桥梁裂缝修复用新型环氧树脂修补材料性能研究

雷 镭

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

0 引言

受车辆荷载和桥梁使用年限过长等因素的影响，我国很多混凝土结构桥梁出现了开裂问题，严重威胁到桥梁长久使用以及车辆行驶安全[1-3]。因此，研究并开发出快速、有效的混凝土裂缝修复技术非常重要。

目前，我国学者对混凝土裂缝的修复工作展开了大量的研究。常见的混凝土裂缝修补技术有化学注浆技术、微生物修复技术以及破碎再浇筑技术[4-8]。在这些常见技术中，化学注浆技术是成本较低、效果较好且比较快捷的混凝土修复技术，因此被广为应用。常见的注浆修复材料是环氧树脂胶（EP），具有修复速度快、胶体材料成本低等优势[9-11]。但是，EP 材料的修补效果却常常存在一定的局限性，因此需要对其进行改良。本文利用粉煤灰活性掺和料，基于室内试验论证了新型FAEP 材料相较于普通EP 材料的优势，并指出了新型FAEP 材料中粉煤灰的最优掺量。研究成果可为我国桥梁混凝土裂缝修复工作提供技术支撑。

1 修补材料制备

本次研究所制备的FAEP材料的主要成分包括环氧树脂、乳化剂和固化剂，此3种材料均从商业渠道选购，基本技术指标见表1。此外，改性材料使用粉煤灰活性掺和料，其主要化学成分为SiO2（53.64%）、Al2O3（30.54%）、FeO（9.32%）、CaO（4.56%）及其他（1.94%）。本次研究共设计了5 组不同粉煤灰掺量的FAEP 材料，粉煤灰掺量分别为0（对照组）、2.5%、5%、7.5%和10%，深入分析了不同粉煤灰活性料含量下的FAEP修补材料的工程性能。

表1 环氧树脂、乳化剂和固化剂物理化学性质

2 试验设计

本次对5 组不同粉煤灰掺量的FAEP 材料展开综合性能试验，具体包括：单轴抗压强度试验、粘结强度试验和干缩率试验，上述试验均是按照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999）等相关试验标准和规范要求展开。利用YAW-2000 型万能液压试验机（如图1）对养护28d后的FAEP砂浆开展单轴抗压强度试验。

图1 YAW-2000型万能液压试验机

利用FAEP 材料粘结已养护28d 的混凝土块，粘结后再养护28d，然后开展粘结强度试验；干缩试验则是将材料放入干缩室后定期测量材料的长度，以测定其干缩率。

3 试验结果分析

3.1 单轴抗压强度分析

基于养护28d后新型FAEP材料的单轴压缩力学试验，得到不同粉煤灰掺量下FAEP材料单轴抗压强度变化曲线如图2所示。由图2可知，随着粉煤灰掺量的不断增大，新型FAEP材料的单轴抗压强度呈现出不断降低的变化趋势，粉煤灰的掺入对修补材料的抗压能力具有一定的不利影响。对于不掺粉煤灰的EP 修补材料，其单轴抗压强度为45.32MPa；随着粉煤灰掺量的不断增大，新型FAEP 材料的抗压强度则分别下降到了42.08MPa、39.25MPa、34.12MPa 以及30.09MPa，分别较对照组试样下降了7.15%、13.39%、24.71%和33.61%。分析认为，在水化过程中，环氧树脂中存在大量的亲水基，会在固-液交互界面产生吸附作用，水泥产物被包裹，阻碍水化反应。在掺入粉煤灰后，水泥含量大量减少，在水化过程中部分粉煤灰参与水化反应，因此，掺粉煤灰后新型FAEP材料的单轴抗压强度逐渐降低。

图2 不同粉煤灰掺量下养护28d的FAEP材料单轴抗压强度变化曲线

进一步对新型FAEP材料的单轴压缩强度与粉煤灰掺量之间的关系进行拟合，拟合结果如图2所示。由图2可知，新型FAEP材料的单轴抗压强度与粉煤灰掺量之间成负线性相关关系，即，新型FAEP材料的单轴抗压强度随粉煤灰掺量增大而成线性递减关系。拟合效果良好，线性相关系数R2达到0.9889。

3.2 粘结强度分析

对养护28d后的新型FAEP材料进行粘结强度力学试验，得到不同粉煤灰掺量下粘结强度变化曲线，如图3所示。由图3 可知，随着粉煤灰掺量的不断增大，新型FAEP 材料的粘结强度呈现出先增大后降低的变化趋势，粉煤灰的掺入对修补材料的粘结能力的影响较为复杂。对于不掺粉煤灰的EP 修补材料，其粘结强度为3.98MPa；随着粉煤灰掺量的不断增大，新型FAEP材料的粘结强度则分别变为4.72MPa、5.12MPa、4.65MPa 以及4.11MPa。当粉煤灰掺量为5%时，新型FAEP材料的粘结强度相较于对照组提高了28.64%。分析认为，在水化过程中，环氧树脂中存在大量的亲水基，因此具有一定的保水作用，可有效降低修补界面砂浆泌水。在掺入粉煤灰后，粉煤灰会与环氧树脂相互补充，减少了粘结界面的缺陷，因此提高了FAEP材料的粘结强度；而当粉煤灰掺量过高时，环氧树脂的亲水作用被抑制，因此FAEP材料的粘结强度出现了降低。

图3 不同粉煤灰掺量下养护28d的FAEP材料粘结强度变化曲线

进一步对新型FAEP材料的粘结强度与粉煤灰掺量之间的关系进行拟合，拟合结果如图3所示。由图可知，新型FAEP材料的粘结强度与粉煤灰掺量之间成二次函数关系，即，新型FAEP材料的粘结强度随粉煤灰掺量增大而先增大后减小。拟合效果良好，线性相关系数R2达到0.9629。

3.3 干缩性分析

新型FAEP材料干缩率随粉煤灰掺量及干缩时间变化关系见表2。由表2 可知，对于不同粉煤灰掺量的FAEP 材料，其干缩率随干缩时间的变化均呈现出相同的变化趋势。随着干缩时间的增长，新型FAEP修补材料干缩率逐渐增大，但增长速率越来越慢。由表2可知，当干缩时间达到28d后，随着粉煤灰掺量的增大，材料的最终干缩率呈现出先降低后升高的变化趋势。当粉煤灰掺量为5%时，其最终干缩率最低，仅有4.76%。由此可见，新型FAEP材料的抗干缩变形能力呈现出先增强后变弱的变化趋势。分析认为，当掺入一定的粉煤灰后，砂浆中水泥的含量便有所降低，因此降低了水化反应的发生程度，而由于粉煤灰的比表面积较小，降低了水的吸附能力，因此新型FAEP修补材料的收缩能力降低；而当粉煤灰掺量过大，导致材料亲水性差，水化反应不充分，新型FAEP修补材料的干缩性也就增大了。

表2 新型FAEP材料干缩率随粉煤灰掺量及养护时间变化关系

4 结束语

基于室内单轴压缩试验、粘结强度试验以及干缩性试验，对比分析了新型FAEP材料与普通环氧树脂的工程性能，并深入研究了粉煤灰掺量对新型FAEP材料应用性能的影响。研究结论如下：

（1）粉煤灰的掺入对新型FAEP材料的抗压能力具有一定的不利影响。对于不掺粉煤灰的EP 修补材料，其单轴抗压强度为45.32MPa；随着粉煤灰掺量的不断增大，新型FAEP材料的抗压强度，分别较对照组试样下降了7.15%、13.39%、24.71%和33.61%。

（2）新型FAEP材料的粘结强度与粉煤灰掺量之间成二次函数关系。新型FAEP材料的粘结强度随粉煤灰掺量增大而先增大后减小。不同粉煤灰掺量条件下，新型FAEP 材料的粘结强度分别为3.98MPa、4.72MPa、5.12MPa、4.65MPa以及4.11MPa。

（3）新型FAEP材料的抗干缩变形能力呈现出先增强后变弱的变化趋势。当干缩时间达到28d后，随着粉煤灰掺量的增大，材料的最终干缩率呈现出先降低后升高的变化趋势。当粉煤灰掺量为5%时，其最终干缩率最低，仅有4.76%。