環(huán)氧樹脂與混凝土界面粘結(jié)(一)

    環(huán)氧樹脂材料因高強(qiáng)、耐磨，抗?jié)B、抗凍和抗沖擊性能好等特點，愈來愈受到工程部門的重視，已經(jīng)成為研究和應(yīng)

    環(huán)氧樹脂材料因高強(qiáng)、耐磨，抗?jié)B、抗凍和抗沖擊性能好等特點，愈來愈受到工程部門的重視，已經(jīng)成為研究和應(yīng)用發(fā)展最快的建筑材料之一。尤其是近幾年隨著新型環(huán)氧材料的出現(xiàn)，環(huán)氧樹脂材料在水利水電、工民建等各領(lǐng)域的工程應(yīng)用也越來越多。但是環(huán)氧樹脂和混凝土是兩種結(jié)構(gòu)和性能截然不同的材料，收縮和變形性能存在很大差異，在固化過程中產(chǎn)生的應(yīng)力由于受混凝土的制約而往往產(chǎn)生開裂和脫空現(xiàn)象。因此提高環(huán)氧樹脂材料與混凝土的界面粘結(jié)是其在工程應(yīng)用研究中的一個重要課題，室內(nèi)試驗和工程實踐研究，分析討論了影響環(huán)氧樹脂和混凝土粘結(jié)的幾個主要因素，探索提高環(huán)氧樹脂和混凝土粘結(jié)力的有效途徑。

    一、實驗部分

    1、主要原材料

    改性E44環(huán)氧樹脂：活性稀釋劑692：活性增韌劑(912)：自研制；非活性增韌劑(鄰苯二甲酸二丁脂)：上海溶劑廠生產(chǎn)；改性胺類固化劑：自研制；填料(70～100目石英砂)。

    2、測試方法

    (1)稠度

    按水泥砂漿稠度測試方法SD105-1982測試。

    (2)粘結(jié)強(qiáng)度

    本文中的粘結(jié)強(qiáng)度系指用環(huán)氧樹脂配制成環(huán)氧樹脂砂漿(EM)后的7d與混凝土的粘結(jié)測試結(jié)果；測試用混凝土極限拉伸試件，2塊混凝土試件中間用填充粘結(jié)，測試試件見圖1。

    (3)粘結(jié)拉拔強(qiáng)度

    為考察EM施工到混凝土面上的實際粘結(jié)效果，在EM施工層上直接測試界面粘結(jié)強(qiáng)度。首先在EM施工面上切割出1個Φ950mm的孤立待測面，切割透EM層并深及混凝土內(nèi)5～10mm，用粘結(jié)拉拔儀(DYMAZ-15)測試EM與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

    (4)線性收縮率

    EM的線性收縮主要發(fā)生在固化反應(yīng)階段，尤其是反應(yīng)的初級階段。但是目前國內(nèi)尚沒有一種固定的測試方法，參照國外標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，我們自制了一套測試方法，步驟如下：1)制備1個帶有2個無限制可以自由滑動的滑頭和1個連接熱電偶的鋼槽，2個滑頭上各連有1個精度為0.01mm的位移傳感器；2)在鋼槽內(nèi)澆注EM，并使2個滑頭分別緊緊地粘結(jié)在澆注的EM試件的兩端；3)每隔5min記錄1次傳感器的位移讀數(shù)和熱電偶的溫度讀數(shù)，直到相鄰2次的位移讀數(shù)差<0.1mm時測試結(jié)束(隨著固化反應(yīng)速度的逐漸減慢，記錄的間隔時間可以適當(dāng)延長)；4)線性收縮率計算S=[(δ1+δ2-Lm?△T?am)/Ls]×100%(式中δ1、δ2為2個傳感器大的讀數(shù)，△T為熱電偶示值的zui大值與最小值之差，am為鋼的熱膨脹系數(shù)，Lm為EM試件的有效長度)。

      三、試驗結(jié)果與討論

    1、EM配合比對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    為了考察不同稠度EM對界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，通過改變填料與環(huán)氧漿材的比例，共設(shè)計了5組試驗。試驗結(jié)果見表1。

    從表1可以看出，隨EM稠度的增大，粘結(jié)強(qiáng)度也逐漸增大。這是由于EM對混凝土基面的浸潤度增加的結(jié)果。但是，現(xiàn)有研究成果證明，隨著稠度的增大，EM中的漿液相對增多，會導(dǎo)致體系的固化收縮應(yīng)力增大。因此在考慮界面粘結(jié)效果的同時，EM的收縮應(yīng)力也是一個不容忽視的問題，否則對粘結(jié)面的耐久性能會產(chǎn)生不利影響。

表1 EM配合比對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    注：內(nèi)聚破壞指試驗破壞在混凝土試件本體；混合破壞指試驗部分破壞在混凝土本體，部分破壞在粘結(jié)面；粘結(jié)破壞指試驗破壞在EM與混凝土的粘結(jié)界面。

    2、不同類型增韌劑對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    為改善EM的脆性常常在其中摻加一些增韌劑。

    增韌劑分活性增韌劑和非活性增韌劑。兩類材料雖然都能夠增加體系的柔韌性，但增韌機(jī)理截然不同。

    為論證兩類增韌劑對界面粘結(jié)力的影響，在其它材料和配比相同的條件下，分別選用活性增韌劑912和常用的非活性增韌劑鄰苯二甲酸二丁脂做對照試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同類型增韌劑對粘結(jié)性能的影響

    由表2試驗結(jié)果可以看出，隨著齡期的增長摻加非活性增韌劑EM的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，而摻加活性增韌劑EM的粘結(jié)強(qiáng)度略有增加。這是因為：非活性增韌劑雖能夠與環(huán)氧樹脂互相混溶，降低環(huán)氧樹脂分子之間的相互作用力，對于短期內(nèi)改善EM固化體系的脆性起一定作用，但是并不與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是摻和在環(huán)氧樹脂高分子骨架之間呈流動的液態(tài)。當(dāng)固化后的EM受到外力壓縮或拉伸時，環(huán)氧樹脂高分子骨架間的二丁酯液滴就會流向壓力較小的空間，致使環(huán)氧樹脂高分子骨架之間形成空隙，造成固化體系抵御外力的能力下降。

    另外EM中沒有參與反應(yīng)的液態(tài)增韌劑會慢慢溢出EM固化體系并揮發(fā)掉，時間愈長溢出就愈多，隨著液滴的溢出，固化體系骨架之間就會形成空隙，造成EM固化體系的薄弱環(huán)節(jié)，致使EM機(jī)械性能下降的矛盾更加突出，進(jìn)一步降低EM的粘結(jié)性能，并使其熱變形溫度下降、固化收縮率增大等。這時而活性增韌劑的分子兩端各有一個反應(yīng)性的活性基團(tuán)，能夠與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將增韌劑分子鏈段——旋轉(zhuǎn)活化能很低的柔性鏈參與到環(huán)氧樹脂的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去。當(dāng)受到外力而變形時，交聯(lián)點之間的增韌劑柔性鏈段就會產(chǎn)生塑性變形，吸收消耗外力能量、提高抗沖擊能力，受外力沖擊或溫度應(yīng)力時固化結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生屈服，減弱體系的內(nèi)部應(yīng)力集中、利于提高粘結(jié)性能。

環(huán)氧樹脂與混凝土界面粘結(jié)（三）

    3、EM的反應(yīng)熱對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    EM的固化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反應(yīng)中放熱量的多少和放熱的溫度峰值高低都會對固化體系的性能產(chǎn)生很大影響。固化反應(yīng)過程中的放熱峰值溫度反映了固化體系在固化反應(yīng)過程中由于反應(yīng)放熱而達(dá)到的最高溫度。峰值溫度愈高固化反應(yīng)愈劇烈，固化體系的分子鏈越短結(jié)構(gòu)的脆性越大、收縮率越大。影響固化溫度的主要因素是固化劑，試驗研究中通過對4種具有不同固化反應(yīng)放熱峰值溫度的固化劑進(jìn)行試驗對比，分別測試它們的固化體系收縮率，結(jié)果見圖2。固化體系在不同的反應(yīng)階段產(chǎn)生的應(yīng)力也不相同，在體系溫度高于T-g(玻璃化溫度)階段材料處于粘流態(tài)，分子鏈的變形和移動不受約束、不會產(chǎn)生收縮和應(yīng)力，當(dāng)溫度降致Tg時體系處于玻璃態(tài)，此時的收縮達(dá)到頂端值、應(yīng)力破壞也最為嚴(yán)重，且峰值溫度與Tg的差值越大應(yīng)力破壞也越嚴(yán)重，影響界面的粘結(jié)強(qiáng)度。因此在EM應(yīng)用中固化劑的選擇至關(guān)重要。

    4、混凝土表面濕度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    混凝土是多孔性材料、表面具有較高的界面能，內(nèi)部的毛細(xì)管和表面極易吸附大量的水分子，并在混凝土的表面形成水膜，降低結(jié)合面的界面能，不利于EM對混凝土的浸潤降低粘結(jié)力。另外混凝土表面吸附的水中含有大量的Ca(OH)2使水液呈堿性，在堿性環(huán)境中環(huán)氧樹脂的有效基團(tuán)會受到破壞，并引起分子鏈的斷裂、降低EM的粘結(jié)力。從表3可以看出混凝土表面的含水率越低，界面的粘結(jié)強(qiáng)度越高。

表3 混凝土表面濕度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    5、混凝土表面粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

    工程施工中為提高界面粘結(jié)力，常對混凝土面進(jìn)行糙化處理。糙化處理能夠得到凈化的混凝土表面，提高界面能、增大EM對其的浸潤度；同時又能夠改變表面的狀態(tài)和應(yīng)力分布，阻礙外力作用下的裂紋擴(kuò)展，利于提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。

表4 混凝土表面粗糙度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響

   注：“*”表不粘結(jié)破壞，其余為內(nèi)聚破壞。

    表4中試驗結(jié)果表明，對混凝土表面進(jìn)行糙化處理能夠提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度。但是不同的表面糙化方法對粘結(jié)強(qiáng)度的提高程度也不相同。較弱的處理方法由于不易處理干凈表面的薄弱層和污染物而達(dá)不到理想效果，而過強(qiáng)的鑿毛方式易于對骨料產(chǎn)生擾動，降低界面的粘結(jié)力。因此，在工程實踐中針對混凝土面的具體情況，采用合適的混凝土表面處理方法是十分必要的。

    四、結(jié)語

    1、隨EM稠度的減小，粘結(jié)強(qiáng)度增大，但收縮應(yīng)力也會隨之增大，合適的材料配比是提高粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性的必要條件。

    2、EM的固化放熱會對粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，選用合適的固化劑、降低放熱溫度峰值是提高粘結(jié)力的有效途徑之一。

    3、界面的濕度越大，粘結(jié)強(qiáng)度越低。

    4、合適的表面糙化處理能夠提高界面的粘結(jié)強(qiáng)度。