行业杂志
环氧树脂与混凝土界面粘结性能研究
发布时间: 2008-02-15

张涛1,2,翁强3


    (1.郑州大学,河南郑州450052;2.中国水利水电第十一工程局科研所,河南三门峡472000;3.上海争锐化工有限公司,上海201106)
    摘要:通过对影响环氧树脂与混凝土粘结性能的几个主要因素的试验研究和分析,得出结论:适宜粗糙、干燥、坚实的混凝土面、合适的环氧树脂材料与配合比以及合理、完善的施工工艺措施能够提高界面的粘结效果。
关键词:环氧树脂;混凝土;粘结强度
中图分类号:TQ323.5  文献标识码:A  文章编号:1002-7432(2006)04-0034-03

    0引言
    环氧树脂材料因高强、耐磨,抗渗、抗冻和抗冲击性能好等特点,愈来愈受到工程部门的重视,已经成为研究和应用发展最快的建筑材料之一。尤其是近几年,随着新型环氧材料的出现,环氧树脂材料在水利水电、工民建等各领域的工程应用也越来越多。但是,环氧树脂和混凝土是两种结构和性能截然不同的材料,收缩和变形性能存在很大差异,在固化过程中产生的应力由于受混凝土的制约而往往产生开裂和脱空现象[1]。因此,提高环氧树脂材料与混凝土的界面粘结是其在工程应用研究中的一个重要课题。本文通过室内试验和工程实践研究,分析讨论了影响环氧树脂和混凝土粘结的几个主要因素,探索提高环氧树脂和混凝土粘结力的有效途径。
    1实验部分
    1.1主要原材料
    改性E44环氧树脂:郑州大学、上海争锐化工有限公司;活性稀释剂501:上海争锐化工有限公司;活性增韧剂(912):自研制;非活性增韧剂(邻苯二甲酸二丁脂):上海溶剂厂生产;改性胺类固化剂:自研制;填料(70~100目石英砂),洛阳龙门砂厂生产。
    1.2测试方法
    1.2.1稠度
    按水泥砂浆稠度测试方法SD105-1982测试。
    1.2.2粘结强度
    本文中的粘结强度系指用环氧树脂配制成环氧树脂砂浆(EM)后的7d与混凝土的粘结测试结果;测试用混凝土极限拉伸试件,两块混凝土试件中间用填充粘结,测试试件见图1。
    1.2.3粘结拉拔强度
    为考察EM施工到混凝土面上的实际粘结效果,在EM施工层上直接测试界面粘结强度。首先在EM施工面上切割出1个Φ950mm的孤立待测面,切割透EM层并深及混凝土内5~10mm,用粘结拉拔仪(DYMAZ-15)测试EM与混凝土的粘结强度。
    1.2.4线性收缩率
    EM的线性收缩主要发生在固化反应阶段,尤其是反应的初级阶段。但是,目前国内尚没有一种固定的测试方法,参照国外标准和测试方法,我们自制了一套测试方法,步骤如下:1)制备1个带有2个无限制可以自由滑动的滑头和1个连接热电偶的钢槽,2个滑头上各连有1个精度为0.01mm的位移传感器;2)在钢槽内浇注EM,并使2个滑头分别紧紧地粘结在浇注的EM试件的两端;3)每隔5min记录1次传感器的位移读数和热电偶的温度读数,直到相邻2次的位移读数差<0.1mm时测试结束(随着固化反应速度的逐渐减慢,记录的间隔时间可以适当延长);4)线性收缩率计算S=[(δ1+δ2-Lm•△T•am)/Ls]×100%(式中δ1、δ2为2个传感器的最大读数, △T为热电偶示值的最大值与最小值之差,am为钢的热膨胀系数,Lm为EM试件的有效长度)。
    2试验结果与讨论
    2.1EM配合比对粘结强度的影响
    为了考察不同稠度EM对界面粘结强度的影响,通过改变填料与环氧浆材的比例,共设计了5组试验。试验结果见表1。
从表1可以看出,随EM稠度的增大,粘结强度也逐渐增大。这是由于EM对混凝土基面的浸润度增加的结果[1。但是,现有研究成果证明[2],随着稠度的增大,EM中的浆液相对增多,会导致体系的固化收缩应力增大。因此在考虑界面粘结效果的同时,EM的收缩应力也是一个不容忽视的问题,否则对粘结面的耐久性能会产生不利影响。
    表1 EM配合比对粘结强度的影响

填料:环氧

稠度/cm

粘结强度/MPa

破坏类型

2:1

6.8

7.2

内聚破坏

3:1

4.9

6.3

混合破坏

4:1

3.8

5.1

混合破坏

5:1

2.4

3.7

粘结破坏

6:1

1.6

2.2

粘结破坏

    注:内聚破坏指试验破坏在混凝土试件本体;混合破坏指试验部分破坏在混凝土本体,部分破坏在粘结面;粘结破坏指试验破坏在EM与混凝土的粘结界面。
    2.2不同类型增韧剂对粘结强度的影响
    为改善EM的脆性,常常在其中掺加一些增韧剂。增韧剂分活性增韧剂和非活性增韧剂。两类材料虽然都能够增加体系的柔韧性,但增韧机理截然不同。
    为论证两类增韧剂对界面粘结力的影响,在其它材料和配比相同的条件下,分别选用活性增韧剂912和常用的非活性增韧剂邻苯二甲酸二丁脂做对照试验,试验结果见表2。
    表2不同类型增韧剂对粘结性能的影响

粘结强度/MPa

试验龄期/d

28

60

180

360

912

5.50

5.68

5.60

5.62

二丁脂

5.42

5.31

4.52

4.11

    由表2试验结果可以看出,随着龄期的增长掺加非活性增韧剂EM的粘结强度逐渐降低,而掺加活性增韧剂EM的粘结强度略有增加。这是因为:非活性增韧剂虽能够与环氧树脂互相混溶,降低环氧树脂分子之间的相互作用力,对于短期内改善EM固化体系的脆性起一定作用,但是并不与固化剂发生化学反应,只是掺和在环氧树脂高分子骨架之间呈流动的液态。当固化后的EM受到外力压缩或拉伸时,环氧树脂高分子骨架间的二丁酯液滴就会流向压力较小的空间,致使环氧树脂高分子骨架之间形成空隙,造成固化体系抵御外力的能力下降。另外,EM中没有参与反应的液态增韧剂会慢慢溢出EM固化体系并挥发掉,时间愈长,溢出就愈多,随着液滴的溢出,固化体系骨架之间就会形成空隙,造成EM固化体系的薄弱环节,致使EM机械性能下降的矛盾更加突出,进一步降低EM的粘结性能,并使其热变形温度下降,固化收缩率增大等。而活性增韧剂的分子两端各有一个反应性的活性基团,能够与固化剂发生化学反应,将增韧剂分子链段——1种旋转活化能很低的柔性链参与到环氧树脂的三维网络结构中去。当受到外力而变形时,交联点之间的增韧剂柔性链段就会产生塑性变形,吸收消耗外力能量,提高抗冲击能力,受外力冲击或温度应力时,固化结构就会产生屈服,减弱体系的内部应力集中,利于提高粘结性能。
    2.3EM的反应热对粘结强度的影响
    EM的固化反应属于放热反应,反应中放热量的多少和放热的温度峰值高低都会对固化体系的性能产生很大影响[3]。固化反应过程中的放热峰值温度反映了固化体系在固化反应过程中由于反应放热而达到的最高温度。峰值温度愈高,固化反应愈剧烈,固化体系的分子链越短,结构的脆性越大,收缩率越大[3]。影响固化温度的主要因素是固化剂,试验研究中,通过对4种具有不同固化反应放热峰值温度的固化剂进行试验对比,分别测试它们的固化体系收缩率,结果见图2。固化体系在不同的反应阶段产生的应力也不相同,在体系温度高于T-g(玻璃化温度)阶段材料处于粘流态,分子链的变形和移动不受约束,不会产生收缩和应力,当温度降致Tg时,体系处于玻璃态,此时的收缩达到最大值,应力破坏也最为严重,且峰值温度与Tg的差值越大,应力破坏也越严重,影响界面的粘结强度。因此,在EM应用中固化剂的选择至关重要。
    2.4混凝土表面湿度对粘结强度的影响
混凝土是多孔性材料,表面具有较高的界面能,内部的毛细管和表面极易吸附大量的水分子,并在混凝土的表面形成水膜,降低结合面的界面能,不利于EM对混凝土的浸润,降低粘结力。另外,混凝土表面吸附的水中含有大量的Ca(OH)2使水液呈碱性,在碱性环境中环氧树脂的有效基团会受到破坏,并引起分子链的断裂,降低EM的粘结力。从表3可以看出,混凝土表面的含水率越低,界面的粘结强度越高。
    表3混凝土表面湿度对粘结强度的影响

表面状态

水中粘结

饱和面干

相对湿度(60%)

干燥

粘结强度/MPa

1.3

2.1

3.9

5.8

    2.5混凝土表面粗糙度对粘结强度的影响
    工程施工中为提高界面粘结力,常对混凝土面进行糙化处理。糙化处理能够得到净化的混凝土表面,提高界面能,增大EM对其的浸润度;同时又能够改变表面的状态和应力分布,阻碍外力作用下的裂纹扩展,利于提高界面粘结强度。
    表4混凝土表面粗糙度对粘结强度的影响

表面状态

未处理

钢丝刷刷毛

机械凿毛

人工凿毛

风沙喷毛

室内试验

1.0*

1.3*

-

2.8

5.6

现场试验

0.8*

1.1*

1.8

2.1

3.4

注:“*”表不粘结破坏,其余为内聚破坏。
    表4中试验结果表明,对混凝土表面进行糙化处理能够提高界面的粘结强度。但是,不同的表面糙化方法对粘结强度的提高程度也不相同。较弱的处理方法由于不易处理干净表面的薄弱层和污染物而达不到理想效果,而过强的凿毛方式易于对骨料产生扰动,降低界面的粘结力。因此,在工程实践中针对混凝土面的具体情况采用合适的混凝土表面处理方法是十分必要的。

    3结语
    a.随EM稠度的减小,粘结强度增大,但收缩应力也会随之增大,合适的材料配比是提高粘结强度和耐久性的必要条件。
    b.EM的固化放热会对粘结强度产生不利影响,选用合适的固化剂、降低放热温度峰值是提高粘结力的有效途径之一。
    c.界面的湿度越大,粘结强度越低。
    d.合适的表面糙化处理能够提高界面的粘结强度。

参考文献:
[1]买淑芳.混凝土聚合物复合材料及其应用[M].北京:科学技术出版社,1996.
[2]王德中.环氧树脂生产与应用[M].北京:化学工业出版社,2001.
[3]陈平,刘胜平.环氧树脂[M].北京:化学工业出版社,1999.

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