫等問題;鋼梁支座安裝過程機械化,不利于工作人員實際操作,后期養護也存在很多問題。

  與水泥基灌漿材料相比,環氧樹脂砂漿克服了其和易性差、固化速度慢、力學性能弱、粘接力差、易受環境因素影響等缺點。在橋梁支座錨固工程中受到重視,近年來被廣泛應用。周紫晨等[11]發現環氧樹脂灌漿材料應用于橋梁支座錨固工程中,操作簡便,工作效率高,后期容易養護,無干縮應力產生,不易產生裂縫,與其他材料相比優勢更明顯。

  然而,環氧樹脂砂漿也存在使用局限,它的黏度大、易受溫度影響且造價相對較高。李占全[12]提出水性環氧樹脂可代替溶劑型環氧樹脂。水性環氧砂漿同樣具有類似溶劑型環氧樹脂優異的性能,而且施工更為方便,成本更低,未來有望可全面代替傳統環氧砂漿,為橋梁支座錨固提供一個新方向。

  4.3、 過流混凝土面的維護

  水流沖刷會對水利工程產生磨損和氣蝕損壞。尤其是當高速水流夾帶沙石等介質時。為了修補這些損壞的設施,通常選用砂漿材料進行修補。如高強水泥砂漿、聚合物水泥砂漿、硅粉砂漿和環氧砂漿等。大量研究者經過對比試驗,他們發現環氧砂漿的抗氣蝕性能最強,是C40混凝土的6~8倍,C30混凝土的20倍。然而,環氧砂漿的使用方法繁瑣,容易受到環境影響。對溫度要求嚴格,施工過程中會產生有毒、有害氣體,收縮率大,限制了環氧砂漿的推廣及應用。張濤等[14]研究配制的新型環氧砂漿可以改良這些缺點,NE環氧砂漿性能穩定、不宜受到環境溫度變化影響,已經應用于國內外上百個大中型水電工程中,使用效果穩定,受到一致好評。例如黃河小浪底水利樞紐工程。首次采用大面積的NE環氧砂漿作為過流混凝土過流面的保護層,取得了舉世矚目的成績,為世界水利工程的發展樹立了良好的標桿。

  4.4、 防浪墻加高

  傳統水泥混凝土粘接性差,不牢固,容易發生坍塌,老化。國內外科學家經過多次試驗,將環氧樹脂砂漿應用于防浪墻的加高工程之中,他們發現混合環氧砂漿之后,混凝土結合性能明顯提高,防浪墻使用壽命明顯延長,且安全可靠,優化水泥混凝土的粘接問題,為水利工程的發展做出了重大貢獻[14]。

  5、 結語

  我國從60年代開始應用環氧砂漿進行水利工程高速泄流部位的抗沖磨防護和薄層沖磨破壞的修補,科研人員一直致力于環氧砂漿性能和性價比的開發研究之中。環氧砂漿在水利工程中的應用前景廣闊。主要應用于抗沖耐磨部位、混凝土裂縫修補部位、混凝土缺陷修補、緩凝土防滲等部位。環氧砂漿在近幾年的使用過程中,提高斷裂韌性和抗裂性、方便快速易施工、適應潮濕混凝土表面并具有高粘接強度等方面性能已經得到較大程度的改善和提高。科研人員根據環氧樹脂化學灌漿材料對各組分的性能要求,研制出多種新型環氧砂漿材料。如CW系環氧樹脂砂漿。由低黏度環氧樹脂、無毒、高韌性、防水性的固化體系以及反應性表面活性劑共同組成。這類新型環氧砂漿具有低黏度、高強度、滲透性強等優點。NE型環氧砂漿也是一種新型環氧樹脂復合材料,在于水利工程中,可應用于過流混凝土的保護和修補材料。新型環氧砂漿材料應用范圍有限,主要是因為價格仍較昂貴,環氧砂漿耐久性和水下施工仍需國內外研究者繼續深入研究。

  參考文獻

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    謝永剛.環氧樹脂砂漿在水利工程上的應用[J].粘接,2019,40(11):24-28.
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