快速修复材料与既有混凝土协同工作的特性研究

阴 香

(中铁十九局路桥八公司,辽宁 大连 116100)



快速修复材料与既有混凝土协同工作的特性研究

阴 香

(中铁十九局路桥八公司,辽宁 大连 116100)

摘要：为掌握结构混凝土破损修复后的服役性能，进行了快速修复材料与旧混凝土协同工作性能的系统研究。以环氧树脂、乙二胺、丙酮为基体，设计了快速修复材料；对快速修复材料硬化浆体与既有混凝土的协同工作性，包括抗压、抗折强度和稳定性等指标，进行了系统研究。结果表明，快速修复混凝土的协同抗压和抗劈裂性能均得到提高，其中协同抗压强度最高可提高80%，4 h的收缩值仅为0.095 mm，完全满足结构混凝土快速修复的要求。

关键词：快速修复材料；既有混凝土；协同工作性；强度；稳定性

随着现代化进程的不断推进，以结构混凝土为主的各种建筑物如雨后春笋一般，在全国各地拔地而起。但在看到成就的同时，也要时刻具有未雨绸缪的忧虑意识。如战时建筑物破坏，和平时期汶川地震及印度海啸等自然灾害会对建筑物造成严重破坏。为了争取战时、抢救生命，结构混凝土快速修复技术的重要性越来越凸显，国内外学者围绕此方面开展了一系列的研究。有的是针对修复工艺的，如司炳君教授[1]带领团队研究了钢筋混凝土桥墩地震破坏后的修复技术，侧重点在于针对破坏机理，提出加固方案。张建立[2]研究了桥面快速修复时的支护措施。有的是针对快速修复材料的，如同济大学的周正峰研制出一种水泥混凝土路面的快速修复材料，组成成分中没有考虑环氧树脂。东南大学的钱振东[3]研制了以环氧沥青为主的桥面铺装磨损快速修复材料。杨霞[4]研制了针对伸缩缝的快速修复材料——聚氨酯混凝土。而国外在快速修复材料方面，研制产品的性价比小，如布朗公司[5]研制的一种弹性伸缩缝填充料；Delpatch T和德国巴斯夫公司研制的混凝土WaboCreteⅡ[6]。本文主要以环氧树脂、乙二胺及丙酮为基体[7-8]，给出了其配合比，主要研究在目前配合比下快速修复材料与既有混凝土的协同工作性能。

1 试件制备

原材料分别为：双酚A型E-44环氧树脂(济南天茂树脂化工公司)；固化剂乙二胺(天津市凯通化学试剂有限公司)；稀释剂丙酮，属于非活性稀释剂，它能够降低环氧树脂的黏度，增加流动性，利于施工；粗集料采用4.75～19 mm混合粒级；细集料细度模数为2.4，且为河砂筛去0.16 mm的部分；填料为水泥；水为自来水。

按致密堆积确定的比例称量石子、砂和水泥，快速修复材料和普通混凝土的配合比分别如表1所示，在容器内将集料搅拌均匀。试验前应对环氧树脂进行水浴(70 ℃)加热15～20 min后再称量，便于施工[7-8]，然后称量丙酮倒入环氧树脂中搅拌；再称量乙二胺倒入刚才配好的环氧树脂和丙酮溶液中，再次搅拌均匀。把搅拌好的环氧树脂胶凝材料缓慢地倒入装有集料的容器中搅拌，使集料都被胶体包裹。将搅拌均匀的快速修复材料装入试模中振荡成型，振荡分2次。最后对修复材料表面进行刮平，清理。成型好的试件放入已经调整好温度的烘箱养护，注意试模要放平，否则容易造成试件表面不平整。拆下模具脱模，脱模可以分为两种:一种是等快速修复材料表面有一定的强度后拆模养护;另一种是4 h后拆模。试件尺寸：抗压与劈裂强度试件为150 mm×150 mm×150 mm，弹性模量试件为100 mm×100 mm×300 mm。

2 快速修复材料的粘结性能研究

2.1 与既有混凝土的劈裂抗拉强度研究

混凝土的劈裂抗拉强度是混凝土能否正常服役的重要力学指标，此部分研究了环氧树脂混凝土对快速修复材料与旧有混凝土的抗劈裂试验显示，混凝土破坏都是从旧有混凝土或粘结面破坏，如图1所示。说明环氧混凝土不仅有比普通混凝土高的劈裂强度，而且能与其共同作用。从表2和表3中数据可以看出，环氧树脂混凝土与旧有混凝土一起使用提高了它的劈裂抗拉能力，数据中偶尔出现的降低从试验中看出是粘结的环氧混凝土不密实，导致劈裂时从粘结处断开。涂有环氧树脂基液的混凝土试件粘结力较好，有效的提高了旧有混凝土的劈裂强度。

注：快速修复材料的温度为35 ℃。混凝土劈裂抗拉强度的影响。结果如表2和表3所示。

表2 普通混凝土4 d劈裂荷载 kN

表3 快速修复材料修复旧有混凝土的劈裂数据 kN

图1 快速修复材料与旧有混凝土劈裂破坏

2.2 与既有混凝土的协同抗压研究

环氧树脂混凝土与旧有混凝土的协同抗压能力非常好，如普通混凝土的标准强度为40 MPa，而协同抗压的强度最高达到了72 MPa，如表4所示，平均值也比旧有混凝土高了50%以上。同时，进一步研究了快速修复混凝土与旧有混凝土串联受压和并联受压对强度的影响差异性，即对两种方式受压的数据进行方差分析，得出的结论是受压方式的不同对强度的影响并不显著，即快速修复材料与旧有混凝土无论是串联放置还是并联放置，协同抗压性能均良好(如表4所示)，且能有效提高普通混凝土的抗压能力，因为在承受荷载时环氧混凝土有效的分担了普通混凝土所不能承受的压力。但它们破坏时是一起破坏，只不过普通混凝土的裂缝要大且多于环氧混凝土，最值得关注的是裂缝没有在粘结面处产生，如图2所示。

表4 快速修复材料与旧有混凝土的抗压数据　MPa

图2 快速修复材料与旧有材料的抗压破坏

从图2可以看出，环氧树脂混凝土与旧有混凝土在一定的压应力下一起破坏。两种混凝土都产生了裂缝，普通混凝土中的裂缝要多于环氧树脂混凝土。另外，普通混凝土的表面有脱落的现象，而环氧树脂混凝土裂缝周围的组织还很密实。将试件串联时，无环氧基液的和有环氧基液的试件在强度上并没有显著区别。另外，试件串联和并联对强度影响不显著。

2.3 与既有混凝土的协同抗折研究

在环氧树脂混凝土修复既有混凝土的研究中，其抗折性能表现如图3和表5所示。

图3 快速修复材料与旧有混凝土的抗折破坏

序号普通混凝土快速修复材料与普通混凝土联合19.59.529.510312.710412.513.2511.412611.212

目前的数据显示，修复后的抗折强度没有明显下降；更为关键的是其抗折破坏发生在既有混凝土(旧混凝土)中，并没有从环氧树脂混凝土中破坏。说明所研制环氧树脂混凝土在抗折性能方面，能够满足要求。

3 硬化体体积稳定性的研究

3.1 无荷载条件下

混凝土在硬化过程中产生收缩过大，会严重影响其力学性能及新旧混凝土的协同工作性能。采用千分表测量环氧树脂混凝土在硬化过程中的收缩变化情况。

试验装置如图4所示，其测试结果见表6。

图4 环氧树脂混凝土变形测试

时间/h 00.511.522.533.5456702249627585929595959595

环氧树脂的固化反应放热，因此在固化初期体积会膨胀，但测量时没有出现膨胀现象。固化体冷却后理论上会收缩，本试验用混凝土收缩膨胀仪测量。从表6中可以计算出，指针在4 h后移动了95格，收缩值仅为0.095 mm。4 h后，千分表指针不动，可见环氧树脂固化后体积稳定性相当好，它不会因为冷却而发生收缩，因此环氧树脂混凝土在加载前不会因收缩产生拉应力，保证了与旧有混凝土的粘结性。

3.2 受荷载条件下

环氧树脂的硬化过程不会产生较大的收缩，说明其在硬化过程中不会产生较大的拉应力，有利于其与混凝土间的粘结。而受载条件下，如果要保证环氧树脂混凝土具有较好的体积稳定性，就必须要求环氧树脂与混凝土基体具有较为接近的力学指标——弹性模量。

3.2.1 环氧树脂混凝土弹性模量

二相复合材料的弹性模量与其组分含量及组分各自弹性模量大小有关。相对于石英和石灰石而言，水泥石及树脂固化体的弹性模量均较低，所以根据U.J.Counto模型，软基体二相复合材料的弹性模量模型更为适合普通混凝土及树脂混凝土的弹性模量。其弹性模量为：

(1)

式中:Ec为二相复合材料的弹性模量(GPa)；Ep为分散相弹性模量(GPa)；Em为连续相弹性模量(GPa)；Vp为分散相体积率。

由上式可见，欲提高软基体二相复合材料的弹性模量，需提高基体相弹性模量，同时降低基体相体积率，提高分散相体积率。具体到树脂混凝土，就是要降低树脂用量，提高骨料用量。本研究采用致密堆积理论进行修复材料配合比设计，可以从最大程度上降低填充空隙的树脂用量，提高骨料用量，对提高修复材料的弹性模量，具有良好的作用。由此式计算出环氧树脂混凝土的弹性模量为12.4 GPa。

3.2.2 测定环氧树脂的静力受压弹性模量

试件的设计使用正交设计选出的最优配合比。其中3组用来测轴心抗压强度，如表7所示，另外3组用来测弹性模量，如表8所示。如果变形值之差与它们的平均值之比小于20%时，应以相同的速率卸载，并进行一次预压。预压结束后正式记录数据。如果变形值之差与平均值之比大于20%时，应重新对中试件后重复试验。

表7 轴心抗压强度 MPa

表8 弹性模量测定数据

计算结果与普通混凝土的弹性模量相比，数量级相同，基本可以认为快速修复材料与普通混凝土能够协同工作。快速修复混凝土的弹性模量比普通混凝土要低一点，这是由于环氧树脂的固化反应生成物的弹性模量较水泥浆体的弹性模量低，弹性模量的降低，在改善变形协调性方面是有利的，如在变温条件下对应力的吸收，可以一定程度上减少干缩裂缝和温度裂缝的形成[9-10]。

4 机理分析

从环氧混凝土抗压强度的试验来看，试验时存在与普通混凝土不同的现象。试件在最后阶段承受压力的情况下产生了变形，由此可见环氧树脂混凝土具有很好的韧性，在进行的抗压试验中，即使试件强度达到90 MPa，也不会产生崩裂脱落。快速修复材料的受压破坏都是集料中的石子受到相互的挤压破坏，环氧树脂胶凝材料与集料粘结面没有脱落，环氧树脂胶凝材料的弹性变形促使集料之间相互挤压破碎。破坏过程分为：弹性变形、集料挤压破碎、胶凝材料破坏。

试验时，裂缝都从旧有混凝土中产生，由此说明环氧树脂混凝土的抗折、劈裂强度比普通混凝土要高。在相同荷载情况下，破坏的当然是旧有的混凝土。试验数据可知，环氧树脂混凝土的强度高达70 MPa，而旧有混凝土的强度为40 MPa。抗压破坏时，两者一起破坏，只是旧有混凝土中的裂缝要大且多于环氧树脂混凝土。环氧树脂混凝土与旧有混凝土一起并联抗压时，由于有相近的弹性模量，破坏时能够一起破坏。

5 结论

本文通过大量的试验，对作为快速修复材料的环氧树脂混凝土与既有混凝土的协同工作性能做了系统研究，主要得出以下结论：

(1)由环氧树脂(E-44)、固化剂乙二胺、稀释剂丙酮和集料所组成的快速修复材料混合料能满足4 h内强度达到50 MPa以上的快速修复施工需要。

(2)环氧树脂混凝土弹性模量与普通混凝土的数量级一致。

(3)快速修复材料能提高旧有混凝土的劈裂抗拉、抗折的能力；与旧有混凝土一起抗压时，裂缝不会从粘结面上发生，具有协同工作性。

参考文献

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An Exploration into the Cooperative Performance of the Quick Repairing Materials with the Existing Concrete

Yin Xiang

(8th Road and Bridge Company of the 19th Bureau of China Railway,Dalian 116100,China )

Abstract:Aiming at better understanding the service performance of the repaired structural concrete after it was damaged,a systematic study of the cooperative performance of the quick-repairing materials with the existing concrete is carried out. Based on epoxy resin,ethidene diamine and acetone,a new-type quick-repairing material is designed in the paper.The cooperative performance of the hardened mortar body made out of the quick-repairing materials with the existing concrete, including the compressive strength, rupture strength and stability,is studied in a systematic way.The results show that the cooperative compressive strength and rupture strength of the quick-repairing materials are all improved,with the cooperative compressive strength increased as much as 80%.The 4-hour shrinkage value is only 0.095 mm.All the targets show that the quick-repairing materials can meet the the quick-repairing requirements for the structural concrete.

Key words:quick-repairing materials;cooperative performance of the existing concrete;strength;stability

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)02-0019-05

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.005

作者简介：阴香(1977—)，女，工程师，主要从事高速铁路预制箱梁和城市轨道交通专业的试验工作

收稿日期：2015-12-07