张永辉 宋亚涛 丁清杰 赵付凯
中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001
摘要：利用疏水剂对环氧固化剂进行疏水化改性，并考察活性硅微粉、硅烷偶联剂的添加对水下环氧砂浆性能的影响，将开发的水下环氧固化剂应用于水下混凝土的缺陷修复，28天龄期后水下环氧砂浆与水下混凝土的粘接强度达到3.0MPa以上，并表现出良好的耐久性。开发的水下环氧砂浆在低温水下具有良好的抗分散性、稳定性及自流平性，在水下混凝土构筑物的缺陷修复中具有广阔的应用前景。
关键词：水下混凝土构筑物；缺陷修复；水下环氧砂浆；水下施工
Development and Application of Underwater Epoxy Mortar
Song Yatao，Zhang Yonghui，Ding Qingjie，Zhao Fukai
（SINOHYDRO BUREAU 11 CO.，LTD.，Zhengzhou，Henan，45000）
Abstract：Hydrophobization of epoxy curing agents was carried on using hydrophobic agents，and the influence of the addition of active silicon fine powder and silane coupling agent on the performance of the underwater epoxy mortar was examined.When applied to the repair of underwater concrete defects，the bonding strength between underwater epoxy mortar and underwater concrete reached more than 3.0 MPa after 28 days of age，and showed good durability.The underwater epoxy mortar developed has good anti-dispersion，stability and self-leveling properties in low-temperature water that demonstrates a broad application prospect in the defects repair of underwater concrete structures.
Key words：underwater concrete structures，defect repair，underwater epoxy mortar，underwater construction
1 引言
水下混凝土构筑物由于长期处于水下环境，在运行过程中反复遭到水流（特别是高速水流）的冲刷、侵蚀以及砂石的磨损，很容易发生冲刷破坏，形成冲坑或掏洞，造成骨料、钢筋的裸露甚至缺失［1］，如此长久发展下去将改变混凝土结构的受力情况，给水下混凝土构筑物的安全运行带来严重的安全隐患，需要及时对产生的缺陷部位进行修补。
环氧类修补材料得益于其优异的粘接性能、突出的力学性能以及固化收缩率小等特点，在混凝土缺陷修复中发挥了重要作用［2］。但是，水下混凝土结构由于表面的强极性，往往吸附着一层水膜，相当于在混凝土粘接面上形成了一层薄弱的表面层，如果直接将普通的环氧混凝土（砂浆）用于水下混凝土缺陷的修复，不但会出现材料水下抗分散性差，发生骨料与胶材间的离析现象，还会大大降低修补材料与混凝土表面的粘接强度，直接影响到混凝土缺陷的修复效果。常规施工过程中，为了保证修复效果往往需要将待施工部位的水放空，人为的去创造干燥的作业环境，这样必将耗费大量的人力、物力及时间。如果能够开发出一款可以直接应用于水下环境的环氧砂浆修复材料，并具有良好的修复效果，必将有利的推动水下混凝土缺陷修复技术的发展。
本研究通过对环氧固化剂进行疏水化改性，并通过活性硅微粉和硅烷偶联剂的添加来提高水下环氧砂浆的水下抗分散性以及对水下混凝土界面的粘附，制备出可直接用于水下修补的环氧砂浆，28天龄期后与混凝土界面的粘接强度达到3.0MPa以上，并表现出良好的耐久性。
2 实验
2.1实验材料
本文中所涉及的主要材料及试剂见表1所示。
2.2检测方法
2.2.1 试块制备
1）参照《聚合物改性水泥砂浆试验规程 DL T 5126-2001》制备粘接试块，下部试块采用强度等级大于C50的混凝土试块，尺寸为70mm×70mm×20 mm，上部为水下环氧砂浆试块，尺寸为40 mm×40mm×10 mm，试块在12℃±1℃水温下进行成型并养护，成型时水面保持水面距离试模上表面距离大于100mm。
2）水下环氧砂浆抗拉、抗压试块参考《环氧树脂砂浆技术规程 DL T 5193-2004》制备，并与粘接试块共同成型、养护。
2.2.2强度检测
1）使用WES-600B型万能材料试验机对到达龄期后的粘接试块进行粘接强度测试，加荷速度为1500N/min～2000 N/min，直至试件破坏，记录破坏载荷及试块破坏情况。
2）使用CMT-100型电子万能试验机（SSYZS/A-070）对试块的抗拉强度进行测试，加荷速度为1mm/min；使用YAW-300C全自动压力试验机（SSYZS/A-191）对试块的抗压强度进行测试，加荷速度为2400N/min，记录破坏载荷及试块破坏情况。
2.3.水下环氧砂浆的研制
2.3.1环氧固化剂疏水化改性对水下环氧砂浆性能的影响
固化剂对环氧树脂组成物的工艺性以及固化产物的最终性能起到决定性的作用，可与环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物，把复合材料包络在网状体中，使线性树脂变成坚韧的体型固体。本文选用的环氧固化剂为脂环族改性酚醛胺类环氧固化剂，固化剂分子链上含有活性羟基，因此利用疏水剂上的三甲氧基硅烷与固化剂分子链上的羟基进行接枝反应，制备疏水化改性的水下环氧固化剂。改性过程在常温下进行，即：使用丙酮或乙酸乙酯将环氧固化剂稀释，加入固化剂0.5%～2.0%质量分数的疏水剂并均匀搅拌，加入疏水剂20%质量分数的水，常温条件下搅拌反应1小时，即可得到疏水化改性的环氧固化剂。
2.3.3硅烷偶联剂的添加对水下环氧砂浆性能的影响
偶联剂是能提高树脂与固体表面粘接强度的界面活性剂，常用的偶联剂主要有硅烷、铬络合物、钛酸酯和磷酸酯等类型。其分子结构中具有两种性质截然不同的官能团，一个基团能够亲无机物，可以和无机物表面起化学反应，另一个基团能够亲有机物，能与树脂等聚合物发生化学反应，或者通过生成氢键溶于其中。硅烷偶联剂的添加可以改善填料在树脂中的分散性和粘合力，改善树脂混合物与无机基体界面间的相容性，进而提高树脂基体与无机界面的粘接强度，其作用机理如图2所示。本研究添加树脂质量分数1%～3%的端氨基硅烷偶联剂配制水下环氧砂浆，环氧固化剂为经过疏水化改性的水下环氧固化剂，参考配方同参考配方1，各组分用量根据拌合物的最终状态进行适当调节，以满足施工工艺要求。
图2 硅烷偶联剂增强树脂混合物与无机界面相容性作用机理图
3 结果
3.1.1环氧固化剂改性对水下环氧砂浆性能的影响
对添加经过疏水化改性的水下环氧固化剂后配制的水下环氧砂浆a进行性能检测，并与普通环氧砂浆进行性能对比，结果如表1所示。
表1 环氧固化剂疏水化改性对水下环氧砂浆性能的影响
检测项目实测数据
粘接强度（28d，MPa）水下环氧砂浆a2.1
普通砂浆0.9
抗拉强度（28d，MPa）水下环氧砂浆a8.5
普通砂浆17.8
抗压强度（28d，MPa）水下环氧砂浆a65.7
普通砂浆97.5
通过表1可以看出，经过改性后的水下环氧砂浆a相对于普通环氧砂浆对水下混凝土试块的粘接强度有明显提高，达到2.1MPa，但试块的抗拉强度、抗压强度相对于普通环氧砂浆有一定的降低。水下环氧砂浆在12℃左右的水下环境中固化时间在1h左右，自流平性良好，抗分散性和稳定性相较普通环氧砂浆有一定提高，但依然存在浸水后出现轻微的松散、泛白的现象。
3.1.2活性硅微粉的添加对水下环氧砂浆性能的影响
对添加活性硅微粉作为部分骨料的改性水下环氧砂浆b进行性能检
测，并与水下环氧砂浆a进行性能对比，结果如表2所示。
添加活性硅微粉作为部分填料，配制的水下环氧砂浆b入水后的抗分散性和稳定性有了明显的改善，砂浆的力学性能见表2所示，可以看出活性硅微粉的添加既提高了水下环氧砂浆对混凝土基面的粘接性能，又提高了砂浆的抗拉和抗压强度，这与砂浆的水下抗分散性和稳定性的提高是相对应的。
表2 活性硅微粉的添加对水下环氧砂浆性能的影响
检测项目实测数据
粘接强度（28d，MPa）水下环氧砂浆b2.8
水下环氧砂浆a2.1
抗拉强度（28d，MPa）水下环氧砂浆b10.3
水下环氧砂浆a8.5
抗压强度（28d，MPa）水下环氧砂浆b98.2
水下环氧砂浆a65.7
3.1.3硅烷偶联剂的添加对水下环氧砂浆性能的影响
对硅烷偶联剂的改性水下环氧砂浆c进行性能检测，并与水下环氧砂浆b进行性能对比，结果如表3所示。
表3 硅烷偶联剂的添加对水下环氧砂浆性能的影响
检测项目实测数据
粘接强度（28d，MPa）水下环氧砂浆c3.2
水下环氧砂浆b2.8
抗拉强度（28d，MPa）水下环氧砂浆c10.7
水下环氧砂浆b10.3
抗压强度（28d，MPa）水下环氧砂浆c96.3
水下环氧砂浆b98.2
硅烷偶联剂的添加可以明显改善各组分的拌和性能，且拌和的水下环氧砂浆c在拌和和模拟施工过程中不粘工器具，施工性能得到明显提高，砂浆入水后的抗分散性和稳定性良好。水下环氧砂浆c的力学性能见表3所示，可以看出添加硅烷偶联剂后砂浆与混凝土基面的粘接强度有一定的增长，并达到3.2MPa，砂浆的抗拉、抗压强度则与水下环氧砂浆b相近。
综上，通过对环氧固化剂进行疏水化改性，并添加活性硅微粉和硅烷偶联剂，开发出的水下环氧砂浆的水下应用性能有了明显的提高，与混凝土基面的粘接强度达到3.2MPa，抗拉和抗压强度分别达到10.7MPa、96.3MPa，能够较好满足水下施工的技术要求。试块水下养护8个月后的各项性能指标没有发生明显改变，与混凝土的粘接强度依然大于3.0MPa，表现出良好的耐久性。
4总结
本研究通过使用疏水剂对脂环族改性酚醛胺类环氧固化剂进行疏水化改性，添加5%～15%质量分数的活性硅微粉作为部分骨料以及环氧树脂质量分数1%～3%的端氨基硅烷偶联剂，开发的水下环氧砂浆在低温水下具有良好的抗分散性、稳定性和自流平性，水下施工性能良好，28天龄期后与水下混凝土界面的粘接强度达到3.0MPa以上，并表现出良好的耐久性，在水下混凝土构筑物缺陷修复中具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]宋旭青，迟俊兰.水下混凝土结构损伤修补技术[J].大坝与安全，2010（6）：46-49.
[2]张涛，郭双.新型NE环氧树脂砂浆的研制及其在水利水电工程中的应用[J].新型建筑材料，2011，38（11）：94-97.
作者简介：张永辉（1988-），男，河南，工程师，主要从事材料开发与工程应用。E_mail：yunzhizu@126.com
论文作者:张永辉,宋亚涛,丁清杰,赵付凯
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第17期
论文发表时间:2019/3/19
标签：水下论文; 砂浆论文; 环氧论文; 固化剂论文; 疏水论文; 混凝土论文; 性能论文; 《建筑细部》2018年第17期论文;