地铁工程用弹性环氧封缝胶的研究与应用

旷庆华

摘要：研究了稀释剂、增韧剂对弹性环氧封缝胶力学性能的影响。通过对配方的优化，制得了一种力学强度与柔韧性能均良好的弹性环氧封缝胶，并应用于长沙地铁2号线的裂缝修补工程中，取得了良好的效果。

关键词：稀释剂；增韧剂；拉伸性能；地铁工程；裂缝修补

在地铁施工过程中，由于各方面的原因，已经施工完成的混凝土结构常常会出现裂缝，发生渗漏现象。现有对裂缝进行嵌填密封的材料大部分为聚氨酯，这种材料虽然具有良好的柔性，但与混凝土粘接能力不佳且耐久性差。环氧树脂作为一种力学性能佳、耐久性优异的材料一直广泛应用于土木工程的各个领域，但其柔韧性较差。通过增韧等改性手段，可以使环氧体系获得相应的韧性以适应活动裂缝的尺寸变化，同时保有其高粘接与耐久的特点。本文基于上述原理对弹性环氧封缝胶进行配方设计及性能研究，最终制得了一种地铁工程裂缝嵌填密封专用的弹性环氧封缝胶。

1 实验部分

1.1 原材料

双酚A型环氧树脂E51，碳12-14烷基缩水甘油醚S1、丁基缩水甘油醚S2、1，6-己二醇二缩水甘油醚S3、间苯二酚二缩水甘油醚S4、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚S5，工业级，国产；长链脂肪族增韧剂B1、聚硫橡胶B2、聚氨酯改性环氧树脂B3，工业级，国产；脂环胺C1、杂胺C2，工业级，国产。

1.2 测试设备

电子万能试验机，WDW100，中国科学院长春科新公司试验仪器研究所；恒温箱；研磨分散机。

1.3 实验试件的制备

拉伸试件：参考GB/T 2567—2008中试样制备方法进行。

正拉粘接试件：参考GB 50728—2011中附录G中试样制备方法进行。

固化方式：恒温（23±2）℃固化7 d。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能（包括拉伸强度、断裂伸长率以及弹性模量）：参考GB/T 2567—2008测定，拉伸速率为10 mm/min。

粘接强度：参考GB 50728—2011中附录G进行测定

2 结果与讨论

2.1 不同稀释剂对拉伸性能的影响

稀释剂主要用来降低环氧胶粘剂体系的黏度，改善胶液的涂布性和流动性。但稀释剂的加入一般会降低固化产物的各项性能 [1]。为了降低稀释剂掺入带来的不利影响，原则上优先选用活性稀释剂。

本文选取已添加一定增韧剂的环氧树脂作为基体，以柔韧性优异的脂环胺C1和杂胺C2进行复配作为固化剂，分别加入不同种类不同掺量的稀释剂，测试其拉伸性能，结果见图1、图2和图3。

从图1可以看出，单环氧稀释剂S1、S2的加入显著降低了固化体系的拉伸强度。且随着S1、S2掺量的不断增加，固化产物拉伸强度不断下降，但下降趋势逐渐变缓。

双环氧稀释剂S3、S4的掺入对体系拉伸强度的影响并不相同。随着S3掺量的增加，拉伸强度呈下降趋势，随着S4掺量的增加，拉伸强度反而呈现上升的趋势，造成这种现象的原因是其分子结构组成不同。虽然S3与S4分子结构中均含有双环氧基，但是由于S3属于线型结构，其固化产物的强度远低于环氧树脂本身强度，而S4分子结构中存在着芳香环，致使其固化产物的强度略高于环氧树脂本身强度，所以导致上述现象的产生[2]。

随着三环氧稀释剂S5掺量的增加，环氧固化产物的拉伸强度呈下降趋势，但是下降趋势较为平缓。

从图2可以看出，随着单环氧稀释剂S1、S2掺量的增加，固化产物的断裂伸长率呈现先升高后降低的趋势，当S1、S2掺量为10%时，断裂伸长率均达到最大。随后随着其掺量的增加，断裂伸长率迅速降低。原因是由于当S1、S2掺量过多会导致固化产物的力学性能显著下降，断裂伸长率亦随之下降。

双环氧稀释剂S3、S4的加入对固化产物断裂伸长率的影响也不相同。随着S3掺量的增加，裂伸长率表现为先升后降，但是降幅没有单环氧稀释剂明显。随着S4掺量的增加，断裂伸长率则持续大幅下降。

随着三环氧稀释剂S5掺量的增加，断裂伸长率呈持续缓慢上升的趋势。

从图3可以看出，单环氧稀释剂S1和S2的掺入使得环氧固化产物的弹性模量呈急剧下降的趋势。这是由于单环氧稀释剂的分子结构中仅含有一个环氧基团，在发生固化反应时，仅能在一端连接到交联网络中去，导致固化产物的交联密度显著降低，从而弹性模量也明显降低。

随着双环氧稀释剂S3掺量的增加，弹性模量逐渐下降。这是因为其分子结构中含有2个环氧基团，在固化反应过程中能参与固化产物交联网络结构的形成，固化产物的交联密度下降不如单环氧稀释剂的幅度大，所以弹性模量稍高于单环氧稀释剂S1和S2。

双环氧稀释剂S4对固化产物弹性模量的影响异于S3，随着S4掺量的增加，弹性模量亦随之增加。这是由于S4分子结构中在含有2个环氧基的同时还含有苯环结构，其中苯环结构具有一定的刚性，所以在固化反应后能提高固化产物的交联密度和刚度，从而导致弹性模量明显上升。

随着三环氧稀释剂S5掺量的增加，弹性模量呈平缓下降的趋势。这是由于S5分子结构中含3个环氧基团，固化反应后能成为固化产物交联网络的一部分，所以固化产物的交联密度不会有太大下降，且其分子结构中不含苯环，不致使固化产物刚度变大，因此导致固化产物弹性模量呈下降趋势。

2.2 不同增韧剂对拉伸性能的影响

常用的增韧剂一般为无机填料类、橡胶类、热塑性树脂类、互穿网络聚合物以及柔性链段固化剂等。环氧体系中无机填料的加入虽然可使环氧固化产物的韧性增加，但是对其弹性模量的降低和断裂伸长率的增加基本没有改善，故作为增韧剂而言，本实验不予采用。本实验中选用了B1、B2、B3这3种不同类型的增韧剂，其中B1为长链脂肪族增韧剂；B2为液态聚硫橡胶；B3为聚氨酯改性环氧树脂。选用E51环氧树脂作为A组分，脂环胺C1、杂胺C2复配体系作为B组分，对以上3种增韧剂进行拉伸性能的考查，结果如图4、图5、图6所示。

从图4～6可以看出，3种增韧剂的掺入对环氧固化产物柔韧性能的改善均相当显著。随着B1或B2掺量的增加，固化产物断裂伸长率会显著增加，而弹性模量会显著降低，这是由于当B1或B2掺入到环氧树脂中，参与固化反应时，会在环氧固化产物的网络交联结构中引入柔性良好的长链段分子，提高了环氧固化产物交联网络的自由活动能力，极大地改善了固化产物的柔韧性能。所以随着B1或B2掺量的增加，环氧固化产物的拉伸强度和弹性模量持续地下降。但是随着B1或B2掺量的增加，其固化产物的断裂伸长率呈现先升后降的趋势，这是由于长链段分子的引入大大增加了分子链段柔顺性的同时也会大大降低环氧固化产物的内聚强度，导致断裂伸长率出现下降的趋势。

随着B3掺量的增加，拉伸强度以及弹性模量逐渐降低。在B3掺量为30%以前，拉伸强度和弹性模量的下降趋势不明显，但是掺量超过30%时，拉伸强度与弹性模量均会显著下降。主要原因可能是当聚氨酯改性环氧树脂掺量增多时，固化产物中聚合物的协同作用减弱，更多地向聚氨酯链段的柔韧性能方向发展，导致拉伸强度与弹性模量下降[3]。随着B3掺量的增加，断裂伸长率持续增加。当B3掺量为100%时，断裂伸长率可达90%，大大提高了固化产物的柔韧性能。

2.3 弹性环氧封缝胶综合性能

由于进行嵌填修补的弹性环氧封缝胶应为膏状，所以必须加入适当的填料与流变助剂。但是填料的加入会严重损失固化产物的柔韧性能，鉴于此，本研究中选取的胶液应为柔韧性能优异的体系。经过对稀释剂、增韧剂的分析比较，最终确定在E51树脂基液中加入30份的S2和100份的B3。所用填料为纳米填料，并使用流变助剂改善胶粘剂的触变性，提高其施工性能。所用固化剂为柔韧性良好的脂环胺C1与杂胺C2的复配体系。其主要性能如表1所示。

从表1可以看出，固化产物的柔韧性能良好，其断裂伸长率可达55%。同时与混凝土粘接性能优异，与干燥混凝土界面粘接强度可达2.5 Mpa以上。加之其具有良好的触变性，可在顶面或立面进行嵌填施工，施工过程和固化过程中胶粘剂均不发生流坠现象，赋予了弹性环氧封缝胶良好的施工性能。

3 工程应用

渗漏是地下工程中常见的问题。长沙地铁2号线是长沙市首条开通的地铁线路，线路全长22.226 km，均为地下线。由于各种原因，全线车站主体结构混凝土工程中多处出现裂纹，混凝土表面有渗水现象。工程所处地层地下水丰富，地下水可透过裂纹渗入钢筋混凝土结构内部，对钢筋及混凝土产生腐蚀作用，严重影响工程结构的安全性。传统的裂缝修复方法为注浆法，且所用注浆材料以聚氨酯为主，但由于聚氨酯耐久性与粘接性能差等原因，导致注浆修复后，经过一段时间，裂缝又重新渗漏[4，5]。经过分析论证，按照JGJ/T 212—2010《地下工程渗漏治理技术规程》中提到的“多道设防”原则，决定在注浆修复的基础上，再沿裂缝凿槽，然后嵌填环氧胶泥，进行二次防护，即嵌填弹性环氧胶泥，以适应裂缝宽度变化所带来的危害。

本文所研制的弹性环氧封缝胶现已成功应用于长沙地铁2号线裂缝修复工程，图7为弹性环氧封缝胶修补原理示意图。从现场的修复效果可见，固化产物无任何流坠现象，颜色接近于混凝土本身的颜色，修补效果良好。

4 结论

1）单环氧稀释剂的掺入会显著降低环氧固化产物的拉伸强度，而多环氧稀释剂的影响不尽相同。

2）增韧剂的掺入能大幅增加环氧固化产物的柔韧性能，同时也会不同程度降低产物的力学强度。

3）通过配方优化，制得了一种力学性能优异、柔韧性能良好的弹性环氧封缝胶。现已应用于长沙地铁2号线裂缝嵌填修复工程中，取得了良好的效果。

参考文献

[1]孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术[M].第1版.北京：机械工业出版社，2002：1-268.

[2]蔡佩芝，张昊，赵东林，等.稀释剂对DDM/E-51环氧树脂体系力学性能的影响[J].高分子材料科学与工程，2010，26（11）：75-82.

[3]周宏群.环氧建筑结构胶的增韧改性研究[D].长沙：湖南大学土木工程学院，2011：48-51.

[4]富珠峰，杨霞，王霁新.弹性环氧灌浆材料在上海地铁9号线中的应用[J].中国建筑防水，2012（4）：21-24.

[5]杨元龙，徐宇亮，张亚峰，等.高强度无溶剂环氧树脂堵漏材料的制备与应用[J].中国建筑防水，2012（8）：4-7.