具有高渗透功能的改性环氧树脂防水防腐补强材料.pdf

三新应用 第 3 0卷 2 0 1 2年 第 1 0期 h we NC V Ap pl i c a t i 0r l 具有高渗透功能的改性环氧树脂 防水防腐补强材料 叶林 宏 中国科学院广州分院 广州 5 1 0 0 7 0 摘要 介绍 了通 用型双酚 A 环氧树 脂 的性能特 点 应用领 域 以及 对其 改性的途径 阐述 了改性后具 有高渗透 功能 的 环氧 涂料及 化灌浆材 与非渗透 性同类材 料相 比 能够 大幅提高 工程耐 久性 同时 介绍 了高 渗透 改性环氧 系列材 料的性能 及 在工程 中的应用 关 键词 环氧改性 高渗透 创新点 工程应用 中图分 类号 T U 6 5 2 4 文献标 识码 A 文章 编号 1 6 7 1 3 7 0 2 2 0 1 2 1 0 0 0 3 1 0 6 W a t e r pr o of An t i s e ps i s a n d Re i n f o r c e d M a t e r i a l o f Hi g h e r Pe n e t r a t i v e M o d i fie d Ep o x y Re s i n YE Li n h o n g C h i n a a d e m y o fs c i e n c e s G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 7 0 C h i n a Abs t r ac t The pr o p e r t y a p pl i c a t i o n fie l d a n d mo d i fie d a pp r o a c h o f g e n e r a l d o ub l e h y dr o x y b e nz e n e A e p o x y r e s i n wa s i n t r o d uc e d The h i g h e r p e ne t r a t i v e mod i fie d e po x y r e s i n a n d c he mi c a l g r o ut i n g ma t e r i a l wa s Ex pa t i a t e d Co mp a r e d wi t h t he no n p e ne t r a t i v e s i mi l a r ma t e r i a l i t c a n g r e a t l y i mp r o v e t he d ur a b i l i t y o f t h e c o ns t r uc t i o n s Th e p r o pe r t y o f s e r i e s o f h i g h e r pe ne t r a t i v e e p o x y r e s i n a n d a pp l i c a t i o n wa s a l s o i n t r o du c e d Ke y wo r ds mo d i fied e p o x y r e s i n h i g he r p e ne t r a t i o n i n no v a t i o n po i n t e n gi ne e r i n g a p pl i c a t i on 1 双酚 A型环氧树脂的性 能特点 与应用领域 环氧树脂有几十种 用途很广 但 用量最 大的是双 酚 A 型环氧 树脂 常称 为通用 型环氧 树 脂 民间又 称 为 万能胶 其 分子结构如下 O C H2 CH C H2 o 反应性柔软性 耐药品性接著性 反应性 耐热性 强韧性 分子中含有羟 基 醚键 活泼 的环氧 极性基 因 因 而 具有独特 的高粘 结力 与 固化剂反应 形成 的固结体 作者简介 叶林 宏 男 教授 级高工 广州科 化防水 防腐 补强有 限公 司 董事长 总经理 防水 工程资深 专家 原 中国科学 院广卅1 分 院副 院 长 研 究员 呈三维空间 的立体 网状 结构 收缩 性小 耐酸 耐碱 耐 水 耐溶剂性能好 机械 强度高 力学性能好 已广泛用 作胶粘剂 防腐涂料 防水涂料 化学灌浆材 料 地坪材 料和 浇筑料 双 酚 A型环 氧树脂 的分子 结构特 点也 导致 它存 在 不足之处 如刚性有余而韧性不足 固结体存在脆性 亲 水性差 湿基 面粘接强度 不高 耐热性和 耐候性 差 即使小分子量的型号如 E 5 1 粘度也较大 渗透性差 因 而在 实际应用 中 都必须结合其使用用途的不同 采取 合 适的改性措施 以满足各种应用要求 2 双酚 A环氧改性的途径 为满足工程应用的需要 在材料配 方的设计 上 必 须从 以下 改性途径 中选 择一个或 多个改性的途径 以 取得能满足使用要求的 固化物的分子结构 一 31一 三新应用 h r e e Ne w AP PI i c a t i o n 改善 固化物柔韧性 1 添加部分柔韧性好 的非双酚 A环氧树脂 2 添 加增韧剂 即可以参与该体 系反应 的柔性 分 子而不是不能参加反应的增塑剂 3 使用长链分子的改性胺 固化剂 2 2 改善 固化物 的耐热性 1 添加部 分 固化 后热变 形温度 高的 非双酚 A 环 氧树脂 2 使用诸 如酚 醛变性胺 类 可提高热 变形温度 的 固化剂 3 改变固化条件 在 室温初步 固化后再 加温进行 后固化 2 3 改善 固化物的耐候性 1 添加抗紫外光的添 加剂 2 在 固结体外 涂刷一层耐 紫外光性能好 的面 涂 料 如丙烯酸脂肪族聚氨酯 氟碳涂料等 2 4 改善材料的亲水性和 湿粘接强度 1 使用水 溶性好 的溶剂 2 使用亲水性 的固化剂 3 使用耐水解 的偶联剂 2 5 改善涂料或化 灌浆材 的渗透性 1 增 加稀 释剂用量 以降低 其粘度 但这种途径对 提高材料渗透性的作用有限 而且如使用活性稀释剂 在价格上远高过环氧 会使成本大幅提高 用非活性稀 释剂添加量大又会使固化 物的力学性能大幅下 降 2 添 加表面活性剂 降低浆液 与被 涂或被灌介质 之间 的接触 角 又称润 湿角 可十 分有 效地改善材 料 的渗透性 3 具有高渗透功 能的改 陛环氧系列材料 3 1 高渗透改性环氧涂料与化灌浆材 的定义 高渗透改性环氧材料不是具有一般渗透性的涂料 或化灌浆材 而是指涂刷后能渗入 C 5 0高标号 混凝 土 内 2 mm 以上 能形成一个 固结增强层的涂料或能灌入 渗透系数 K 1 0 1 0 c m s 的泥层 中 使 土 质 变 为 岩 质 的化灌浆材 3 2 高渗透改性 的意义 1 改变 了涂料 与混凝土基 面的粘接 方式 从而大 大提高 了涂 料的耐久性 一般涂 料只 能在混凝 土表面 3 2一 成膜 而膜的热胀系数 与混凝土 的热胀 系数差别很大 在 温度变化时 两者必然在粘接界面上产生应 力集 中 温度反复 变化使涂膜产生应力疲劳 久而久 之会 出现 脱 皮 而 失效 耐久性 不理想 而具有高渗透性的涂料 则不同 涂刷后它能沿着混凝 土的毛细管道 微细裂纹 和微孔隙 自外向内渗入 3 1 0 m m 专家们 形象的称 之 为 植根 式涂膜 实 际上是固化后形成 了一个 固结 增 强层 膜和根紧密相连成一体 又 由于混凝土 的不均质 性 渗入有深有浅 渗入 与未渗入部分 的界面是一个不 规整 的 犬牙交错 的界面 有利于消 除温度变化时在界 面上 产生的应 力集 中现象 因此 不会 出现脱 皮现象 耐久性大幅提高 2 渗入固化形成 的固结 增强层 其厚度 为几个 毫 米 比只是表面成 膜的厚度增 加十倍 以上 基体 混凝 土 强度提高 3 0 以上 与成膜型涂料相比具有以下几个 作用 不仅是在表面成膜从表面封 闭了毛细管道 且 渗入 几个毫米从纵深 封闭 了毛细管道 不只水 不能进 入 空气中的有害气体也不能进入 因而抗氯离子渗透 能 力大幅度 提高 抗渗压力提高也很显著 防水防腐效 果更好 渗入 固结后对原混凝土表面的缺 陷起到了修 复补强作用 形成 的增强 固结层 也提高 了抗裂能力 使混凝土结构抗冻破坏 能力成倍提高 渗入固化形成 的几个毫米的增强层 其抗冲磨能力比成膜材料提高几 倍 这对轨道交通做复合防水的底涂与海港工程的防腐 涂料及水电大坝泄洪洞的抗冲磨保护层做 底涂时 对其 耐久性的贡献更为突出 据 报道 杭州湾大桥潮差带的 防腐涂层难于抵御钱塘江 口挟带泥沙的风浪 中 刷 使用 一 年 已大部 分冲磨掉 正选用高渗透改性环氧作底涂进 行抗 冲磨试验 高渗透环氧底涂的湿粘接强度和渗入固 结层抗冲磨 能力的提高 以及与原底涂材料对比的量化 数据 不久将会通过科学的测试手段获得 高渗透环氧 与不能渗透 的一般环 氧材料相 比 已 有工程 实例证 明能够成倍 提高混凝土 结构的耐 久性 如广州地铁公园前站 是上下两层的交换站 1 9 9 7年初 结构完成后 发现渗漏水严重 曾使用聚氨酯 一般改性 环氧 高渗透改性环氧 第二代 分区域 由中铁 隧道局 进行化学灌浆施工 当时渗漏治理效果都很好 就继续 进行 装饰面层 施工 1 9 9 8年底投 入 运营 据 广 州地铁 运 营部记载 耐久性效果如表 1 所示 表 1 不同化学灌浆材料 的使 用效果 高渗透改性 环氧 化灌浆材 聚氨酯 一 般改性环氧 第二代 使用效果 3年 2个月复漏 5年 6个月复漏 已 1 5年仍 无渗漏 另外 广州黄 沙一芳村过江隧道大沉管 浇筑后 出 现裂缝 使用高渗透 改性环氧第二代浆材灌浆共 4 0 0多 米 已使用 1 9年仍无渗漏 1 9 9 1 年 中科 院广化所新建 中试车 间屋面渗漏 工程公 司两次治 漏失败 后用高渗 透 改性环 氧第 二代 浆材进行涂刷 用量平均 0 7 k g m 至今 巳 2 1 年未见渗漏 这些应 用实例都说 明 了环氧材 料具有高渗透功能 的重大意义 3 3 高渗 透改性环氧 系列材料的创新点与基本性能 3 3 1以理论创新指导配方设计 高渗透改性环氧 化灌 浆材 技术 源 自中科 院广化 所 的中化 7 9 8 高渗透改性环氧 国家发 明专利 技术 的 提升 得益于 对应用基 础理 论 的研 究 以及用研究 的理 论成果指导配 方的改进 上世 纪八十年 代末 我 国著名化 学灌浆材料 创始 人 之一 叶作舟老 先生退休后 由笔者 接任 课题组长 获 得 了国 家 自然科学 基金课题 与武警水 电二 总队任 克 昌教授合作 开展 化灌浆液 对被灌岩 土渗透机理 的研 究 1 9 9 2年又 申请 到广东省 自然科 学基金 课题 开 展 了浆材各 组分间反 应机理 的研 究 这两 方面机理 的研 究长达七年 多时 间 在 以下三个 方面取得 了创新成 果 1 对渗透机理 的研究结 果表 明 美国化灌权威 专 家认 为粘度是影 响浆液 渗透 性的唯一 因素这一结论是 不正确 的 这只会 误导人们 片面 的去追求降低 浆液 的 粘度 浆液 的渗透性实际上与浆液与被 灌介质 岩土 或 混凝土 的接触 角 被灌 介质 的表面张力和浆液与被灌 介 质 之间 的界面 张力 有 关 接触 角越 小 界面张 力越 小 渗透性 也越 好 另 外 当被灌介质 的孔隙 中含有水 时 浆液 要能灌进 去取 而代之的充分必要条件 是浆液 对 被灌介 面 的亲和 力 浆 5浆C O S 0浆要 大于孔 隙水 对该 介质 的亲和 力 F水 S水C O S 0 水 1 这也就 合理地 解释 了为什 么粘度 比水 小的 甲凝 浆材 不 能灌入低 渗 透性 K 1 0 1 0 c m s 地层 而粘度 比水大十几倍 的 中化一7 9 8浆材 却 能灌入含泥 的低渗透性地层这一现 象 上述结论 明确 地告诉我们 引入表面 活性剂 来降 低浆液对被 灌介质 的接触 角 降低 浆液与被灌介质 之 间的界面张 力 是 提高浆液渗透性 的有效途径 所以 我们对 与浆材体 系相容性好 的表面活性剂做 了大量筛 选 工作 使其 渗透 性能 进一步 提高 即使 在 无压状 态 下 也具有很好 的自渗能力 2 对中化一7 9 8浆材各组分 间反应机理 的研 究表 明 通过加入添加剂等方式 去促进或抑制组分间的某 些反应 提高某些 中间产物或副产物的含量 这可以提 高浆材 固结体 的力学性 能和 渗透性能 另 外 通过催 化剂激活 非活性溶剂丙酮 分子 参 与体 系反应连接 到 固结体 的网络结构 中 对减少固结体 的收缩性 提高其 韧 性和耐老化性等 十分重 要 活化度越高 性 能越好 研 究还表 明 将预聚的丙酮与糠醛反应 不仅 可以提高 浆材 固结体 的力学 t t n e口 耐老化性 能 还 可 以降低糠 醛 的毒性 这符合环保要求 因此 上述研究结果 对指导我们筛选高效的催 化 剂和配方的改进 发挥 了重要作用 目前 国内的改性 环 氧化灌浆材 许 多与中化 7 9 8浆材一样 主剂都 是 双酚 A环氧树脂 丙酮 糠 醛 固化剂都是可 常温固化 的脂肪胺 或改性混合胺 然而 各种配 方的浆材的渗透 性能 力学 性能 尤其 是湿粘结强度 收缩性 耐 久性 等方面差 别较大 除各 自配 方中各组分配比不 同 固化 剂不 同之外 还与丙酮 是否能被激 活 以及与添加剂 及 配制工艺有关 为 了提高中化 7 9 8化灌 浆材 与被 灌介质的粘接 强度 我们 从偶联剂 的加入对提 高粘合剂粘接 强度 这 一 原理 得到进一步 的启示 首先在浆材 中引入偶联剂 但在应用实践中我们发现 在饱水介质情况下 其偶联 剂的增强效果甚微 进一步研究表 明 这是与使用 的偶 联剂的水解速度 有关 因此 我们重新对偶联 剂进行 了 筛选 3 j 从而使换代后 的中化 7 9 8 浆材在湿粘接 强度 方面远高于同类产 品 以上三点不但对 中化 7 9 8的升级换代起着重要 的指 导作用 至今 仍 以对新 的化灌浆材 的研 究起着指 导作用 2 0 0 0年 笔者作为第一代 中化 7 9 8专利的发 明人之一 向中科院 广化所购 买 了该项专 利 2 0 0 3年 运用上述两 个机理 的研 究成 果作指 导 研发 出了第 三 3 3一 4 1 2治理方案 笔者接受委托为该项工程治理 提供治理技 术实施 方案 笔者对工程病害状况进行 了分析 认 为预 留段 内 2 0 3 0 c m 厚 的淤泥 是 因为围 护结构破 裂 厚达 l m 的 主体结 构层 出现多处贯 穿性裂缝和 变形缝 漏水 将 围 护结构 外的泥 土大量 带入后 淤集而成 因此 在围护结 构 外必然 存在大量 空洞 要求用地质 雷达探测其 准确 位置并 绘制病害状况展开 图 探测和 绘制完成后 按照 排堵 结合 辩 证施治 的原则 制订 了初步 方案 经 专家 组讨论修订后形成 了以下实施方案 1 先对空洞进 行水泥充填 灌浆 进 浆量减 少后用 高渗透环氧 化灌 浆材 进行复合 灌浆 这是 因为有 的空 洞可能 已成 了储水洞 应 先进行水泥 充填 灌浆 灌后可 减少 裂缝漏水量和 渗水压力 但 钻孔时 已打 穿了结构 和 围护层 水 泥灌浆后 在两层 的孔 口因水 泥浆 固化 后 会收缩 可能在孔 口可能形成新 的渗漏通道 水泥进 浆 量减 少后用环氧进行复合 灌注 就 可以避免新 的渗漏 2 裂缝和施工缝的治理 漏水量大的可 以采取水泥一 化学灌浆液复合灌浆 漏水量小的可以直接进行化学灌浆 3 进 行大面 积渗水 治理 沿湿 渍边缘 外 4 0 c m 左 右将混凝土保护层剥去 1 2 c m 用高压风清理混凝土 表 面浮尘 寻找 有无集 中渗 漏点 如 有 则在 渗漏点钻 孔灌聚氨酯材料止水 然后 涂刷无机胶凝 材料 水不漏 或堵 漏 灵 一层 厚度 约 l c m 1小时 后涂刷 高渗 透改 性环 氧 防水 与粘接 双功 能界面粘 合剂 K H 5 两 遍 间隔 4 0 rai n 每 遍用量 O 3 k g m2 4 A B j 后用聚合物水泥 砂浆批荡抹平 如没有集中渗漏点的就直接这样做施工 4 变形缝大都漏水量大 应最后处理 采用水泥一 化学灌浆液复合灌浆 钻孔时应在变形缝两边打针孔 避免伤及原有止水带 两孔交汇在 变形缝 外距 变形缝 1 0 1 5 c m 处 复合灌浆止水后 对缝 内原 充填 的密封胶 进行剔除 至少剔除 2 0 c m后重新灌注聚氨酯密封胶 5 j 钢筋裸 露部分 的补强处理 凿除锈蚀 钢筋周 围 的混凝 土 凿除宽度 比钢筋锈蚀两边各宽 5 c m 深度控 制在 3 5 c m 凿除长度两端比锈蚀长度各长 5 0 c m 钢筋 除锈后加筋焊接 保证焊接长度不小于 1 0 倍钢筋直径 然后清理混凝土表面 完成后用 KH一5界面粘合剂涂刷 两遍 间隔 4 0 m i n后涂刷第二遍 总用量 0 5 k g m2 涂后