快速修復(fù)材料與既有混凝土協(xié)同工作的特性研究

陰 香

(中鐵十九局路橋八公司,遼寧 大連 116100)

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快速修復(fù)材料與既有混凝土協(xié)同工作的特性研究

陰 香

(中鐵十九局路橋八公司,遼寧 大連 116100)

摘要：為掌握結(jié)構(gòu)混凝土破損修復(fù)后的服役性能，進(jìn)行了快速修復(fù)材料與舊混凝土協(xié)同工作性能的系統(tǒng)研究。以環(huán)氧樹(shù)脂、乙二胺、丙酮為基體，設(shè)計(jì)了快速修復(fù)材料；對(duì)快速修復(fù)材料硬化漿體與既有混凝土的協(xié)同工作性，包括抗壓、抗折強(qiáng)度和穩(wěn)定性等指標(biāo)，進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，快速修復(fù)混凝土的協(xié)同抗壓和抗劈裂性能均得到提高，其中協(xié)同抗壓強(qiáng)度最高可提高80%，4 h的收縮值僅為0.095 mm，完全滿足結(jié)構(gòu)混凝土快速修復(fù)的要求。

關(guān)鍵詞：快速修復(fù)材料；既有混凝土；協(xié)同工作性；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，以結(jié)構(gòu)混凝土為主的各種建筑物如雨后春筍一般，在全國(guó)各地拔地而起。但在看到成就的同時(shí)，也要時(shí)刻具有未雨綢繆的憂慮意識(shí)。如戰(zhàn)時(shí)建筑物破壞，和平時(shí)期汶川地震及印度海嘯等自然災(zāi)害會(huì)對(duì)建筑物造成嚴(yán)重破壞。為了爭(zhēng)取戰(zhàn)時(shí)、搶救生命，結(jié)構(gòu)混凝土快速修復(fù)技術(shù)的重要性越來(lái)越凸顯，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞此方面開(kāi)展了一系列的研究。有的是針對(duì)修復(fù)工藝的，如司炳君教授[1]帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究了鋼筋混凝土橋墩地震破壞后的修復(fù)技術(shù)，側(cè)重點(diǎn)在于針對(duì)破壞機(jī)理，提出加固方案。張建立[2]研究了橋面快速修復(fù)時(shí)的支護(hù)措施。有的是針對(duì)快速修復(fù)材料的，如同濟(jì)大學(xué)的周正峰研制出一種水泥混凝土路面的快速修復(fù)材料，組成成分中沒(méi)有考慮環(huán)氧樹(shù)脂。東南大學(xué)的錢振東[3]研制了以環(huán)氧瀝青為主的橋面鋪裝磨損快速修復(fù)材料。楊霞[4]研制了針對(duì)伸縮縫的快速修復(fù)材料——聚氨酯混凝土。而國(guó)外在快速修復(fù)材料方面，研制產(chǎn)品的性價(jià)比小，如布朗公司[5]研制的一種彈性伸縮縫填充料；Delpatch T和德國(guó)巴斯夫公司研制的混凝土WaboCreteⅡ[6]。本文主要以環(huán)氧樹(shù)脂、乙二胺及丙酮為基體[7-8]，給出了其配合比，主要研究在目前配合比下快速修復(fù)材料與既有混凝土的協(xié)同工作性能。

1 試件制備

原材料分別為：雙酚A型E-44環(huán)氧樹(shù)脂(濟(jì)南天茂樹(shù)脂化工公司)；固化劑乙二胺(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)；稀釋劑丙酮，屬于非活性稀釋劑，它能夠降低環(huán)氧樹(shù)脂的黏度，增加流動(dòng)性，利于施工；粗集料采用4.75～19 mm混合粒級(jí)；細(xì)集料細(xì)度模數(shù)為2.4，且為河砂篩去0.16 mm的部分；填料為水泥；水為自來(lái)水。

按致密堆積確定的比例稱量石子、砂和水泥，快速修復(fù)材料和普通混凝土的配合比分別如表1所示，在容器內(nèi)將集料攪拌均勻。試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行水浴(70 ℃)加熱15～20 min后再稱量，便于施工[7-8]，然后稱量丙酮倒入環(huán)氧樹(shù)脂中攪拌；再稱量乙二胺倒入剛才配好的環(huán)氧樹(shù)脂和丙酮溶液中，再次攪拌均勻。把攪拌好的環(huán)氧樹(shù)脂膠凝材料緩慢地倒入裝有集料的容器中攪拌，使集料都被膠體包裹。將攪拌均勻的快速修復(fù)材料裝入試模中振蕩成型，振蕩分2次。最后對(duì)修復(fù)材料表面進(jìn)行刮平，清理。成型好的試件放入已經(jīng)調(diào)整好溫度的烘箱養(yǎng)護(hù)，注意試模要放平，否則容易造成試件表面不平整。拆下模具脫模，脫?？梢苑譃閮煞N:一種是等快速修復(fù)材料表面有一定的強(qiáng)度后拆模養(yǎng)護(hù);另一種是4 h后拆模。試件尺寸：抗壓與劈裂強(qiáng)度試件為150 mm×150 mm×150 mm，彈性模量試件為100 mm×100 mm×300 mm。

2 快速修復(fù)材料的粘結(jié)性能研究

2.1 與既有混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度研究

混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度是混凝土能否正常服役的重要力學(xué)指標(biāo)，此部分研究了環(huán)氧樹(shù)脂混凝土對(duì)快速修復(fù)材料與舊有混凝土的抗劈裂試驗(yàn)顯示，混凝土破壞都是從舊有混凝土或粘結(jié)面破壞，如圖1所示。說(shuō)明環(huán)氧混凝土不僅有比普通混凝土高的劈裂強(qiáng)度，而且能與其共同作用。從表2和表3中數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂混凝土與舊有混凝土一起使用提高了它的劈裂抗拉能力，數(shù)據(jù)中偶爾出現(xiàn)的降低從試驗(yàn)中看出是粘結(jié)的環(huán)氧混凝土不密實(shí)，導(dǎo)致劈裂時(shí)從粘結(jié)處斷開(kāi)。涂有環(huán)氧樹(shù)脂基液的混凝土試件粘結(jié)力較好，有效的提高了舊有混凝土的劈裂強(qiáng)度。

注：快速修復(fù)材料的溫度為35 ℃?；炷僚芽估瓘?qiáng)度的影響。結(jié)果如表2和表3所示。

表2 普通混凝土4 d劈裂荷載 kN

表3 快速修復(fù)材料修復(fù)舊有混凝土的劈裂數(shù)據(jù) kN

圖1 快速修復(fù)材料與舊有混凝土劈裂破壞

2.2 與既有混凝土的協(xié)同抗壓研究

環(huán)氧樹(shù)脂混凝土與舊有混凝土的協(xié)同抗壓能力非常好，如普通混凝土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為40 MPa，而協(xié)同抗壓的強(qiáng)度最高達(dá)到了72 MPa，如表4所示，平均值也比舊有混凝土高了50%以上。同時(shí)，進(jìn)一步研究了快速修復(fù)混凝土與舊有混凝土串聯(lián)受壓和并聯(lián)受壓對(duì)強(qiáng)度的影響差異性，即對(duì)兩種方式受壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得出的結(jié)論是受壓方式的不同對(duì)強(qiáng)度的影響并不顯著，即快速修復(fù)材料與舊有混凝土無(wú)論是串聯(lián)放置還是并聯(lián)放置，協(xié)同抗壓性能均良好(如表4所示)，且能有效提高普通混凝土的抗壓能力，因?yàn)樵诔惺芎奢d時(shí)環(huán)氧混凝土有效的分擔(dān)了普通混凝土所不能承受的壓力。但它們破壞時(shí)是一起破壞，只不過(guò)普通混凝土的裂縫要大且多于環(huán)氧混凝土，最值得關(guān)注的是裂縫沒(méi)有在粘結(jié)面處產(chǎn)生，如圖2所示。

表4 快速修復(fù)材料與舊有混凝土的抗壓數(shù)據(jù)　MPa

圖2 快速修復(fù)材料與舊有材料的抗壓破壞

從圖2可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂混凝土與舊有混凝土在一定的壓應(yīng)力下一起破壞。兩種混凝土都產(chǎn)生了裂縫，普通混凝土中的裂縫要多于環(huán)氧樹(shù)脂混凝土。另外，普通混凝土的表面有脫落的現(xiàn)象，而環(huán)氧樹(shù)脂混凝土裂縫周圍的組織還很密實(shí)。將試件串聯(lián)時(shí)，無(wú)環(huán)氧基液的和有環(huán)氧基液的試件在強(qiáng)度上并沒(méi)有顯著區(qū)別。另外，試件串聯(lián)和并聯(lián)對(duì)強(qiáng)度影響不顯著。

2.3 與既有混凝土的協(xié)同抗折研究

在環(huán)氧樹(shù)脂混凝土修復(fù)既有混凝土的研究中，其抗折性能表現(xiàn)如圖3和表5所示。

圖3 快速修復(fù)材料與舊有混凝土的抗折破壞

序號(hào)普通混凝土快速修復(fù)材料與普通混凝土聯(lián)合19.59.529.510312.710412.513.2511.412611.212

目前的數(shù)據(jù)顯示，修復(fù)后的抗折強(qiáng)度沒(méi)有明顯下降；更為關(guān)鍵的是其抗折破壞發(fā)生在既有混凝土(舊混凝土)中，并沒(méi)有從環(huán)氧樹(shù)脂混凝土中破壞。說(shuō)明所研制環(huán)氧樹(shù)脂混凝土在抗折性能方面，能夠滿足要求。

3 硬化體體積穩(wěn)定性的研究

3.1 無(wú)荷載條件下

混凝土在硬化過(guò)程中產(chǎn)生收縮過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重影響其力學(xué)性能及新舊混凝土的協(xié)同工作性能。采用千分表測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂混凝土在硬化過(guò)程中的收縮變化情況。

試驗(yàn)裝置如圖4所示，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

圖4 環(huán)氧樹(shù)脂混凝土變形測(cè)試

時(shí)間/h 00.511.522.533.5456702249627585929595959595

環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)放熱，因此在固化初期體積會(huì)膨脹，但測(cè)量時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。固化體冷卻后理論上會(huì)收縮，本試驗(yàn)用混凝土收縮膨脹儀測(cè)量。從表6中可以計(jì)算出，指針在4 h后移動(dòng)了95格，收縮值僅為0.095 mm。4 h后，千分表指針不動(dòng)，可見(jiàn)環(huán)氧樹(shù)脂固化后體積穩(wěn)定性相當(dāng)好，它不會(huì)因?yàn)槔鋮s而發(fā)生收縮，因此環(huán)氧樹(shù)脂混凝土在加載前不會(huì)因收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，保證了與舊有混凝土的粘結(jié)性。

3.2 受荷載條件下

環(huán)氧樹(shù)脂的硬化過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生較大的收縮，說(shuō)明其在硬化過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，有利于其與混凝土間的粘結(jié)。而受載條件下，如果要保證環(huán)氧樹(shù)脂混凝土具有較好的體積穩(wěn)定性，就必須要求環(huán)氧樹(shù)脂與混凝土基體具有較為接近的力學(xué)指標(biāo)——彈性模量。

3.2.1 環(huán)氧樹(shù)脂混凝土彈性模量

二相復(fù)合材料的彈性模量與其組分含量及組分各自彈性模量大小有關(guān)。相對(duì)于石英和石灰石而言，水泥石及樹(shù)脂固化體的彈性模量均較低，所以根據(jù)U.J.Counto模型，軟基體二相復(fù)合材料的彈性模量模型更為適合普通混凝土及樹(shù)脂混凝土的彈性模量。其彈性模量為：

(1)

式中:Ec為二相復(fù)合材料的彈性模量(GPa)；Ep為分散相彈性模量(GPa)；Em為連續(xù)相彈性模量(GPa)；Vp為分散相體積率。

由上式可見(jiàn)，欲提高軟基體二相復(fù)合材料的彈性模量，需提高基體相彈性模量，同時(shí)降低基體相體積率，提高分散相體積率。具體到樹(shù)脂混凝土，就是要降低樹(shù)脂用量，提高骨料用量。本研究采用致密堆積理論進(jìn)行修復(fù)材料配合比設(shè)計(jì)，可以從最大程度上降低填充空隙的樹(shù)脂用量，提高骨料用量，對(duì)提高修復(fù)材料的彈性模量，具有良好的作用。由此式計(jì)算出環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的彈性模量為12.4 GPa。

3.2.2 測(cè)定環(huán)氧樹(shù)脂的靜力受壓彈性模量

試件的設(shè)計(jì)使用正交設(shè)計(jì)選出的最優(yōu)配合比。其中3組用來(lái)測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度，如表7所示，另外3組用來(lái)測(cè)彈性模量，如表8所示。如果變形值之差與它們的平均值之比小于20%時(shí)，應(yīng)以相同的速率卸載，并進(jìn)行一次預(yù)壓。預(yù)壓結(jié)束后正式記錄數(shù)據(jù)。如果變形值之差與平均值之比大于20%時(shí)，應(yīng)重新對(duì)中試件后重復(fù)試驗(yàn)。

表7 軸心抗壓強(qiáng)度 MPa

表8 彈性模量測(cè)定數(shù)據(jù)

計(jì)算結(jié)果與普通混凝土的彈性模量相比，數(shù)量級(jí)相同，基本可以認(rèn)為快速修復(fù)材料與普通混凝土能夠協(xié)同工作?？焖傩迯?fù)混凝土的彈性模量比普通混凝土要低一點(diǎn)，這是由于環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)生成物的彈性模量較水泥漿體的彈性模量低，彈性模量的降低，在改善變形協(xié)調(diào)性方面是有利的，如在變溫條件下對(duì)應(yīng)力的吸收，可以一定程度上減少干縮裂縫和溫度裂縫的形成[9-10]。

4 機(jī)理分析

從環(huán)氧混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)來(lái)看，試驗(yàn)時(shí)存在與普通混凝土不同的現(xiàn)象。試件在最后階段承受壓力的情況下產(chǎn)生了變形，由此可見(jiàn)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土具有很好的韌性，在進(jìn)行的抗壓試驗(yàn)中，即使試件強(qiáng)度達(dá)到90 MPa，也不會(huì)產(chǎn)生崩裂脫落?？焖傩迯?fù)材料的受壓破壞都是集料中的石子受到相互的擠壓破壞，環(huán)氧樹(shù)脂膠凝材料與集料粘結(jié)面沒(méi)有脫落，環(huán)氧樹(shù)脂膠凝材料的彈性變形促使集料之間相互擠壓破碎。破壞過(guò)程分為：彈性變形、集料擠壓破碎、膠凝材料破壞。

試驗(yàn)時(shí)，裂縫都從舊有混凝土中產(chǎn)生，由此說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的抗折、劈裂強(qiáng)度比普通混凝土要高。在相同荷載情況下，破壞的當(dāng)然是舊有的混凝土。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的強(qiáng)度高達(dá)70 MPa，而舊有混凝土的強(qiáng)度為40 MPa?？箟浩茐臅r(shí)，兩者一起破壞，只是舊有混凝土中的裂縫要大且多于環(huán)氧樹(shù)脂混凝土。環(huán)氧樹(shù)脂混凝土與舊有混凝土一起并聯(lián)抗壓時(shí)，由于有相近的彈性模量，破壞時(shí)能夠一起破壞。

5 結(jié)論

本文通過(guò)大量的試驗(yàn)，對(duì)作為快速修復(fù)材料的環(huán)氧樹(shù)脂混凝土與既有混凝土的協(xié)同工作性能做了系統(tǒng)研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)由環(huán)氧樹(shù)脂(E-44)、固化劑乙二胺、稀釋劑丙酮和集料所組成的快速修復(fù)材料混合料能滿足4 h內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到50 MPa以上的快速修復(fù)施工需要。

(2)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土彈性模量與普通混凝土的數(shù)量級(jí)一致。

(3)快速修復(fù)材料能提高舊有混凝土的劈裂抗拉、抗折的能力；與舊有混凝土一起抗壓時(shí)，裂縫不會(huì)從粘結(jié)面上發(fā)生，具有協(xié)同工作性。

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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

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0019-05

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.005

作者簡(jiǎn)介：陰香(1977—)，女，工程師，主要從事高速鐵路預(yù)制箱梁和城市軌道交通專業(yè)的試驗(yàn)工作

收稿日期：2015-12-07