（有机化学专业论文）机场道面微裂缝快速修复材料合成及其性能研究.pdf

j j ， s t u d v 行研 本学 涉及 明。 论文 进行 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 由于自然环境，施工因素及飞机荷载的共同作用，机场道面会出现大量宽度约o 2m 蝴的 微裂缝，如果不及时修复，在飞机循环载荷作用下这种微裂缝会加速扩展，使道面失去整体性， 给飞机正常起降带来隐患，因此，研制针对混凝土早期微裂缝的修复材料很有必要。 本文合成了三种室温快速固化、低粘度并具有优良力学性能的裂缝修复材料，即基础修复 材料( b r m ) 、有机改性修复材料( o r m ) 及复合改性修复材料( c r m ) 。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过正交试验研究了b r m 各组分用量对拉伸、粘结性能的影响，得到了各组分的最 佳配比，研究结果表明：b r m 的拉伸强度达到3 5 5m p a ，断裂伸长率约为5 7 0 ，粘结强度可 达6 9m p a 。t g d t a 测试表明，b 删的加速失重温度为2 7 1 7 。利用m p t s 及甲基丙烯酸 对b r m 进行改性，合成了0 r m ，研究结果表明：0 r m 的拉伸强度达到3 9 。8m p a ，断裂伸长 率为8 0 4 ，t g d 1 a 测试表明，其加速失重温度为2 8 6 ，4 。利用无机填料对0 r m 进行改性 制得c r m ，实验结果表明：c r m 的失重加速温度为2 9 4 5 ，材料的收缩率降至2 。1 7 。 ( 2 ) 通过模拟机场道面所处自然、力学及施工环境，研究了三种修复材料的灌注性能，储 存稳定性，尺寸稳定性能等物理性能；弯曲强度，压缩强度，钢钢粘结剪切强度等力学性能； 耐n a c l 溶液腐蚀性能，耐紫外光老化性能等耐久j l 生能。针对机场道面常用的水泥混凝土铺设 材料，研究了修复材料对胶砂试块的粘结强度，粘结剪切强度及修复后材料的耐腐蚀性，耐冻 融性能等。 关键词：修复材料，机场道面裂缝，改性，室温固化，快速修复 r u n w a y ，a 铲e a td e a lc r a c k sw i t ht h ew i d t ho f a r o u n d0 2m mm e v i t a b l yo c c u 玎e di 1 1 戗l ep a v e m e n t 。i f n o tm e n d e di i lt i m ea 1 1 dl a 唱er o l l i n go ft h ep l a n e sw o u l da c c e l e r a t es p r e a d i n ga 1 1 de n l a r g i n go ft 1 1 e c r a c k su n d e r 戗1 i ss i t u a t i o n nw o u l d1 e a dt oas e n e so fs e r i o u sc o n s e q u e n c e s ，p a v e m e mi sn o ti n t e 鲥t y ， e a t e nt h en i g h ts a f e 够a n ds oo n 。t 1 1 e r e f o r e ，s y n t l l e s i z eak i n do fr e p a i rm a t e r i a lw h i c ha 妇a te a r l y c o n c r e t ec m c k si sm d i s p e n s a b l e 。 1 1 1t h i s p a p e r ，t h e r es t y l e sm a t e r i a l sw i t l lf a s t - c u r i n ga tr o o mt e i n p e r a t u r e ，l o wv i s c o s i t ya n d e x c e l l e l l tm e c h a n i c a l p r o p e n i e s w e r e p r e p a r e d ，n a m e l y b a s i c r e p a i r m a t e r i a l ( b r m ) ， 0 r g a n i c _ 1 1 1 0 d i f l e dr 七p a i rm a t e r i a l ( o r m ) a n dc o 】p o s i t e m o d i f i e dr 印a i rm a t e r i a l ( c r m ) t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ( 1 ) t 缸s i l ea n db o n dp r o p e r t i e so fm eb r mt 1 1 a tw e r ei n n u e n c e db yt h ec 唧o n e n t sw e r es t u d i e d t h r o u 曲f l v ef a c t o r sa n dt h r e e1 e v e l so m l o g o n a le x p e r 洫e n t ，a n do p t i n m mf o m m l aw a so b t a j n e d e x p e r i l e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt e n s i l es t r e n g 虹lo ft h eb r mi sa b o v e3 5m 呼a ，e l o n g a t i o na tb r e a kc a l l b ea _ b o u t5 7 0 a 1 1 dm em a t e r i a ls 仃e n g t hc a nb e6 9m 衅a t h ec u r v eo ft h et g d t ad i s p l a y st 1 1 a t w e i g h t l e s s n e s sa c c e l e m t i o nt e m p e r a t u r ei s2 7 l 。7 啤t sa n dm aaw e r es e r v e da sm o d i 丘e r s ，a n d 戗1 eo i t mw a sp r e p a r e d 。e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd i s p l a yt h a tt e n s i l es t r e n g t hr e a c ht h em a x i m u m3 9 8 m p a ，e l o n g a t i o n a tb r e a kt o8 0 4 t g d 1 ac u ei 1 1 c i d e m st h a t w e i g h t l e s s n e s sa c c e l e r a t i o n t e m p e r a t l l r ei s2 8 6 4 。h l o r g a i l i cf i l l e r sw e r ea d d e dt o 也eo r m ，a n dc r mw a so b t a j l l e d 。t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e 仃a n s i t i o nt e n l p e r a t u r ei s2 9 4 5 a n dt h es 缸n k i n gr a t er e d u c e st o2 1 7 ( 2 ) t 1 1 r e er 印a i rm a t e r i a l st h a tr e l a t e dp r o p e r t i e sw e r es t u d i e db ys i i i m l a t 血gm en a t u r a l ，m e c h a n i c s 肌d 1 1 a n d l i n ge n v i r o 衄e n t t h ep h y s i c a lp r 叩e m e ss u c ha sg r o u t i n gp e r f o 瑚a n c es t o r a g es t a b i l 姆a n d d i m e n s i 0 1 1s t a b i l i t yw e r es t u d i e d ；t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e sa sb e n d i n gs 订e n g t l l ，c o m p r e s s i v es 骶n g m a i l ds t e e l 一s t e e lb o n d i n gs h e a rs 仃e n g t hw e r ea l s o 如e s t 蟾a t e d ；c o 玎o s i o ns t a b i l i 够i i ln a c ls o l u t i o na n d a g i n gs ta _ b i l i t yu n d e ru v r e f e rt od u r d b i l i 够w e r ed e t e 疵n e d c e m e mi st h ec o m 瑚o nm a t e r i a lm a ti s 印p l i e dt oc o n s 咖c tt h ea i 印o r tp a v e m e n t f o r 虹l i sr e a s o n ，t h er e p a i rm a t e r i a l s 砌c hp r 叩e r t i e s i n c l u d ea d h e s i v es t r e n g t h ，s h e a ra d h e s i v es 仃e n g t l l ，r e p a i r e d m o d eg l u es a n dt e s tb l o c ks u 疏rn a c l s 0 1 u t i o nc o r r o s i o n ，疳e e z e - t h a wc y c l e s k e y w o r d s ：r 印a i rm a t 嘶a l s ，a i 印o r tp a v e m e n tc r a c k s ，m o d i f i c a t i o n ，r o o n 卜t e 瑚p e r a t l l r ec u r i n g ，r a p i d r e p a i r i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论一1 1 1 研究背景和意义1 1 1 1 机场道面裂缝的形成及危害1 1 1 2 机场道面裂缝修复材料的研究意义2 1 2 机场道面裂缝修复材料的研究现状一2 1 2 1 无机修复材料3 1 2 2 有机修复材料5 1 2 _ 3 复合修复材料9 1 3 机场道面裂缝修复材料的特征与作用机理。1 1 1 1 3 1 机场道面裂缝修复材料的特征1 1 1 ，3 2 机场道面裂缝修复材料作用机理1 2 1 4 目前研究中存在的主要问题1 3 1 5 主要研究内容及思路1 4 第二章机场道面微裂缝快速修复材料的合成与表征一1 5 2 1 前言1 5 2 2 实验部分1 5 2 2 1 试剂与仪器1 5 2 2 2 分析测试方法1 6 2 3 基础修复材料( b r m ) 的研究1 7 2 3 1 基础修复材料合成方法与配方选择1 7 2 。3 2 基础修复材料的配方优化研究2 0 2 3 3 基础修复材料的红外表征2 6 2 3 4 基础修复材料的热稳定性分析一2 8 2 3 5 基础修复材料的微观分析2 9 2 4 有机改性修复材料( o 蹦) 研究3 0 2 4 1 实验方法3 0 2 4 2 实验机理3 0 2 4 3 结果与讨论3 0 2 4 4 有机改性修复材料的红外表征3 2 2 4 5 有机改性修复材料的热稳定性分析3 2 2 4 6 有机改性修复材料的微观分析。3 3 i i i 机场道面微裂缝快速修复材料合成及其性能研究 2 5 复合改性修复材料( c m ) 的研究3 4 2 5 1 实验方法3 4 2 5 2 实验机理3 4 2 5 3 结果与讨论3 5 2 5 4 复合改性修复材料的红外表征3 7 2 5 5 复合改性修复材料的热稳定性分析3 7 2 5 6 复合改性修复材料的微观分析3 8 2 6 本章小结3 9 第三章机场道面微裂缝快速修复材料的性能研究一4 1 7 ， 3 1 前言4 1 3 2 修复材料的物理性能4 1 3 2 1 修复材料灌注性能研究4 l 3 2 2 修复材料储存性能研究4 3 3 2 3 修复材料尺寸稳定性研究4 4 3 3 修复材料的力学性能4 5 3 3 1 修复材料弯曲性能研究4 5 3 3 2 修复材料抗压性能研究4 6 3 3 3 修复材料钢一钢拉伸剪切强度研究4 6 3 4 修复材料的耐久性能4 7 3 4 1 修复材料耐腐蚀性能研究4 8 3 4 2 修复材料耐紫外光老化性能研究4 9 3 5 本章小结4 9 第四章机场道面微裂缝快速修复材料修复效能研究一5 1 4 1 前言5 1 4 2 修复材料对水泥胶砂的修复效能5 1 4 2 1 粘结性能研究5 1 4 2 2 剪切性能研究5 4 4 3 本章小结5 5 第五章结论与展望5 6 5 1 结论5 6 5 2 展望5 7 参考文献一5 8 致谢一6 5 研究生期间发表的论文及参与的科研工作6 6 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 路面板块交接地带裂缝。1 图1 2 路面收缩裂缝1 图2 1 初始粘度对拉伸性能的影响2 0 图2 2 因素a 对基础修复材料力学性能的影响( a ，b ) 2 3 图2 3 因素b 对基础修复材料力学性能的影响( a ，b ) 2 3 图2 4 因素c 对基础修复材料力学性能的影响( a ，b ) 2 4 图2 5 因素d 对基础修复材料力学性能的影响( a ，b ) 2 4 图2 6 因素e 对基础修复材料力学性能的影响( a ，b ) 2 5 图2 7 环氧树脂( e 一4 4 ) 红外光谱图2 7 图2 8 基础修复材料红外光谱图2 7 图2 9 基础修复材料t g d t a 图2 8 图2 1 0 基础修复材料s e m 图( a d ) 2 9 图2 1 1m p t s 对材料拉伸强度及断裂伸长率的影响一31 图2 1 2m a a 对材料拉伸强度及断裂伸长率的影响3 1 图2 1 3 有机改性修复材料红外光谱图3 2 图2 1 4 有机改性修复材料t g d t a 图3 3 图2 1 5 有机改性修复材料s e m 图( a _ d ) 3 4 图2 。1 6 无机填料用量对材料拉伸性能的影响3 5 图2 1 7 无机填料的用量对材料初始粘度的影响3 5 图2 1 8 无机填料用量对材料拉伸强度及收缩率的影响3 6 图2 。1 9 复合改性修复材料红外光谱图3 7 图2 2 0 复合改性修复材料t g d t a 图3 8 图2 2 l 复合改性修复材料s e m 图( a d ) 3 9 图3 1 裂缝( 0 1 0 2m m ) 灌注不同初始粘度修复材料的断裂面特征4 2 图3 2b 脚初始粘度粘度随存放时间的变化4 3 图3 3o 蹦初始粘度粘度随存放时间的变化4 3 图3 。4 不同修复材料固化后的收缩率4 4 图3 5 不同修复材料的弯曲性能4 5 图3 6 不同修复材料的抗压性能。4 6 v 表清单 表1 1 混凝土道面修复材料类型2 表1 2 修复材料与基质混凝土的相容性关系1 l 表1 3 裂缝修补胶( 注射剂) 基本性能指标。1 2 表2 1 实验原料与试剂1 5 表2 2 仪器与装置1 6 表2 3 基础修复材料的基本配方1 8 表2 4 环氧值对材料力学性能的影响1 9 表2 5 基础修复材料正交试验因素与水平2 l 表2 6 基础修复材料正交试验设计表2 1 表2 。7 基础修复材料正交试验结果分析2 2 表2 8 丙烯酸酯修复材料与基础修复材料性能2 6 表3 1 规定时间内修复材料( b r m ) 灌注到裂缝中的深度c m 。4 2 表4 1 冻融循环对试样粘结强度影响5 3 表5 1 修复材料性能比较。5 7 v i 仃 岩土表面张力 吒 石土表圆张歹 咚 浆液表面张力 注释表 岩土与浆液的晃面张力 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 。1 机场道面裂缝的形成及危害 机场道面是供飞机起飞、着陆、停放和组织并保障飞行活动的场所，是飞机的载体，是机 场的主体工程及重要设施。目前我国军用机场和民用机场道面，多为水泥混凝土道面，少数跑 道近年采用沥青或改性沥青进行了盖被处理。沥青道面是柔性的，不需要伸缩缝，但这种道面 不耐水汽侵蚀，如果道面积水时间较长，就会造成小孔裂缝等。由于道面强度低，飞机的重着 陆和暴雨都会使道面上的软材料被带走，造成空洞。沥青道面维修次数和费用都要高于混凝土 道面。水泥混凝土道面以其强度高、耐久性好、变形小和维护费用低等特点而倍受青睐【1 2 1 。 混凝土是一种非质脆性材料，在硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表 面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现 拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能 力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度变化较大或发 生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。 由于各种材料变形不一致，互相约束而产生初始应力( 拉应力和剪应力) 造成在骨料与水泥石 粘结面或水泥石本身之间出现肉眼看不到的微细裂缝，一般称为微裂。如不及时处理，在外界 自然条件与飞机的碾压下，裂缝开拓扩展，并逐渐互相串通，变成肉眼可见的裂缝，称为宏观 裂缝。如图1 1 、图1 2 所示。 图1 1 路面板块交接地带裂缝 图1 。2 路面收缩裂缝 f i 9 1 1c m c k so f m ep a v 锄e n tp l a t ec o r u l e c t i o nf 追1 2s n k a g ec r a c k so f m ep a v e m e n t 由于板内应力超过了水泥混凝土的强度而出现的横向、纵向、斜向断裂。断裂的出现破坏 了板结构的整体性，使水泥混凝土板丧失部分以致大部分承载能力，形成严重裂缝，直接威胁 机场道面微裂缝快速修复材料合成及其性能研究 飞机的正常起降。近年来由于机场道面裂缝引起的飞机延误等事故时有发生。2 0 0 1 年天津机场 跑道出现裂缝，多架航班起降受到影响。2 0 0 5 年青岛流亭飞机场跑道边缘突然发现裂缝，机场 紧急关闭，乘客被迫滞留，2 0 0 5 年南京禄口机场因跑道裂缝关闭近3 个小时。在安全第一的背 景下，机场的保障工作更显重要，如何将裂缝控制在初始状态及产生裂缝后如何实现快速修复 是今后民航保障工作的一个重点。 1 1 。2 机场道面裂缝修复材料的研究意义 据中国机场的建设与发展报告中预测：2 0 1 0 年中国内地运输机场的业务量将增长至年 旅客吞吐量5 4 亿人次；年货物吞吐量1 2 8 0 万吨。中国内地运输机场的数量将增加到1 9 0 个左 _ 右。这相应的对机场道面质量提出了更高的要求，但是由于道面施工、自然因素以及飞机的频 繁起降的影响，机场道面难免出现一些问题，其中裂缝问题最为普遍、严重和复杂。民用机场 运行安全管理规定规定水泥混凝土道面出现松散、剥落、断裂、破损等现象，或者沥青混凝 土道面出现轮辙、裂缝、坑洞、鼓包、泛油等破损现象时，应当在发现后2 4 小时内予以修复或 者处理。否则在飞机超大荷载的往复作用下，加上环境因素的影响，裂缝将随时间扩展、贯穿， 在裂缝处发生应力集中，混凝土发生沿缝碎落、在裂缝处断裂、混凝土板产生滑移，破坏混凝 土路面的整体性【3 】，严重威胁飞机的正常起降。为了降低修复工程对航班准点运行的影响，就 需要研制一种能迅速固化、且有良好力学性能及耐久性的机场道面裂缝修复材料。这对于延长 机场道面的使用寿命、保障飞行安全具有重要的现实意义。 1 2 机场道面裂缝修复材料的研究现状 在人们对混凝土裂缝形成机理的认识不断深化、修复工艺不断改进以及化学科学不断进步 的基础上，国内外的科研院所和大专院校做了大量研究，研制出一批能满足不同类型工程需要 的裂缝修复材料。按其化学组成可分为如下三类【6 】：无机类、有机类( 有机高分子) 以及复合 材料( 聚合物改性复合类) ，如表1 1 所示。 表1 1 混凝土道面修复材料类型 t a b l e1 11 1 帅e so fm ec o n c r e t er e p a i rm t e r i a l s 2 项目修复材料类型用途 无机类 快硬、膨胀水泥混凝土 掺复合外加剂的混凝土 外掺纤维的混凝土 外掺超细粉的混凝土 超细水泥、水玻璃类 板块修复 板块、罩面修复 局部、罩面修复 裂缝、板块修复 南京航空航天大学硕士学位论文 表1 1 ( 续) 1 2 1 无机修复材料 无机类裂缝修复材料在基体相容性、经济性、资源丰富以及耐久性方面具有独特的先天优 势，也是最早应用于裂缝灌浆修复的材料，该类材料主要有如下几种类型： ( 1 ) 特种水泥 普通水泥是混凝土路面施工的重要组成部分，但其强度小、可注性差、固化速度慢、养护 周期长不利于快速修复，现在常用的方法是加入添加一定量的早强剂、速凝早强剂、塑化剂、 悬浮剂等外加剂，可以有效改善上述缺陷。国外的水泥品种主要是日本的“一日水泥”、英国的 “s w i r c r e t e 水泥、德国的“d r a i f a c h ”水泥及意大利的“s 1 j p e r c e m e n t ”水泥等【7 1 。 国内生产的特种水泥品种主要旮陕硬硅酸盐水泥、矾土水泥、磷酸镁水泥、偏高岭水泥混 凝土等。这些水泥品种在混凝土裂缝的盖面修复中应用广泛 8 ，9 1 。 ( 2 ) 超细水泥 水泥的超细化是目前水泥灌浆材料发展的一个大的方向，也促进了无机材料在裂缝修复中 的应用，各国投入了大量的研究精力，研究成果颇丰。目前中、日、德、法、瑞士等国均能生 产出比表面积8 0 0 1 6 0 0m 2 瓜g 的超细水泥，最大粒径小于2 0 肛m ，平均粒径小于5p m 。超细 水泥具有以下优点：固化后与混凝土基体有良好的相容性；比普通水泥具有更好的可灌性；具 有良好的施工环境、无毒、密实，有较高的耐久性及粘结强度；灌注细微裂缝时对裂缝的湿度 不敏感，对裂缝中的钢筋无腐蚀 1 0 ，1 1 】。 日本生产的m c 一5 0 0 超细水泥，可以注人到渗透系数为3 7 5 1 0 4c m s 细砂层；另一种湿磨 水泥( w m c ) ，水泥比表面积提高到1 2 7 0m 2 慨，平均粒径3 1 肛m ，应用于日本佐山坝基础加固。 由此可见，超细水泥的多组分复合、材料组成颗粒微细化、高可灌性、高耐久性、高体积 稳定性及无毒性将是未来研究的重点。另外超细水泥浆液具有普通水泥浆液和化学浆液的部分 优点，是一种具有广泛应用前景的灌浆材料。 ( 3 ) 水玻璃 水玻璃硅酸钠是化学灌浆中最早使用的一种材料，水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和相应的 胶凝剂组成。其无机胶凝剂有氯化钙、铝酸钠、氟硅酸、磷酸、草酸、硫酸铝、混合钠剂等， 机场道面微裂缝快速修复材料合成及其性能研究 有机胶凝剂有醋酸、酸性有机盐、有机酸酯、醛类乙二醛类、聚乙烯醇等。二氧化碳亦可与水 玻璃溶液在被灌体内生成硅酸凝胶。 由于其优越的综合性能，目前仍然是使用最广的化学灌浆材料之一。特别是自从1 9 7 4 年日 本福冈丙烯酰胺注浆引起环境污染造成中毒事件后，水玻璃化学灌浆材料作为一种污染小的浆 材为世界各国所重视。水玻璃化学灌浆材料的优点：水玻璃浆液是真溶液，起始粘度低，可灌 性好，水玻璃浆材来源广，造价低，经济效益巨大，水玻璃浆材主剂毒副作用小，不会污染环 境，使用安全可以与水泥配合使用。 但是水玻璃也存在一些缺陷：如常用的水玻璃属强碱性材料，其凝胶体有脱水收缩和腐蚀 现象，这影响了它的耐久性，并对环境造成一定的污染。为克服这些缺点，国内外从2 0 世纪 7 0 年代后期开展了酸性水玻璃的研究。天津市建筑材料研究所以硫酸改性钠水玻璃研制建筑涂 料。公安部天津消防科学研究所对钠水玻璃进行复合改性，制得耐水性能优良、柔韧性好的新 型粘合剂。超细粉末( 或纳米) 材料改性水玻璃是一种比较先进的改性水玻璃的方法，它具有 改性剂加入量少、成本低、效果好等优点，能将新型的纳米超细粉技术与传统的水玻璃工艺及 材料技术相结合，获得强度高、溃散性好的水玻璃砂铸型，有望彻底解决水玻璃旧砂的落砂清 理及再生回用难题。 屈银虎【12 】等研究了磷酸氢二钠、三聚磷酸钠对水玻璃的改性作用，表明两者可以提高水玻 璃的粘结强度，降低高温残留强度，并通过红外光谱与法分析了其作用机理。李艺明1 3 】 等探讨了四硼酸钠对水玻璃的改j 生作用，证明四硼酸钠可以提高水玻璃的粘结强度；并可与水 玻璃混溶，与硅酸盐形成 b 0 4 、 s i 0 4 复合玻璃体网络；提高了水玻璃的抗吸湿性。王继娜 1 4 】 等研制出复合液体用于改性水玻璃，常温强度提高了1 6 ，残留强度下降了7 8 。 目前使用无机固化剂来促使水玻璃凝胶的研究和应用已经比较成熟，但是由于采用无机固 化剂类水玻璃浆材进行凝胶时反应往往不能完全进行，因而固砂体稳定性和固结强度较差，使 用有机固化剂具有很大的优势，它能缓慢释放出使水玻璃产生凝胶的物质，使浆材具有粘度低、 渗透性好、凝胶固砂体强度商、凝胶时间可控的特点。 此外，多种无机修复材料的混合也是获得优良修复材料的方法，它可以克服单一浆液存在 的一些缺陷，达到优势互补的效果。目前的工程应用修复材料通常采用这种方法获得，如水泥 粉煤灰浆、水泥水玻璃浆等。 无机修复材料因其基质具有良好的相容性及耐久性、施工方便、价格低廉、材料来源丰富、 浆液配制方便、操作简单等方面的因素，目前广泛应用于混凝土的板块修复及水利工程的密封 补漏中。其中水玻璃到目前为止依然是综合| ! 生能最为突出的一类无机灌浆材料。大量的实践证 明，水玻璃浆材在建筑物的防渗堵漏补强、地基加固、隧洞矿井止水固结等方面均具有较好的 效果，是一种较为理想的化学灌浆材料。超细水泥的问世扩大了无机修复材料的应用范围特别 4 南京航空航天大学硕士学位论文 是在修复裂缝的过程中相比于其他修复材料有其独特的优势，是一类有发展前途的裂缝修复用 密封材料。 无机修复材料也有不小的缺陷，如粘结强度不足，容易在较大的冲击力下易发生脱裂；修 复后会导致道面的抬高，影响道面的平整性；在可灌性方面与其他类型修复材料还有一定的差 距，一般只能注入到直径或宽度大于0 2m m 的空隙或裂隙中，无法完成对o 1 0 2m m 之间的 微细裂缝修复。 1 2 2 有机修复材料 随着化学工业的发展和工程对修复材料的需求增加，裂缝灌浆修复材料从单纯的无机化合 物水玻璃类材料逐渐向高性能的有机高分子材料发展，以弥补无机材料在灌浆修复工程中的不 足。高分子修复材料按照功能的不同可分为补强型修复材料与密封型修复材料。前者主要应用 于裂缝造成强度不足时，使混凝土道面恢复整板的传荷能力。当水泥混凝土道面仅出现贯穿裂 缝，而面板强度仍满足通行要求时，为防止雨水等的侵蚀，使裂缝扩大而削弱路基，可选用密 封修复材料，将裂缝封闭。 2 0 世纪5 0 年代初，美国首先用环氧树脂结构胶黏剂对公路路面进行快速修复；2 0 世纪6 0 年代，一些发达国家已广泛将建筑结构胶粘剂用于公路、公路桥、机场跑道等工程以及水利工 程、军事设施的加固中；2 0 世纪7 0 年代，各类性能优良的建筑结构胶粘剂相继出现，并将其 应用领域扩大到更多的方面，如现场施工时构件的粘接、钢筋快速锚固等。例如委内瑞拉建造 马拉开波湖大桥时将一种建筑结构胶黏剂应用于桥桩的基础上，此桥已经经受住多年的考验， 法国用建筑结构胶粘剂来加固楼房、公路桥等，提高了建筑物的承载能力；澳大利亚悉尼市的 著名超级现代歌剧院，使用建筑结构胶黏剂对屋盖的拼装粘接，采用环氧型建筑结构胶将重达 1 0 t 的预制件粘接起来。现在，其胶种日益丰富，如粘接用胶、锚固用胶、灌注用胶和堵漏用胶 等，使建筑结构胶粘剂在胶粘剂的发展中更具重要地位【15 1 。 目前国外生产的该种类型的修复材料及修复技术已较为成熟，一些高性能产品也陆续推入 市场，逐渐形成了专注于混凝土裂缝修复的产业链，包括修复产品的研制，施工机械及施工技 术的转让等。 美国“路威”( r o a d w a r e ) 公司生产的1 0m i i l 混凝土修复剂是由两种成分组成的混合聚 氨亚酯，具有高渗透性，流动性非常好，气候适应性强( 3 8 3 4 ) ，与砂混合后的压缩 强度为3 1m p a ，抗拉强度为3 0 8m p a ，伸长率为6 ，粘度小于9n 1 p a s ，操作简便，1 0 分钟 就可以开放交通，使用寿命达1 0 1 5 年。可用于建筑物室内外混凝土表面的修复，机场、桥梁 等非移动部位的路面裂缝修复。 美国d m a r 公司生产的双组分改性环氧树脂胶粘剂。具有粘度低，流动性好，渗透性强。 可操作时间长，固化条件宽松。用于混凝土裂缝 0 1n n 的灌注封闭修复。d m5 6 0 0 疏水型聚 s 机场道面微裂缝快速修复材料合成及其性能研究 氨酯灌浆料，注射到混凝土内部，与水产生化学反应后，借其缓慢膨胀及持续压力，可将灌浆 料渗透至微细缝隙，在短时间内膨胀固化，用于建筑工程的变形缝、施工缝、结构裂缝的堵漏 及补强。常温反应固化，固化速度可调，可在1 2 面n 内在有水或无水的裂缝内固化。固结体 抗压强度可达4 0m p a 抗拉强度大于1 5m p a ，粘结强度大于3m p a 。渗透性能较好，耐化学腐 蚀性好，堵水补强耐久性好。与混凝土材料及其它建材粘结性能优异，可用于建筑工程的施工 缝、结构裂缝的堵漏及补强。 国内主要的混凝土修复材料有中科院大连化物所研制的j g n 系列混凝土建筑结构胶，其中 一些型号的性能己超过国外生产的同类产品，价格却较国外产品低。另外，鞍山钢铁公司修建 公司、北京冶金建筑研究总院、苏州混凝土制品所、武汉水利电力学院、江苏昆山汇丽研究所、 山西省建科院、武汉长江加固技术有限公司，武汉大筑建筑科技有限公司，湖北固城特种建筑 技术公司以及上海康达和武汉航务二局科研所等也开发出了相应的胶种，该胶种需求量增长迅 速同时其应用范围也在不断扩大，从一般梁、柱加固到市政工程( 如供、排水工程) ；从公路桥 加固扩展到铁路桥；从一般动载荷加固到抗地震、消除共振的特种加固等。 典型的补强材料有可用于灌缝的环氧树脂及各种改性环氧树脂、丙烯酸酯及各种改性丙烯 酸酯树脂类胶粘剂等。密封修复材料主要指聚氨酯类、烯类、橡胶类、沥青类胶粘剂等【16 1 。 ( 1 ) 环氧树脂修复材料 环氧树脂是一种高分子聚合物。常用的环氧树脂类修复材料大多属缩水甘油基型，具有粘 结力大、粘结界面广、收缩率低、稳定性好、粘结强度高等特点。该种材料以环氧树脂为主剂， 加入固化剂、稀释剂、增塑剂、增韧剂、填充剂等添加剂聚合固化合成出满足不同工程需要的 修复材料。 环氧树脂是世界上研究最早的用于混凝土裂缝修复的化学灌浆材料，目前主要是通过不同 的稀释剂降低环氧树脂的粘度，利用增塑剂与增韧剂降低其固有的脆性，以偶联剂和不同的填 充剂改进其物理力学性能，改善工艺性能及降低成本，以满足具体工程需要。近年来国内外不 少研究机构展开了研究，各种新型具有不同性能的环氧树脂材料层出不穷，论文专利发表量也 大量增加吁19 1 。 w b o 【2 0 ，2 1 1 和r _ o b i l l s o n 刚等报道了研究成果，将丙烯酸单体接枝到环氧树脂骨架上，可得到 不易水解的水性环氧树脂。反应为自由基聚合机理，具体方法是先将环氧树脂溶解在溶剂中， 一 再加入丙烯酸类混合单体及引发剂加热反应，使环氧树脂分子中的亚甲基c h 2 一或一c h 一成为活性 点，引发丙烯酸单体接枝聚合，生成富含梭基的改性环氧树脂。接枝率低于1 0 0 ，得到的产 物由接枝环氧树脂、未接枝的环氧树脂和丙烯酸类聚合物三部分组成。加入胺中和成盐后，加 去离子水稀释，制得乳液。 美国、日本等国家将常用于建筑混凝土结构裂缝修复的环氧树脂进行改性，研究出适合用 6 南京航空航天大学硕士学位论文 于抗冲击韧性较大的混凝土路面的改性环氧树脂灌浆材料【2 3 ，2 4 1 。 c a 谢1 1 e a i 和pa u l s d 对用环氧材料填充裂缝、恢复结构的完整性进行了试验研究，研究结 果发现：带有裂缝的试件与无裂缝的混凝土试件相比，抗压强度下降4 0 。9 3 ，当合理的应用环 氧材料修复后，抗压强度的减少量仅为1 1 2 5 【7 引。 目前国内多使用糠醛、丙酮等活性稀释剂，降低环氧树脂的粘度以满足微细裂缝的修复需 要。中科院广州化学研究所最早进行了实验与实践研究，研制出包括中化7 9 8 、4 0 0 ”系列在内 的多种糠醛改性环氧灌浆材料，近年来又结合三峡工程特点研制了新型的c w 系列化学灌浆材 料并成功将其应用于桥梁及水坝、涵洞裂缝的修复中【2 6 2 7 l 。 张斌 2 8 1 等采用氨基硅油与双酚a 型环氧树脂反应，制备了一种新型糠醛丙酮环氧灌浆材 料，研究了不同氨基含量对改性环氧灌浆材料固结物形态和性能的影响。结果表明，氨基硅油 在糠醛丙酮环氧基体中总体上呈现典型的“海岛”结构，当氨基硅油含量为2 0 时，它与基体的 相容性最好，微观上呈现一种条带结构，综合性能也最佳。 石红菊 2 9 等通过环氧树脂与衣康酸( m ) 进行酯化反应，引入强亲水性基团c o o h ，从而使 环氧树脂水性化，同时在分子两端引入了不饱和双键，使用水溶性氧化还原引发体系，制备了 一种新型的水溶性环氧灌浆材料。 黄金明3 明等通过采用不同种类的环氧树脂主剂、固化剂、稀释剂以及促进剂并改变它们的 掺量，较大提高或改善了浆液的初始粘度、可操作时间和初凝时间、浆液固结体与老混凝土的 粘结强度以及浆液团结体本体的抗压强度等指标，并总结出环氧树脂灌浆材料各组分及其掺量 对上述指标的影响规律，从而确定干燥环境中环氧树脂灌浆材料的优化配方和潮湿环境下环氧 树脂灌浆材料的改性配方，所制备的灌浆材料能满足裂缝修复特别是水工建筑物潮湿环境修复 的需要，有积极的推广和应用价值。 黄良锐 3 1 1 等研究了该课题组研制的低粘度，韧性良好，以憎水性为主兼具亲水性的c w 系 列环氧灌浆材料在三峡工程中的应用并展望了未来环氧树脂灌浆材料与灌浆工艺的发展方向。 中国科学院广州化学研究所3 2 ，3 3 1 通过自制的碱性催化剂“激活”丙酮等非活性环氧稀释剂， 利用醇醛缩合反应机理，制备了一系列糠酮浆液，解决了传统的稀释剂只能降低环氧树脂的粘 度却使圃结体的力学性能降低达不到具体工程需要的问题。以此为基础先后研制成功了三代高 渗透性的环氧系列灌浆材料一中化7 9 8 ，4 0 0 8 和y d s 系列，并用于处理低渗透性的工程问题， 达到了预期的效果。其中所研制的y d s 高渗透环氧浆材，于2 0 0 7 年在龙滩水电站f 6 0 断层的 补强工程中获得成功应用。 黄月文 3 4 1 等研制的g i c 系列改性环氧胶粘剂具有高的力学强度和弹性韧性，并且胶粘剂固 化收缩小，大量使用时不会爆聚，不会形成蜂窝结构而导致防水抗渗的失败，特别适用于各类 建筑物等伸缩缝的结构粘接、细微裂缝和空隙的防水抗渗和补强，根据不同的工程需要选择和 7 机场道面微裂缝快速修复材料合成及其性能研究 配置不同的材料。采用低分子量的含氢硅油，利用其中活泼氢，在催化剂作用下与环氧树脂分 子中的羟基缩合，再经醇改性，合成出一种低分子量且相容性较好的有机硅改性环氧树脂，在 价廉的糠醛和丙酮的稀释下，配制出两种低起始粘度的双组分有机硅改性环氧浆料。成功应用 于广东地铁等的防渗补漏加固工程中。 叶作舟【3 5 】等以环氧树脂、糠醛、丙酮为原料，通过加入碱性增渗剂和硅烷类增强剂降低接 触角，获得具有优异渗透性和良好力学性能的环氧呋喃系列浆材，该浆材具有固结体收缩小， 耐水性、耐老化性能好，低毒，无污染等优点。 目前在化学灌浆中采用的环氧树脂大多是双酚