一种水工钢闸门用环氧砂浆垫料

蔡浩浩，万雄卫，周志勇，肖 皓

（1.武大巨成结构股份有限公司，湖北 武汉 430223；2.武汉大学建筑物检测与加固教育部工程研究中心，湖北 武汉 430072）

一种水工钢闸门用环氧砂浆垫料

蔡浩浩1，万雄卫1，周志勇2，肖 皓1

（1.武大巨成结构股份有限公司，湖北 武汉 430223；2.武汉大学建筑物检测与加固教育部工程研究中心，湖北 武汉 430072）

提供了一种压缩强度较高、黏度较低的水工钢闸门环氧砂浆垫料，研究了该垫料的工艺性、粘接性和耐湿热老化性。结果表明，当压缩强度达到100 MPa时，自制固化剂配方的环氧砂浆混合黏度为6 000 mPa·s；7 d常温养护下的相对最大伸长率为0.65%，拉伸粘接强度为3.5 MPa；90 d湿热老化剪切强度为21.9 MPa，湿热老化降低率为9.9%。

环氧砂浆；高压缩强度；高流动性；湿热老化

环氧砂浆是一种特殊的环氧树脂胶粘剂，因其具有较高的压缩强度、高模量以及抗冲击性能等，常用于水利水电工程建设中。水工钢闸门垫料一般为环氧砂浆体系，普通环氧砂浆材料可以满足压缩强度大于90 MPa的设计要求，但是流动性较差，当水工钢闸门安装缝隙小于5 mm时，传统的环氧砂浆材料无法灌注完全，不能保证施工质量[1]。

本研究提供了一种水工钢闸门环氧砂浆[2]垫料的制备方法和性能研究，该环氧砂浆能够在保证较好流动性的情况下同时满足压缩强度大于90 MPa的设计要求，并且具有较好的耐湿热老化性能。

1 实验部分

1.1 实验原料

环氧树脂（E-51），巴陵石化环氧树脂厂；环氧增韧剂、稀释剂692，湖北绿色家园精细化工股份有限公司；硅烷偶联剂（KH560、KH550），湖北武大有机硅新材料股份有限公司；低黏度改性胺类固化剂（JCH），实验室自制；异佛尔酮二胺（IPDA），烟台万华化学集团股份有限公司；间苯二甲胺（MXDA），德国巴斯夫中国公司；固化剂593，广州晟固化工有限公司；400目（38 μm）滑石粉、400目（38 μm）重钙，江阴市广源超微粉有限公司；400目（38 μm）硅微粉，江苏联瑞新材料股份有限公司；粉煤灰，焦作德利汇商贸有限公司。

1.2 实验仪器

RGM-100型微机控制电子万能试验机，深圳新三思计量技术有限公司；TJ-10型碳纤维粘接强度检测仪，煤炭科学研究总院；DIL402PC型 线 胀 系 数 检 测 仪 ， 德 国NETZSCH公司；NDJ-79型旋转黏度计，上海平轩科学仪器有限公司；高低温试验箱，东莞市科文试验设备有限公司。

1.3 制备方法

取一定量的E-51、环氧增韧剂、稀释剂692、一定量的填料和KH560，充分搅拌混合均匀，然后静置排泡，即制得环氧砂浆A组分。

取一定量的固化剂、填料和KH550，充分搅拌混合均匀，然后静置排泡，即制得环氧砂浆B组分。

将制备好的A组分和B组分按比例混合，即得到一种水工钢闸门环氧砂浆垫料。

1.4 性能测试

（1）环氧砂浆的拉伸强度、断裂伸长率、压缩强度、剪切强度：按照GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》标准，采用电子万能试验机进行测试（成型后室温下养护7 d）。

（2）环氧砂浆与钢材的粘接拉伸强度：采用碳纤维粘接强度检测仪进行测试（在打磨光滑的钢材表面上浇注一层厚度为3 mm的砂浆层，室温下养护7 d）。

（3）线胀系数：采用线胀系数检测仪测试并计算（将混合后的环氧砂浆液注入到5 mm×5 mm×25 mm的硅胶模具中，室温下养护7 d）。

（4）黏度：按照GB/T 10247—2008《黏度测量方法》标准，采用旋转黏度计进行测试（室温）。

（5）耐湿热老化试验：按照GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性能鉴定技术规范》标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 不同填料对环氧砂浆性能的影响

自制固化剂JCH为脂肪族胺类和脂环族胺类的混合固化剂，具有黏度较低、粘接强度较高和模量较大等特点。E-51和该固化剂按照质量比4∶1配制成纯胶液体系，25 ℃黏度为1 000 mPa·s；胶体固化后室温养护7 d，粘接强度超过3.5 MPa，压缩强度可达85 MPa以上。

向纯胶液体系中增加填料可以提高胶体的压缩强度，常用的结构胶填料有硅微粉、粉煤灰、重钙和滑石粉。本实验用硅微粉、粉煤灰、重钙和滑石粉作为填料，讨论填料对环氧砂浆压缩强度的影响，结果如图1所示。由图1可知：加入不同填料可以不同程度提高环氧砂浆压缩强度，其中硅微粉的效果相对最为明显，重钙次之，且4种不同填料添加比例对压缩强度也有很大影响。随着填料含量的增加，混合后环氧砂浆胶液黏度增大，流动度减小[3，4]（如图2所示）。为了满足较强的流动性要求，同时保证较高的压缩强度，选择硅微粉作为环氧砂浆的填料，填料量为每100 g环氧树脂中添加60 g。

2.2 不同固化剂对环氧砂浆性能的影响

不同固化剂按照推荐用量配制成环氧砂浆，填料按每100 g树脂的60 g加入液料中，成型养护后测线胀系数、相对最大伸长率和粘接拉伸强度，结果如表1所示。

图1 填料对压缩强度的影响Fig.1 Effect of fillers on compressive strength

图2 填料对混合后黏度的影响Fig.2 Effect of fillers on viscocity after mixing

表1 不同固化剂配方的环氧砂浆性能Tab.1 Performance of epoxy mortars with different curing agents

环氧树脂线胀系数一般在6×10-5（1/℃）左右，加入一定量的无机填料可以降低线胀系数，并且不同固化剂配方的环氧砂浆线胀系数略有不同[5]。由表1可知：具有相对最高热变形温度的固化剂MXDA和固化剂IPDA之线胀系数较小，其次是自制固化剂JCH和固化剂593，各个数值相差不大，但相对于钢材的11×10-6（1/℃）左右[1]，仍然是其3～4倍的量级。

水工钢闸门环氧砂浆垫料基材一般为钢结构，环氧砂浆对钢体基材的粘接强度和在不同温度下的线胀系数是决定长期使用性能的2个重要因素。以上4种环氧砂浆都具有5.4 MPa以上拉拔强度和0.45%以上的相对最大伸长率，相对于钢结构而言，具有较高的柔性，由于闸门垫料主要用于填充钢结构之间的间隙，在实际使用中环氧砂浆因温度变化而发生膨胀或收缩时大多只受到垂直方向的应力。虽然环氧砂浆线胀系数是钢结构基材的3～4倍，但环氧砂浆较高的伸长率和粘接强度可以保证粘接界面上的环氧砂浆和钢材具有较好的匹配度，从而保证长期使用下不会出现基材开裂或砂浆剥离等现象[6]。

上述4种固化剂都能满足水工钢闸门环氧砂浆垫料性能要求，因自制固化剂具有更低的成本和较好的使用性能，故优选自制固化剂配方的环氧砂浆应用于实际项目。

2.3 环氧砂浆耐湿热老化性能测试

水工钢闸门垫料常用于水坝、水库等自然环境下，虽然封闭于钢结构内部，但仍然不能避免日晒高温和水汽的侵蚀，环氧砂浆的耐湿热老化能力是保证长期使用性能的重要因素[7]。水工钢闸门环氧砂浆垫料的耐湿热老化能力参照GB 50728—2011标准要求进行测试。

在50 ℃、95% Rh环境中老化，试验结束后冷却至室温进行钢对钢拉伸剪切试验，与室温下短期试验结果相比，其抗剪强度降低率和钢钢剪切强度如图3所示。

图3 老化时间对剪切强度和其降低率的影响Fig.3 Effect of aging time on shear strength and its reduction rate

由图3可知：水工钢闸门环氧砂浆垫料90 d钢-钢剪切强度高达24.3 MPa，湿热老化抗剪强度为21.9 MPa，湿热老化降低率为9.9%，小于国标要求的12%，满足以混凝土为基材结构胶长期使用性能鉴定标准A级胶的要求。

3 结论

（1）常用的结构胶填料都可以提高胶体的压缩强度，其中，硅微粉效果相对最明显，优选填料比为60，即每100 g树脂中添加60 g填料。

（2）环氧砂浆线胀系数在（3～4.5）× 10-5（1/℃），远大于钢结构的约11×10-6（1 /℃），但环氧砂浆本身具有较强的柔性，相对最大伸长率在0.5%左右，且环氧砂浆使用部位为钢构件之间，环氧砂浆与界面材料之间的静态作用力为纵向力，可以避免长期使用下发生钢结构基材与环氧砂浆剥离等现象。

（3）该水工钢闸门环氧砂浆垫料在50℃、90 d的条件下，湿热老化抗剪强度为21.9 MPa，湿热老化降低率为9.9%，小于GB 50728—2011中的12%，满足以混凝土为基材结构胶长期使用性能鉴定标准A级胶的要求。

[1]邓朝,胡新民,樊启祥.三峡船闸人字门高强度环氧填料施工[J].中国三峡,2003,10(6):40-41.

[2]张利,赵丽丽.环氧砂浆在混凝土表面补强加固中的应用[J].吉林水利,2006,26(11):24-26.

[3]阮征,陈力,洪建,等.骨料和砂浆等影响混凝土强度的细观层次机理分析[J].建筑材料学报,2014,17(6) :952-958.

[4]张建隽,靳秀芝,韩涛,等.自流平砂浆流动性的影响因素研究[J].中北大学学报自然科学版,2014,35 (5):620-624.

[5]李丽,李在兴.耐高温三防浇注绝缘胶的研制[J].绝缘材料,2014,49(3):30-32.

[6]吴神刚.一种低收缩率环氧树脂固化剂的合成及性能研究[D].武汉:武汉工程大学,2015.

[7]王晓洁,梁国正,张炜,等.湿热老化对高性能复合材料性能的影响[J].固体火箭技术,2006,29(4):301-304.

Abstract：This paper presented a epoxy mortar with high compressive strength and low viscosity for hydraulic steel gates. The processibility, bonding property and hygrothermal aging resistance of the mortar were investigated. The results show that when the compressive strength reaches 100 MPa, the viscosity of the mortar mixed with the self-made curing agent is 6 000 mPa·s; the maximum elongation and the tensile bonding strength of the mortar cured under room temperature for 7 d are 0.65% and 3.5 MPa, respectively. The shear strength is 21.9 MPa after hygrothermal ageing for 90 d , the aging shear strength reduction rate is 9.9%.

Study on performance of epoxy mortar gasket for hydraulic steel gate

CAI Hao-hao1, WAN Xiong-wei1, ZHOU Zhi-yong2, XIAO Hao1
(1.Wuhan Wuda Jucheng Strengthening Industrial Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430223, China; 2.Wuhan University Building Detection and Reinforcement Engineering Research Center of Education Ministry, Wuhan, Hubei 430072, China)

epoxy mortar; high compressive strength; high fluidity; hygrothermal ageing

TQ437+.1

A

1001-5922（2017）09-0054-04

2017-03-24

蔡浩浩（1987-），男，硕士研究生，中级工程师。研究方向：环氧结构胶。E-mail：tsaihow@qq.com。