刚性实体桥梁墩台裂缝的环氧树脂灌浆材料压力灌注修补技术研究.docx

刚性实体桥梁墩台裂缝的环氧树脂灌浆材料压力灌注修补技术研究 【摘要】刚性实体桥梁墩台混凝土表面裂缝对工程质量的潜在危害较大。该文选择环氧树脂灌浆材料作为裂缝的修补材料，分析了环氧树脂灌浆料的特点与性能，分别提出了潮湿和干燥条件下环氧树脂灌浆料的推荐配方，提出一套桥梁墩台裂缝的环氧灌浆材料压力灌注修补工艺。研究成果对提高刚性实体桥梁墩台混凝土结构耐久性与使用寿命具有重要的现实意义。 【关键词】混凝土裂缝修补；环氧树脂灌浆料；改性配方；修补工艺 0 引言 刚性实体桥梁墩台属于大体积混凝土结构，在建设和使用过程中不可避免地出现不同程度、不同形式的裂缝。采用有效的预防措施虽可将早期裂缝控制在一定范围内，但在桥梁实际运营条件下，墩台混凝土结构长期遭受恒载、活载、温度变化、混凝土收缩等因素共同作用，部分无害裂缝将逐渐发展成为有害裂缝，同时裂缝的数量也将随着桥梁运营时间的增加而增大，不仅影响桥梁工程的外观形象，还会降低工程结构的耐久性，如果不及时对混凝土裂缝进行修补，甚至可导致桥梁坍塌事故的发生。为此，该文选择环氧灌浆材料作为桥梁墩台裂缝修补的基质材料，分析了环氧树脂灌浆材料的性能及特点，给出了干燥与潮湿环境下环氧树脂灌浆材料的推荐配方，制定了压力灌注环氧树脂裂缝修补的施工技术流程。 1 环氧树脂灌浆材料的性能及特点 环氧树脂属热塑性树脂材料，可与固化剂进行交联反应，生成各类固化物。环氧树脂灌浆材料是由环氧树脂为主，同时添加固化剂、改性剂、促进剂、稀释剂等组成的液态材料。 1.1 环氧灌浆材料修复混凝土裂缝的机理 应用环氧灌浆材料对墩台混凝土裂缝进行修补是个较复杂的化学与物理过程，需要经过浸润、粘附、固化等过程，形成具有交联三维结构的固化物，将裂缝两侧混凝土粘结形成整体结构。具体过程如下：（1）浸润，环氧树脂既有亲水的轻基团，同时含有疏水的碳氢链段，因此具备一定的表面活化特征，进而在材料表面生成单分子膜结构进行浸润；（2）粘附，环氧类材料含有极性基团（环氧基、醚键、轻基等），可与其它极性材料形成偶极化学键，进而形成有力的化学和物理吸附作用，在材料间生成稳定的粘结界面，因此粘接性能突出；（3）固化成型：环氧类材料的分子量小，但同固化剂进行交联反应和开环加成聚合生成具有异向网络结构的巨大分子，破坏此类预聚体内聚力所需能量是普通氯丁橡胶的2倍以上。 1.2 环氧树脂材料的性能特征 环氧树脂与其他聚合物材料相比较具有很多优良的性能，其主要工程应用优势体现在以下几个方面：（1）环氧树脂含有环氧基与极性基团，与极性材料（金属、水泥基材等）产生较强的粘结作用；（2）环氧树脂在固化过程中很少产生低分子挥发物，线膨胀系数小，内应力较小，胶层的体积稳定性好；（3）应用不同的环氧灌浆材料配方，可获得所需要的工程应用性能，如高强度、高柔性、耐高温、耐低温、导热、导磁、导电、耐老化等；（4）环氧树脂与各类无机、有机填料有较好的相容性，可通过共混、交联、共聚、填充等方式进行改性，提高胶层的粘结性能；（5）耐腐蚀性与介电性能优异；（6）产地广、产量大、价格低廉。上述分析表明，环氧树脂材料具有优异的粘结作用，在应用中同时具备耐热、抗蠕变及收缩率小等特征，因此在各类工程中得到了广泛应用。 1.3环氧灌浆材料的增韧改性 对混凝土裂缝进行灌浆修补，要求灌浆材料具备刚性抵抗荷载作用，同时具备一定的韧性以便提高粘接能力。但改性前的环氧树脂材料固化后性质偏脆，其抗剥离、抗开裂及抗冲击的性能也较差，易出现裂缝，且不耐疲劳。因此，需要通过改性克服环氧树脂固化物硬而脆的缺点，提高韧性与抗疲劳性能。目前，环氧灌浆材料的增韧改性方法主要采用以下四种途径：（1）以双酚型环氧树脂作为基质材料，添加非反应性增韧剂与环氧增塑剂，该法配制的环氧灌浆材料粘度高，但低温固化性较差，同时固化物低温时较硬，耐水性较差；（2）以带官能团的液体端鞍基丁睛橡胶、端胺基聚氨醋橡胶等作为增韧改性材料，通过调节溶解度参数，控制固化过程，提高环氧树脂的断裂韧性，但该法可致灌浆料的模量与耐热性能下降；（3）采用分子量10000以上的热塑性树脂与热固性环氧树脂进行共混增韧，可在提高环氧树脂韧性的时保持材料的模量及耐热性基本不变，但热塑性树脂的流动性与溶解性较差，加工工艺繁杂；（4）采用由各向异性的介晶基元组成的液晶聚合物对环氧树脂进行增韧改性。 2 干燥与潮湿环境下环氧树脂灌浆材料的配方研究 环氧树脂灌浆材料的工程应用性能对桥梁墩台混凝土裂缝的胶结修补效果具有决定性影响，因此需要选择合理的原材料、试验装置、测试方法及配制工艺。 2.1 原材料 （1）环氧树脂 双酚 A 型环氧树脂是由环氧氯丙烷和二酚基丙烷在碱性催化剂作用下缩聚而成的，其中环氧基和羟基使固化物具有很强的内聚力和粘接力、醚键和羟基可提高粘附力和浸润性、CC键和醚键增加大分子的柔顺性、苯环和异丙基提高聚合物的刚性和耐热性、CO键提高聚合物的耐碱性。上述特征使双酚A 型环氧树脂在工程结构补强领域得到广泛应用。然而，双酚A型环氧树脂只溶于有毒且易燃易爆有机溶剂，因此以水为溶剂的水性环氧树脂逐渐得到推广应用。水性树脂材料常用于混凝土补强剂等，还可降低传统溶剂型环氧树脂材料对人体健康与环境产生危害。 （2）固化剂 在环氧树脂材料灌浆料的配制过程中，主要采用多胺类常温固化剂，包括低分子聚酰胺树脂、直链脂肪族多胺、C型与D型环氧树脂固化剂、水性环氧树脂固化剂。其中：低分子聚酰胺树脂能在室温或加热条件下使环氧树脂固化，固化物具有良好的韧性、粘结力、耐磨性、耐腐蚀性，但在室温条件下的固化速度慢、粘度偏大；直链脂肪族多胺可在室温下与环氧树脂反应，但固化物偏脆，因此需与低分子聚酰胺树脂搭配使用；C型与D型环氧树脂固化剂的分子体系中同时具有亲水和憎水性，在灌浆压力的推动下用浆液取代处理范围的自由水和毛细水，可保证灌浆料在潮湿环境中充分固化；水性环氧树脂固化剂属于低挥发性化合物，可以用水进行稀释，抗化学侵蚀能力强，对潮湿混凝土具有良好的封闭性。 （3）稀释剂 掺入固化剂后环氧树脂材料的粘度较大，因此需掺配稀释剂来降低浆液的初始粘度，提高其渗透能力。但加入稀释剂后会影响浆液固化物的力学性能，影响灌浆效果，因此需要选择适合的稀释剂及其掺配比例。糠醛与丙酮双组分混合活性稀释剂可保证浆液良好的可灌性，同时可保证环氧树脂固化物的强度，兼具固化物体积稳定性好、耐久、耐老化等有点。 （4）促进剂 环氧树脂灌浆料在常温下的初凝固化时间较慢，因此需要在浆液中加入促进剂。三（二甲胺基甲基）苯酚促进剂含有羟基，与环氧基能形成氢键，可加速固化反应，缩短固化时间。 2.2 试验装置及测试方法 （1）环氧树脂灌浆料的粘度测定 为保证灌浆质量，依据胶粘剂粘度的测定测试标准，应用旋转粘度计、恒温水浴、温度计、秒表等仪器，可测试环氧树脂灌浆料的初始粘度。 （2）环氧树脂灌浆料的初凝时间测定 为保证灌浆施工的可操作时间，依据胶粘剂粘度的测定测试标准，应用旋转粘度计、恒温水浴、温度计、秒表等仪器，可测试浆液的初凝时间。 （3）环氧树脂灌浆料的粘结强度测定 依据建筑防水涂料试验方法测试标准，应用抗拉试模、电动抗折仪、刮刀等仪器，可分别测试干燥与潮湿环境中环氧树脂浆液固化物与周边混凝土间界面上的粘结强度。 （4）环氧树脂固化产物抗压强度的测定 依据水工混凝土试验规程测试标准，应用液压式万能试验机及相关试模，可测试环氧树脂固化产物抗压强度 2.3 干燥施工条件下环氧树脂灌浆材料的推荐配方（表1） 表1 干燥环境下环氧树脂灌浆材料的推荐配方 浆液组分名称 双酚 A 型环氧树脂 混合型固化剂 稀 释 剂 三苯酚促进剂 聚酰胺树脂固化剂 多胺固化剂 糠醛 丙酮 掺量 100g 20g 5g 40ml 40ml 3g 3.4 潮湿施工条件下环氧树脂灌浆材料的推荐配方（表2） 表2 潮湿环境下环氧树脂灌浆材料的推荐配方 浆液组分名称 双酚 A 型环氧树脂 C型环氧树脂固化剂 稀 释 剂 三苯酚促进剂 糠醛 丙酮 掺量 100g 30g 40ml 40ml 2g 3 压力灌注环氧树脂裂缝修补的施工技术流程 环氧灌浆料对桥梁墩台混凝土裂缝的修补效果取决于以下几个方面：混凝土表面特征、环氧树脂材料的胶粘能力、配制工艺、存储方法、施工工艺、环境条件等。这表明混凝土裂缝修补效果同时受到材料质量和施工方法两方面的影响。该文作者根据多年施工经验，提出一套桥梁墩台裂缝的环氧树脂灌浆材料压力灌注修补工艺。 3.1 压力灌注环氧树脂裂缝修补工作原理 利用手工或机械手段，在压力作用下将配制的灌注材料灌入混凝土结构裂缝中，环氧树脂灌浆材料在裂缝中凝固后与混凝土形成闭合，使裂缝封闭。 3.2墩身裂缝修补工艺 （1）施工工艺流程 施工工艺流程：设计布置图清洗裂缝粘灌浆嘴封闭裂缝检查裂缝封闭情况修补漏气处配浆灌浆效果检查。 （2）施工机具 钢丝刷、砂轮机、高压水枪、喷雾器具、凿子、锤子、专用尼龙刷、半硬棕刷、计量水和料的器具、拌料器具、注射器、抹布、胶皮手套等。 （3）施工方法 第一步，对墩台混凝土裂缝进行检查，确定裂缝的几何特征并进行混凝土表面标记； 第二步，对混凝土裂缝进行前期清洁处置，采用专用打磨设备，清除裂缝周边及内部的杂物、浮尘及松散体，保持混凝土表面具有良好的粘结面； 第三步，按裂缝的几何特征确定注胶位置并沿裂缝开裂方向每延米安装三个注射设备台座，保持台座基底几何形心与裂缝重合； 第四步，对裂缝与台座周边5cm2的范围进行彻底密封，防止浆液损失； 第五步，利用装满灌浆料的注射设备进行灌浆作业，避免注射设备混入气泡。通过加压方式灌浆，如注射设备内灌浆料无法一次灌满裂缝，需及时进行添加，防止浆料固化； 第六步，裂缝注满灌浆料后需保持6090分钟，待灌浆料初凝后方可拆卸注浆设备； 第七步，在25条件下，灌浆后624h后可拆卸注浆设备台座，用砂轮机等机具进行墩台混凝土裂缝的表面美化修复工作。 （4）施工技术措施 每次实施桥梁墩台裂缝的环氧树脂灌浆材料压力灌注修补作业前，需要精确计算灌浆材的配置量，防止环氧灌浆材料在关注前发生早期固化，影响裂缝修补效果； 制备的环氧树脂灌浆材料需要在阴凉、通风的环境中分散存放，并适当搅拌，防止固化； 在环氧树脂灌浆材料的修补施工和后期养护过程中，需要控制裂缝周围环境温度； 修补施工和后期养护过程中，工作人员要求不能裸露手、口、鼻等易受刺激的器官，防止溶剂型环氧树脂材料的挥发颗粒对人体健康产生危害 禁止