环氧砂浆在水库裙板修复中的应用研究

刘 超，尚昊博，吕能武，李子奇

（1. 西安黑河供水有限公司金盆水库分公司,陕西 周至 710401；2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 前言

西安黑河金盆水库位于陕西省黑河峪口,是一座以城市供水为主,兼有农灌、发电、防洪等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程。在巡查过程中发现,水库泄洪洞、溢洪洞在多年的泄洪排水作用下出现了严重的冲蚀磨损破坏问题,多个部位出现缺陷破损,其中裙板混凝土冲蚀严重,导致钢筋长时间暴露腐蚀严重,此外,损毁裙板周围青苔滋生以致混凝土松脆。为此,需要对上述损毁部位进行修补处理。

目前,水库混凝土破损的主要修补材料为：无机与有机类材料、无机-有机复合类材料[1]。无机类修补材料主要是指普通硅酸盐水泥混凝土等修补材料,其优点是材料成本低廉,修复后与原混凝土性能接近,但其缺点是收缩大,容易导致新老材料出现开裂,养护时间较长,影响正常水库通水,且养护一段时间后修复处会出现新的裂痕,耐久性较差[2]。有机类修补材料主要是指甲基丙烯酸甲酯、吠喃树脂、不饱和聚酯等修补材料,由于有机聚合物的弹性模量和热膨胀系数等属性与无机水泥混凝土相差较大,一段时间后会出现有机修补材料从基材表面脱落的情况。此外,高成本制约了其广泛应用[3]。

有机-无机复合修补材料主要是以无机料为主、有机料为辅形成的环氧砂浆类路面修补材料,其在一般混凝土掺料中,加入有机物单体或短链聚合物,浇筑后经养护和聚合而成。这种由水泥混凝土和有机高分子材料有效结合的复合材料的性能明显优于一般混凝土,其具有普通混凝土与高分子聚合物的双重优点,且制作工艺简便并易于实现。由于高分子聚合物的加入,聚合物水泥混凝土改进了传统混凝土的抗压与抗拉强度、表面耐磨、材质耐蚀、内部抗渗、抗冲击等性能,并改善了混凝土的使用寿命,可应用于现场灌筑建筑物、路面及水工方面修补,混凝土贮藏容器的抗腐蚀程度,新老混凝土的粘结力度以及其他特殊用途的预制品[4-5]。

针对裙板部位的损毁情况,破损部位需要进行全面修复,根据以往裙板修复项目的效果以及反馈来讲,运用环氧砂浆修补材料可达预期目的,且成本低廉。

1 环氧砂浆的结构及作用机理

1.1 环氧树脂的作用与结构

混凝土的粘结材料种类丰富,其中在修补中最常用的、效果优良的就是环氧树脂类有机材料。环氧树脂修补材料如环氧胶液、环氧砂浆、环氧混凝土等[6-7]。环氧砂浆在修复工程中被广泛应用,其主要原因为混凝土的老化、发霉、腐蚀、开裂等,环氧树脂主要成分为某种树脂与固化剂构成,树脂为一种热固性树脂。其具有良好的抗压机械性、防电绝缘性、耐酸碱腐蚀性、耐高温以及良好的粘贴性。环氧树脂具有良好的性能,在水利水电工程中能作为目前广泛运用的修补剂之一。将环氧树脂用于水利工程修补的混凝土结构中,因其粘接性能良好,并且能够增强混凝土的稳固性[8]。具有环氧基团的高分子化合物均可称为环氧树脂, 环氧基团为—CH（O）CH—,其特点是反应性强、热固性强,其可以开环聚合（-C-O-C-三个原子以三角闭环形式化学键相互连接,发生反应时,O 原子与其中一个C 原子间的化学键发生断裂,由反应环境的酸碱性决定O 原子与某一个C 原子的化学键断裂,从而形成可与其他化合物发生反应的电子云结构,并迅速发生反应）或与其他有机物发生加成反应后分子链增加。可形成长链线性化合物,含两个以上的环氧基与多官能团有机物反应之后生成具有交织结构的固化物,为三维网状形态,环氧树脂是一种应用性很广的热固性树脂。其分子结构见图1[9]。

图1 环氧树脂分子式

1.2 固化剂的作用与机理

固化剂为一种可以使环氧基与环氧基之间发生化学反应的粘合剂。固化剂的大类分为显在型和潜伏型,显在型固化剂即普通常用的固化剂；潜伏型固化剂,则是与环氧树脂以配合的形式在一定温度下长期贮存稳定,一旦收到外界因素的影响,如温度、湿度、光线等因素,则会发生固化反应。潜伏性固化剂基本上是用物理和化学方法封闭其固化剂活性[10-12]。反应后使得分子与分子之间形成多种线性有机化合物分子链,从而让原有的环氧树脂从线性片段变为立体网状结构,为热固性材料,其反应后最终使得所有基团以一种固结体的形式存在,从而增加了树脂的抗压、防绝缘、耐腐蚀、耐高温性能等。

1.3 抗冲磨型环氧砂浆的介绍

抗冲磨型环氧砂浆是环氧树脂、环保型活性稀释剂和亲水性脂肪族胺类复合固化剂、粗颗粒耐磨无机填料（石英砂、金刚砂、铸石粉等）、抗紫外线填料助剂等组成的新型高分子合金材料。它具有力学性能好、抗冲磨性能好,耐候性好、对潮湿不敏感、抗冻性能好等优点,推荐用于混凝土面的抗冲磨保护处理、蜂窝麻面等缺陷处理,也可用于混凝结构补强处理。通过大量实验表明,其具有力学性能好,粘结力强,抗冲磨效果优异,适应性好,抗老化性能优良,耐久性好,高固含量,气味小,对环境友好,比例包装、施工、拌合工艺简便等特点,其性能指标见表1。

表1 环氧砂浆性能指标

2 环氧砂浆修复裙板的工艺与流程

泄洪洞出口裙板在多年的泄洪排水作用下出现了严重的冲蚀磨损破坏问题,整体裙板的混凝土表层都出现了不同程度冲蚀破坏,且表面粗骨料裸露情况严重,最大的冲坑深度约为5 cm,部分区域的混凝土保护层已剥落,钢筋完全暴露出来,并出现明显的锈蚀。本次的裙板修复,采用环氧砂浆回填施工,是一种性价比较高、且易于实现的工艺。

2.1 修复工艺

针对以上问题,填筑环氧砂浆法修补泄洪洞出口裙板可最大程度防止裙板以及钢筋的再次破损。

泄洪洞出口裙板混凝土破损严重,但混凝土破坏深度未超过5 cm,本次修复采用环氧砂浆法进行修复处理。施工前应先将混凝土基面覆盖的松散附着物完全凿除,露出新鲜的混凝土基面,在洁净的混凝土基面上分块回填环氧砂浆,并养护至规定龄期。

2.2 修复流程

该区域修复施工方案主要流程见图2。

图2 主要流程图

图3 环氧砂浆修复裙板施工图

具体工艺流程如下：

（1）搭建防护脚手架

由于该处理区域底部存在一个深水基坑,在施工前,应先在裙板下部边缘采用脚手架搭建防护栏杆,并在施工过程中,配备救生衣。

（2）排水导流

施工前,应在泄洪洞排水口设置小围堰,将裙板区域的流水进行导流,保证裙板处于干地施工状态。

（3）混凝土凿除、清理

在进行修复前应先将混凝土表面的老化混凝土、原混凝土表面附着物以及完全暴露的粗骨料进行凿除和打磨,露出新鲜的混凝土基面,并清除暴露的钢筋周围的混凝土,使钢筋完全暴露出来,在混凝土凿除后需对凿除的表面进行及时的清理,保持混凝土面洁净无浮尘。

（4）环氧混凝土填筑

把按规定配比拌制均匀的环氧砂浆直接填筑到涂刷过界面剂的混凝土基面上,由于凿除部位厚度不超过3 cm,环氧砂浆可一次性填充满,然后用木榔头砸实,至表面泛浆后抹平。填筑时应采用钢板尺等工具确保填充环氧砂浆与周围混凝土的平顺过度,避免出现错台、凸起和凹陷。

由于该处理区域长期暴露在阳光下, 为降低环氧砂浆的老化速度, 提高施工质量, 延长砂浆使用寿命, 在硬化后的环氧砂浆表面涂覆一层2 mm～3 mm 的聚脲涂层, 涂刷时应注意涂层涂刷的均匀程度, 各部位尽量保持厚度一致。

（5）聚脲弹性体封闭

聚脲材料施工前需对作业面进行高压气体吹扫或笤帚清理干净。待环氧砂浆完全硬化后,对修补的部位采用聚脲弹性体材料进行封闭性涂刷,涂刷2 遍,在涂刷过程中确保聚脲涂刷均匀平整并保证涂层与环氧砂浆接触面压实,不能出现气泡或杂物之类出现在涂层内,同时避免出现漏涂,孔洞等现象,涂刷完毕后注意隔离养护。

（6）养护

施工完成后,应立刻对该区域进行养护,养护期间应避免该区域受到扰动,并严禁淋雨。

环氧类修补材料一般为干硬性修补材料,对原结构材料基面浸润性较低或无润湿性。施工过程中在基面涂抹一薄层修补用的界面剂,以增加环氧修补材料与修补基面的粘接强度。涂刷界面剂时,应注意掌握涂刷界面剂的时间,涂刷时间应在对混凝土基面加热后,在混凝土基面不小于45℃的条件下进行涂刷,涂层力求薄而均匀,凹凸不平难于涂刷的地方,应反复多刷几次,界面剂厚度以不超过1 mm 为宜。涂刷后须间隔一定时间,界面剂中的气泡消除后并在初凝前（用手触摸有显著的拉丝现象时）填筑环氧砂浆。

3 效果评价

环氧砂浆法修复水库裙板解决了裙板的混凝土腐蚀、冲蚀磨损、钢筋生锈等问题,通过环氧砂浆法对裙板进行修复后,裙板的外观以及抗外界损坏能力大大提升。

通过现场结构检测,得出结论：

1）运用环氧砂浆材料修补裙板可使得裙板较混凝土材料抗冲耐磨能力与抗压强度明显增加；

2）且施工速度便利、快捷、工期短、维修费用低；

3）养护结束后,采用分取试块的形式对普通混凝土与环氧砂浆回填后的混凝土表面进行压力测试,结论为环氧砂浆的强度为70 MPa,是一般混凝土强度的3～5 倍。

4 结论

通过对环氧砂浆法修复水库裙板的工艺流程的论述,可以得出运用环氧砂浆材料修补法作为目前混凝土修复的主要工艺方法,其具有性价比高等特点。首先,环氧树脂的结构决定了其材料具有耐腐蚀、高温、绝缘、易于粘结等特点,且与固化剂结合后以高分子网状形式存在,使得其结构特点更为明显,使得修补后的裙板不易被腐蚀与损坏。其次,在裙板的修复工艺流程搭脚手架、排水导流、混凝土凿除与清理、环氧砂浆回填施工、养护所需人力物力较少,成本低廉。故由此可以得出环氧砂浆法修复裙板是一种易于实现、易于节省成本的工艺,且多种环氧砂浆材料如HK-UW-3 抗冲磨型环氧砂浆具有环保、实用等特点,也符合国家绿色环保施工的理念。