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阳离子水性环氧树脂灌浆材料性能研究
发布时间: 2015-04-15

  以阳离子型水性环氧树脂为主剂,开发出一种新型的阳离子型水性环氧树脂灌浆材料。研究了含水量、交联剂、引发剂、促进剂、缓凝剂对阳离子型水性环氧树脂灌浆材料性能的影响并确定了各组分的最佳配比。
  关键词:灌浆材料;水性环氧树脂;阳离子;性能
  中图分类号:TV543+.2文献标识码:B文章编号:1001-702X(2009)07-0004-05
  环氧树脂灌浆材料是处理混凝土裂缝和基础防渗补强用得较多的灌浆材料之一,其中又以溶剂型环氧树脂灌浆材料最为常用。但有机溶剂不但价格高,而且具有挥发性,不能适应绿色环保的要求。与溶剂型环氧树脂灌浆材料相比,水性环氧树脂灌浆材料具有诸多优点,如低挥发性、较小的气味、储运和使用安全、对施工环境要求不高,施工设备可以用水清洗等。因此,研究开发适用于各类防渗补强处理工程的环保型水性环氧树脂灌浆材料有很大的发展前景。
  就目前水性环氧树脂在建筑方面的应用来看,主要是借助于水性环氧树脂优良的机械性能和与水泥良好的配伍性,将其作为辅助成分加入到混凝土或水泥砂浆中,或作为粘接剂制备高强混凝土、防水堵漏材料、混凝土粘接剂、水泥基封底剂、界面处理剂、地坪涂装材料等。而在灌浆材料方面应用较少。国内长江科学院的黄良锐等开发出CWH系水性环氧树脂树脂灌浆材料;中科院广州化学所石红菊等采用环氧树脂和不饱和二元羧酸发生酯化反应的方法开发出水溶性衣康酸环氧树脂灌浆材料。这2种材料都是阴离子型的灌浆材料,阳离子型的水性环氧树脂灌浆材料未见报道。本文采用仲胺改性环氧树脂,制备了阳离子型水性环氧树脂。以此水性环氧树脂为主剂制备了水性环氧树脂灌浆材料。该材料既有较好的强度,又可在水中固化,避免了使用大量的有机溶剂,是一种值得开发的多用途的新型水性环氧灌浆材料。
  1、试验部分
  1.1、试验原材料与仪器
  环氧树脂E-51、二烯丙基胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺:工业品;二乙醇胺、丙烯酸、2,6-二叔丁基对甲酚、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、三氯化铁:分析纯。
  NDJ-4型旋转式黏度计;RFX-65A傅立叶变换红外光谱仪;WDW3020型微机控制电子万能试验机;PHS-25C型雷磁精密数显酸度计。
  1.2、阳离子型水性环氧树脂的制备
  阳离子型水性环氧树脂灌浆材料的制备方法参照文献。
  1.3、阳离子型水性环氧树脂灌浆材料的制备
  以制备的阳离子型水性环氧树脂为主剂,按照表1的配比配制灌浆材料。

 
  1.4、分析与测试方法
  黏度:按GB/T2794—1995,在28℃条件下,用NDJ-4型旋转式黏度计进行测试。
  抗压强度:按GB/T2568—1995进行测试,试样采用直径为10.00mm的圆柱体,用WDW3020型微机控制电子万能试验机以5mm/min的速度测定。干养护是指凝胶体放置在自然条件下养护,养护周期为7d;湿养护是指凝胶体凝胶1d后,放置在水中养护,养护周期为6d。灌浆材料胶凝时间:记录浆液混合好的时间T0,取出10mL于烧杯中,转动烧杯直至浆液不再流动,记录时间为Ti,Ti-T0即为浆液的胶凝时间。
  2、结果与讨论
  2.1、含水量对灌浆材料的影响
  2.1.1、含水量对灌浆材料黏度的影响
  黏度作为浆液流变特性的主要参数,直接影响浆液的流动性和可灌性,同时也决定着灌浆压力、浆液流量等参数的确定,从而影响灌浆效果。灌浆材料的黏度大,其流动性和可灌性变差,需要更大的灌浆压力,相同压力下浆液流量变小。浆液黏度随含水量的变化情况如图1所示。


  从图1可以看出,随着含水量升高,灌浆材料的黏度逐渐减小。当含水量为50%时,灌浆材料的黏度低至45mPa•s;当含水量为65%时,灌浆材料的黏度更是低至10.25mPa•s;当含水量为75%时,灌浆材料的黏度仅为3.72mPa•s。如此低的黏度,使得这种灌浆材料的可灌性很强。
  与羧酸根阴离子型水性环氧树脂灌浆材料相比,季铵盐型水性环氧树脂灌浆材料因为体系中存在的是季铵盐阳离子,不具备和水形成氢键的能力,所以这种新型的灌浆材料的黏度较之阴离子型水性环氧树脂灌浆材料有很大程度的降低,使得这种浆材具有更广阔的应用前景。
  2.1.2、含水量对灌浆材料凝胶体抗压强度的影响
  作为灌浆材料,除了要有良好的可灌性,还要有良好的力学性能。本试验研究了不同含水量的灌浆材料凝胶体的抗压强度。
  随着含水量的增大,灌浆材料凝胶体的抗压强度逐渐降低。而且,随着含水量的增加,这种变化的趋势更加明显。当含水量为50%时,干养护条件下凝胶体的抗压强度为5.12MPa,湿养护条件下为2.46MPa;当含水量增大至65%时,凝胶体的抗压强度在干养护和湿养护条件下分别为1.78MPa和0.63MPa,大于同等条件下丙烯酸盐灌浆材料的抗压强度,可以满足防水堵漏工程的应用。本试验选择含水量为50%~65%。
  2.2、交联剂对灌浆材料的影响
  2.2.1、主交联剂对灌浆材料抗压强度的影响
  本试验选择使用两端带有不饱和键的物质作为灌浆材料固化时的主交联剂,尽管这种交联剂本身难溶于水,但是在阳离子型水性环氧树脂的乳化作用下,在含水量为50%的浆液中仍能较好地分散。不同用量的主交联剂对灌浆材料凝胶体抗压强度的影响如图3所示。


  由图3可以看出,加入主交联剂,可以大大提高灌浆材料凝胶体的抗压强度:干养护条件下,当主交联剂占浆材的质量百分数达到21.6%时,灌浆材料凝胶体的抗压强度达到4.62MPa,为不加主交联剂(抗压强度仅为0.35MPa)时的13倍。这是因为浆液体系中的阳离子型水性环氧树脂含有亲水的季铵盐阳离子官能团和亲油的不饱和双键官能团,而本身不亲水的主交联剂,更容易靠近不饱和双键官能团,有效地增加了浆液聚合反应中的交联点,从而提高凝胶体的强度。但是,主交联剂用量超过一定范围后,浆材凝胶体的抗压强度反而降低。这是因为过多的主交联剂在引发剂作用下,可能发生自聚,破坏了凝胶体的均相体系,宏观上表现为凝胶体抗压强度的下降。综合以上考虑,主交联剂的用量以20%~25%为宜。
  2.2.2、副交联剂对灌浆材料抗压强度的影响
  除了使用亲和阳离子环氧树脂双键部分的主交联剂外,本试验还选择使用了微溶于水的N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)作为副交联剂。N,N-亚甲基双丙烯酰胺在室温下的溶解度小于4%。但是,在水性环氧树脂体系中,阳离子型环氧树脂的助溶剂作用和体系中存在的丙烯酸都可以促进MBA的溶解,因此MBA在本试验体系的溶解度可以达到8%。MBA用量对浆材凝胶体抗压强度的影响如图4所示。


  由图4可以看出,随着MBA用量的增大,灌浆材料凝胶体的抗压强度增大。综合考虑材料成本以及MBA的溶解度,选择MBA的质量百分数为3%,此时灌浆材料干养护的抗压强度达到2.21MPa,湿养护的抗压强度达到1.23MPa。
  2.3、引发剂对灌浆材料的影响
  采用过硫酸铵-亚硫酸氢钠水溶性氧化还原引发体系。过硫酸铵是一种无毒的工业化学品,室温下易溶于水。施工时可以配成溶液使用,便于现场施工操作。引发剂的用量必须适宜,过多则反应速度太快,难以控制;过少则不易引发,反应不能正常进行,影响聚合物性能。本试验研究了引发剂用量对浆材凝胶时间以及凝胶体抗压强度的影响,试验结果如图5、图6所示。


  从图5可以看出,当引发剂用量为1.65%时,灌浆材料凝胶体的抗压强度最佳,干养护条件下达到5.31MPa,湿养护条件下也能达到1.21MPa。继续增大引发剂用量,灌浆材料凝胶体的抗压强度反而下降。


  由图6可以看出,灌浆材料凝胶时间随引发剂用量的增大而减小。当引发剂用量为1.65%时,灌浆材料的凝胶时间约为12min,单纯通过调节引发剂用量很难达到有效控制浆材凝胶时间的目的。本试验选择引发剂的用量为1.62%。
  2.4、促进剂对灌浆材料的影响
  加入少量的促进剂,即能有效降低固化温度,还可改善凝胶体的物理力学性能。本试验研究了促进剂用量对浆材凝胶时间和凝胶体抗压强度的影响,试验结果如图7、图8所示。

 
  从图7可以看出,要使凝胶体的抗压强度达到最佳,促进剂的用量必须适宜:当促进剂的质量百分数为0.55%时,效果最佳,干养护条件下的抗压强度为5.41MPa,湿养护条件下的抗压强度为2.45MPa。这是因为同在室温下的固化反应当促进剂用量较小时,氧化还原引发体系能有效引发单体聚合的活化能高,表现为聚合反应不完全,浆材凝胶体的抗压强度低;但是,使用过多的促进剂时,多余的促进剂会和产生的自由基反应,反而降低引发效率,造成浆材凝胶体力学性能的损失。从图8可以看出,随着促进剂用量的增大,浆材凝胶时间缩短。浆材在短时间内固化时,其内部因聚合反应放出的热量不能及时均匀在整个体系中传递,导致凝胶体内部局部过热而出现爆聚现象。浆材凝胶体由于局部爆聚难以形成均相体系,宏观上表现为浆材凝胶体力学性能的损失。因此,选择促进剂的用量应在一个合适的范围。但是,从图8中还可以看到,促进剂的用量对凝胶时间的影响不是很显著:当促进剂的质量百分数增大为1.65%,浆材的凝胶时间从不加促进剂时的6.81min缩短至4.37min,变化不明显。
  2.5、缓凝剂对灌浆材料的影响
  改变引发剂和促进剂的用量可以在小范围内控制阳离子型水性环氧树脂灌浆材料的凝胶时间,但是仍难以达到施工应用的要求。凝胶时间太短,浆液来不及渗透到足够大的范围,施工中出现漏灌部位,达不到设计的防渗效果,影响施工质量。凝胶时间过长,又会造成浆液浪费,延长施工时间,影响施工进度和经济效益。阳离子型水性环氧树脂灌浆材料采用水溶性的氧化还原引发体系,室温下引发聚合反应所需的活化能很低,浆材的固化速度很快,无法应用于实际生产,因此必须延长灌浆材料的凝胶时间。三氯化铁是一种无毒、阻聚效率较高的缓凝剂,可以消耗掉体系中的一部分自由基,达到延长凝胶时间的效果。本试验固定引发剂用量,考察了不同缓凝剂用量对浆液凝胶时间和浆材凝胶体抗压强度的影响。结果分别如图9和图10所示。


  由图9可以看出,不加缓凝剂时浆材在5min内就凝胶,失去流动性。加入质量分数0.111%的缓凝剂时,凝胶时间就可以延长至46min,具有良好的可操作性。
  由图10可以看出,加入缓凝剂不仅没有降低凝胶体的抗压强度,反而使抗压强度有较大程度的提高。这是因为加入的缓凝剂可反应掉一部分自由基,使阳离子水性环氧树脂聚合反应的自加速速率减缓,延长了浆材的凝胶时间。同时,同一时间内体系中存在的自由基不太多时,更有利于分子链的增长,从而使聚合物的分子量增大,提高了浆材凝胶体的抗压强度。
  3、结语
  (1)以制备的阳离子型水性环氧树脂为主剂,开发出一种新型的阳离子型水性环氧树脂灌浆材料。该材料既有较好的强度,又有一定的韧性,且可在水中固化,避免使用大量的有机溶剂,是一种值得开发的多用途的新型水性环氧灌浆材料。
  (2)当含水量为65%时,树脂的黏度低至10.25mPa•s,此时凝胶体的抗压强度在干养护和湿养护条件下仍然分别达到1.78MPa和0.63MPa,大于同等条件下的丙烯酸盐灌浆材料的抗压强度。
  (3)当主交联剂占浆材的质量百分数为21.6%时,灌浆材料凝胶体的抗压强度达到4.62MPa,当副交联剂的质量百分数为3%时,干养护的抗压强度达到2.21MPa,湿养护的抗压强度达到1.23MPa。
  (4)采用过硫酸铵-亚硫酸氢钠水溶性氧化还原引发体系。当引发剂用量为1.65%时,凝胶体的抗压强度最佳;当促进剂的质量百分数为0.55%时,效果最佳,干养护条件下的抗压强度为5.41MPa,湿养护条件下的抗压强度为2.45MPa。
  (5)三氯化铁缓凝剂不仅可以有效延长浆材固化时间,还可以有效提高浆材凝胶体的抗压强度。

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