高性能防水胶粘剂在钢筋混凝土结构补强加固中的应用

2023-02-11余家笔

粘接 2023年1期

余家笔

(中铁十八局集团隧道工程有限公司,西藏昌都 854000)

钢筋混凝土结构在不同环境条件下，受温度、湿度和外界荷载影响，会出现不同形貌和尺寸裂缝和破坏，影响补强加固的正常使用，同时降低胶粘剂使用寿命，甚至会引发严重的安全事故。由于客观原因限制，不能对实际工程中微观结构进行快速、精确检测，而传统补强加固技术也很难对其进行有效修补。为了有效地解决混凝土结构在使用中出现的裂缝修补问题，改善其稳定性，延长其使用寿命，国内外学者对其进行了大量的研究。为了达到混凝土裂缝补强加固的耐久性，应着重考虑各种因素对混凝土结构的影响，并对其进行合理修复。为了使补强加固材料的热膨胀系数达到或接近于混凝土，必须对其进行有效控制。目前，补强加固混凝土结构的主要材料是胶粘剂[1]。作为建材基本原材料，胶粘剂在环保、抗老化方面需求下，研制、生产技术得到了飞速发展，新产品不断出现。使用传统的胶粘剂中存在大量易挥发有毒气体，且易产生污水、废料等，不能很好满足施工要求[2]。以成本低廉、易于获得可再生天然聚合物作为主要原材料，通过绿色化工生产工艺，开发出具有更好性能新型胶粘剂，已是今后发展的必然趋势。

1 试验部分

1.1 试验原料

工业级试验原料及生产厂家，结果如表1所示。

表1 工业级试验原料及生产厂家Tab.1 Industrial grade test raw materials and manufacturers

1.2 试验设备

试验设备型号和生产厂家如表2所示。

表2 试验设备及生产厂家Tab.2 Test equipment and manufacturer

1.3 试验制备

首先在高温箱内加热环氧树脂至温度为70 ℃左右，然后加入邻苯二甲酸二丁醋，将其搅拌均匀直到温度降至50 ℃左右[3-4]。之后加入活性剂和乙二胺，并持续搅拌，直至出现糊状，由此得到环氧树脂胶粘剂[5]。

配制的环氧树脂胶粘剂混凝土试块的配比：

m1∶m2∶m3∶m4=100∶15∶10∶20

(1)

m5:m6=3:1

(2)

式中：m1表示原料2质量；m2表示原料3质量；m3表示原料4质量；m4表示原料5质量；m5表示细砂；m6表示水泥[6]。在钢筋混凝土试件配制过程中，将得到的环氧树脂胶粘剂添加到粘接处，结果如图1所示。

图1 试件制备示意图Tig.1 Schematic diagram of specimen preparation

参照HB/Z 197—1991标准处理2024-T3薄板，将胶粘剂铺设在板材连接位置，并按照如下工艺开始粘接：首先在0.2 MPa固化压力下，实时外推方式获取理论固化工艺条件[7-9]；然后在该固化压力下，升高室内温度，加热速度为2 ℃/min，加热到125 ℃，保温时间为2.0 h；之后，使用恒温式电吹风烘干机进行固化；最后待其凝固后，关掉电源，等样品自然降温到室温，方可取出[10]。

1.4 测定指标

1.4.1拉伸剪切强度

选择合适钢板，用研磨砂轮对其进行研磨。对测试中所需钢板进行了分类，并对胶合测试样品进行了编号。在钢板接合面上涂上环氧树脂胶粘剂，采用单点连接方式粘贴试样，并用夹具固定试件，静置保存1周后再进行测试[11-12]。对于未经过测试的组件，使用万能试验机进行拉伸剪切强度测定，实时记录胶合表面破坏长度和宽度，并进行强度计算，其公式：

(3)

式中：F表示最大拉伸剪切力；S表示拉伸剪切面积。

1.4.2抗压强度

使用微机控制的电子万能材料试验机，记录破坏负荷，测试承载区面积，并计算抗压强度[13]。

1.4.3抗弯强度

在SL 352—2020标准支持下，采用电子万能材料试验机，对环氧树脂胶粘剂混凝土试样进行了测试。在进行试验时，要先把水泥基座上的电阻片擦干净，再把电阻片接上，接着继续加载，直到试样被破坏为止。记录破坏荷载和弯曲程度，由此计算抗弯强度[14]。

1.5 补强加固工艺设计

在实际胶接过程中，通常使用等温固化技术，而在测试过程中，则是使用均匀的非等温固化。因而，在何种温度下反应，多长时间得到最优的固化产品，已成为制程工程师和研发人员所关注的问题。在较低的固化温度下，不能充分地进行固化；但是如果温度过高，则会有不良影响[15]。另外，系统能量消耗也会增大，还会引起系统热应力，从而对产品性能造成一定影响。因此，在固化工艺中，最重要的因素是适宜的固化温度。

1.5.1补强加固温度

环氧树脂高性能防水胶粘剂固化温度随着升温速率加快，温度也快速增加，实际的固化温度难以精准确定。而在实际操作过程中，首先需要获取升温速率为0时的固化温度，在恒温条件下，将固化反应的温度进行线性拟合处理，结果如图2所示。

图2 固化反应-升温速率拟合直线Tig.2 Curing reaction heating rate fitting straight line

从图2可以看出，采用外推法获取胶粘剂在不同升温速率下的固化反应变化温度，二者之间呈正比例关系。

1.5.2补强加固时间

使用高性能防水胶粘剂时，固化反应时间与温度息息相关，关系式：

(4)

(5)

t=t1+t2

(6)

式中：t1表示初始升温固化阶段；t2表示末端升温固化时间；v表示升温速率；R1、R2和R3分别表示初始温度、中间温度和末端温度。

补强时间与升温速率之间存在着非线性关系，具体如图3所示。

图3 补强加固时间与升温速率非线性关系Tig.3 Nonlinear relationship between reinforcement time and heating rate

从图3可以看出，将拟合曲线补强加固时间t1外推至v=0 ℃/min时，得到胶粘剂反应所需时间；将拟合曲线补强加固时间t2外推至v=0 ℃/min时，得到胶粘剂固化所需时间。由此可知，补强加固时间与升温速率呈非线性关系。

2 结果与讨论

2.1 拉伸剪切性能

在钢筋混凝土结构补强加固中使用高性能防水环氧树脂胶粘剂进行补强加固，利用扫描电子显微镜能够得到环氧树脂胶粘剂结构图，结果如图4所示。

图4 环氧树脂胶粘剂Tig.4 Epoxy resin adhesive

从图4可以看出，高性能防水环氧树脂胶粘剂基体杂乱分布，表面粗糙，将其作为钢筋混凝土结构补强加固胶粘剂，能够改善材料脆性。

为了确定环氧树脂高性能防水胶粘剂中增韧剂的使用量，需通过试验验证方式对补强加固材料拉伸剪切强度进行测试，测试结果如表3所示。

表3 拉伸剪切强度测试结果Tab.3 Tensile shear strength test results

由表3可知，阳离子型乳化沥青在环氧树脂上的作用是显著的。将质量分数10%的增韧剂添加到乳化沥青中，可使其拉伸强度增至2.8倍，而不会使其变形性能下降。环氧树脂从分散相向连续相向转变，最后呈现出硬脆性；在拉伸剪切试验过程中，不同增韧剂用量的试件均未出现断裂。万能试验机在进行拉伸剪切试验后，先维持在一个较低的位置，随后发生了明显的位移，接着又出现了一个逐步增大过程，直到剪切破坏试验结束。结果表明：随着环氧树脂高性能防水胶粘剂质量分数的逐渐增大，材料的拉伸剪切强度也随之提高。

2.2 抗压性能

为了测试环氧树脂高性能防水胶粘剂抗压强度，在不同温度下的测试结果，具体如表4所示。

表4 不同温度下抗压强度测试结果Tab.4 Compressive strength test results at different temperatures

由表4可知，在各种温度条件下，所制得的环氧树脂胶粘剂混凝土试件抗压强度都超过了60 MPa。结果表明，所制得的混凝土试件抗压强度高，而环氧树脂胶粘剂在补强加固混凝土试件中的粘接效果更好。另外，应用环氧树脂胶粘剂在补强加固混凝土试件中，还能提高其使用寿命。

2.3 抗弯性能

试验选取24根自密实混凝土小梁的3个弯曲处进行了试验，并使用了不同修复材料进行比较，以验证环氧树脂高性能防水胶粘剂对混凝土补强加固的抗弯性能。使用的3种粘结剂分别是：环氧树脂粘结剂、磷酸酯化淀粉粘结剂、活性粘结剂，对结构承载力进行了详细的分析。本试验选取了C50轻质自密实高性能混凝土，在不同荷载作用下，当跨中位移为1.20 mm时，混凝土结构的承载能力随荷载增加而增大，结果如表5所示。

表5 抗弯性能测试结果Tab.5 Bending resistance test results

由表5可知，在第1次加载过程中，3种胶粘剂加载承载力相差不大；在第2次加载过程中，3种胶粘剂加载承载力都相对变大，其中环氧树脂胶粘剂承载力最大。主要是原因在第2次加载过程中，未加入胶粘剂混凝土由于受钢筋拉力作用，导致混凝土受力较小，其承载能力有所降低。胶粘剂加入使混凝土抗弯性能有了显著提高，而混凝土承载能力也有了显著提高。

由于上述对比结果还不能明确钢筋混凝土结构补强加固中已经使用高性能防水环氧树脂胶粘剂，为此使用红外光谱仪进行测试分析，结果如图5所示。

(a)环氧树脂胶粘剂

(b)磷酸酯化淀粉胶粘剂

(c)活性胶图5 红外光谱图Tig.5 Infrared spectrogram

从图5可以看出，使用活性胶最小透过率发生在1 400 cm-1处，且最小透过率数值为0.74，说明使用活性胶与钢筋混凝土结构化学反应不明显；使用磷酸酯化淀粉胶粘剂最小透过率发生在2 400 cm-1处，且最小透过率数值为0.69，说明使用该胶粘剂虽然发生了明显的化学反应，但其产生的磷酸酯无法形成保护层，无法阻碍分解，导致加固效果不理想；将环氧树脂胶粘剂与磷酸酯化淀粉胶粘剂和活性胶进行对比分析，能够发现1 500 cm-1处的透过率最小，说明—CHO基团出现了吸收作用，证明该基团与钢筋混凝土结构发生了化学反应，从而可以证明高性能防水环氧树脂胶粘剂具有良好补强加固性能。