环氧树脂混凝土在混凝土修补加固中的应用

　　一、前言
　　高性能轻骨料混凝土已成为当今混凝土领域的主要发展方向之一，这是因为，优质的高性能轻骨料混凝土与传统混凝土相比强度高，且质量轻，而且耐久性好，因此在建造大跨度桥梁和超高层建筑时，结构自重会大幅度减轻，相应的材料的用量也会减少，基础荷载也会降低。从建筑节能方面考虑，在北方地区采用高性能轻骨料混凝土作外墙，冬季取暖能耗较传统的实心黏土砖或普通混凝土墙体节省约30%--50%，如考虑夏季降温能耗，使用能耗将节省40%--60%。以上这些都会提高建筑工程的使用性能，降低工程总造价节省了维护费用。此外，轻质结构用混凝土还是海上采油平台的理想建设材料，与现在的钢铁采油平台相比，具有安全度高、稳定性好、使用寿命长、维修费用低、综合造价低等优点，对开发我国的油气资源，实现能源的可持续发展具有重要的战略意义[1]。
　　二、轻骨料混凝土的特点
　　配制轻质结构用混凝土最有效的途径就是采用轻骨料。轻骨料表面粗糙多孔，有一定的吸水能力，这十分有利于改善混凝土的界面黏结，提高整体的强度;其吸水能力可做为水分存处器，先吸入一部分水分，在以后的养护过程中又释放出来，有利于水泥的充分水化。由于轻骨料混凝土具有轻质、高强等优点，它比相同强度等级的普通混凝土自重降低20%—30%。这就使结构荷载占有较大比例，并且对材料性能具有较高要求的高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程等来说，轻骨料混凝土的这种性能具有较高的市场竞争力[2]。
　　轻骨料混凝土具有以下特点：
　　1、轻质高强:轻骨料混凝土的干表观密度一般为760~1950kg/ ,结构轻集料混凝土的干表观密度为1400~1950kg/ ,普通混凝土的干表观密度一般为2000~2800kg/ ,与之相比，轻骨料混凝土可减轻20%~40%，而其强度可以达到普通混凝土用的强度等级CL15~CL50。
　　2、抗震性能好:地震力和上部结构的自重成正比，当结构采用轻骨料混凝土将降低地震力。同时，由于轻骨料混凝土的弹性模量比同等级的普通混凝土低，结构的自振周期将变长，变形能力增强，结构破坏是将消耗更多的变形能，因此，轻骨料混凝土有利于改善建筑物的抗震能力和抵抗动荷载作用的能力。
　　3、抗裂性好:和普通混凝土相比，轻骨料混凝土的热膨胀系数和弹性模量较小，使得由于冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小，表现为轻骨料混凝土的抗裂性较好，这时改善结构的耐久性，延长结构的使用寿命是非常有利的，并有助于降低结构在使用期间的维修费用。
　　4、耐久性好:使用轻骨料能有效避免混凝土的碱集料反应问题，延长结构的使用寿命。
　　三、轻骨料混凝土在我国发展情况
　　我国轻骨料混凝土发展和应用相对较晚。从50年代开始研究人造轻骨料，先后研制成黏土陶粒、页岩陶粒和烧结粉煤灰陶粒，几经起伏目前年产量达300万立方米。据1990年对北京、上海、黑龙江、吉林、沈阳等10个省市不完全统计的资料表明，从70年代—80年代的10年中，用于房屋建筑外墙板的轻骨料混凝土约占其总量的50%;用于建筑砌砖占砌砖的27%。
　　90年代我国轻骨料混凝土的应用发生了出乎意料的变化。它在墙体中的应用从以高层建筑外墙板为主，改变成以高层建筑框架填充墙用的小型空心砌块位主地格局;而在承重结构中的应用不仅没有提高，反而有所减少，出现了近十年来的全国各地新建的万余栋高层、超高层建筑、大跨度桥梁和高速公路桥等，于是墙体材料得应用，而用于承重结构的高性能陶粒的生产与发展，并没有受到应有的重视，轻骨料混凝土发展缺乏统一的管理和协调[3]。
　　随着对建筑节能和建筑物功能性要求的提高，高性能轻骨料混凝土的研究和应用也得到了快速发展。据1995年不完全统计，以超轻陶瓷粒为主的各种陶粒年产量在200万立方米以上。如今，广州、乌鲁木齐、昆明、黑龙江和京津塘地区已成为超轻陶粒盛产基地。上海生产出堆积密度为700~800 kg/ 的粉煤灰陶粒和500 kg/ 以下的超轻陶粒;湖北宜昌生产的高强陶粒，可以配制出强度等级为C30~C60或更高的轻骨料混凝土。
　　随着宜昌、上海等地高强、高性能轻骨料的规模化生产，高强轻骨料混凝土，结构轻骨料混凝土 在我国已逐渐应用。
　　四、轻骨料混凝土存在的问题
　　轻骨料混凝土在我国已走过了近40年的研究和应用的历程。由于技术、经济和建设观念等的限制，该材料没有取得预期的市场份额。轻骨料混凝土行业存在的主要问题有：
　　1、技术水平仍处于初级阶段
　　企业生产规模小，生产工艺老套，产品分级处理随意，而且质量不稳定。基本上是没有环保设施的简陋生产线、污染严重、与国际水平差距正在拉大。
　　2、产品质量不理想
　　绝大多数的企业的人造轻骨料仅能达到普通轻骨料的质量标准，密度等级在300—900之间，颗粒均匀性差，强度不高，一般仅适用于制备非承重的混凝土制品，以轻骨料混凝土砌块、轻质内隔墙板、保温材料为主。严重制约了轻骨料在国内工程结构混凝土上的使用。
　　3、从业人员对轻骨料经济性认识不全面
　　综合评估轻骨料混凝土的结构工程发现，轻骨料混凝土依靠其自身的优点，会大幅度降低整体建筑物的成本。资料介绍，采用轻骨料混凝土可降低构筑物自重30%~40%，减少劳动强度约20%，减少材料运输量30%~40%，节省钢筋量10%左右，工程造价综合降低10%。但是，由于人造轻骨料比普通碎石、卵石的价格高出几倍，甚至几十倍，通常只简单地从混凝土单方面造价上进行核算，而不考虑整个建筑造价，结果成本较高，从而抑制了轻骨料混凝土的生产和应用。
　　五、结束语
　　轻骨料混凝土满足利废、节能原则,具有良好的经济效益和社会效益,对于实现建材
　　张石高速公路S12标预制厂有1片箱梁在进行腹板正弯矩张拉时发生锚垫板拉裂现象，在检查中发现主要原因是由于锚下砼不密实造成的。如直接采用C50混凝土作为修补材料，由于其粘结强度低，将其用于混凝土修补，容易造成界面粘结不牢、开裂而导致混凝土再度损坏等质量问题，整体强度很难达到张拉要求。通过采用环氧树脂混凝土加固补强措施，三天后混凝土就达到强度，安全地进行了张拉压浆，得到了很好的控制，取得了满意的结果。
　　1 环氧树脂混凝土主要性能、成分
　　环氧树脂混凝土是指以环氧树脂为主料，掺入适量的固化剂、增塑剂、稀释剂及填料作为胶粘剂，以砂、石作为骨料，经混合、成型、固化而成的一种复合材料，是聚合物混凝土中纯聚合物混凝土的一种。
　　环氧树脂混凝土具有强度高、韧性好，抗冲击强度大，良好的耐化学腐蚀、耐磨、耐水和抗冻性能，并且与金属和非金属材料粘结强度高、电绝缘性好，弥补了水泥混凝土抗拉强度低、抗拉应变小、抗裂性小、脆性大等缺点。固化后的环氧树脂混凝土对大气、潮湿、化学介质、细菌等都有很强的抵抗力。
　　1.1 环氧树脂。环氧树脂是一种含有环氧基的高分子聚合物，由环氧氯丙烷及二酚基丙烷(双酚A)在碱的作用下缩聚而成的液体树脂。环氧树脂是线性结构的热塑性聚合物，加热呈塑性，本身不会硬化，当加入一定量硬化剂后，经室温放置或加热处理后，与固化剂发生交联固化反应，变为不溶于水的坚固体型网状结构的巨大分子高聚物，其性能亦能由热塑性变为热固性，固化后显出强度高，粘结力大，收缩性小及化学稳定性好等特点。实际应用中，一般选择常温下是液态的树脂，以保证混凝土拌和物施工要求的流动性，便于成型。
　　本工程选用6101号(E44)环氧树脂。其软化点为12～20℃、环氧值(当量/100g)为0.41～0.47，为淡黄色至棕黄色粘稠透明液体。
　　1.2 固化剂。固化剂的主要作用是使热塑性、线型环氧树脂交联成体型网状巨大分子，成为不溶于水的硬化产物。本工程采用的胺类硬化剂为乙二胺(EDA)，纯度大于70%，为无色透明液体。
　　1.3 增塑剂。由于单纯的环氧树脂固化后，脆性较大，抗冲击强度、抗弯强度、耐热性能较差，加入增塑剂可增加环氧树脂的可塑性，改善其韧性，提高抗弯和抗冲击强度。本工程采用的增塑剂是底分子聚酰胺203#，为棕色透明液体。
　　1.4 稀释剂。添加稀释剂的主要作用在于降低环氧树脂粘度，便于胶粘剂浸润骨料、基层表面，提高粘结力，增加体积和填料含量，同时可以控制环氧树脂与固化剂的反应热，延长使用时间。本工程采用的稀释剂为二甲苯，为无色至淡黄色透明液体，易溶于乙醚、苯，不溶于水。
　　1.5 填充料。填充料的用途不仅可以减少环氧树脂用量，降低成本，而且能使环氧树脂胶粘剂的性能进一步改善，减少胶粘剂的热胀系数、收缩率、放热温度，增加热导率和粘结力，提高稳定性，消除固化物中的成型应力，避免发生裂缝，改善粘结性能，降低吸水性，延长使用寿命，还能调节粘度、流动性等工艺性能。本工程采用水泥、砂、石作为填充料提高强度。其中水泥采用河北邯郸太行山P.O42.5R水泥;砂采用过筛水洗干净的中粗砂;碎石采用水洗干净的5～10mm和10～20mm的碎石。
　　1.6 C50环氧树脂混凝土配合比如下：

剂称	材料名称	重量比
主剂	环氧树脂E-44	100
固化剂	乙二胺（EDA）	2
增塑剂	底分子聚酰胺	70
稀释剂	二甲苯	10
填充料	水泥	186.3
	砂	191.9
	碎石5～10mm	164
	碎石10～20mm	244.1

　　1.7 C50环氧树脂混凝土试件抗压强度表。项目部试验室按此C50环氧树脂混凝土配合比进行了试配，发现三天混凝土强度就能达到 53.15MPa，符合张拉要求，可以进行箱梁加固补强施工。
　　2 环氧树脂混凝土加固补强施工工艺
　　采用环氧树脂混凝土行修补加固处理时，应根据当地的气候条件、工程特点及施工进度合理组织施工。施工流程为：剔除酥松混凝土→清理钢筋锈蚀层→安放锚垫板、弹簧筋→补焊加固钢筋→高压水冲洗加固面→支设模板→浇筑树脂混凝土→固化养护→表面抹灰、张拉压浆。具体施工步骤如下：
　　2.1 表面处理。为确保环氧树脂混凝土与原混凝土具有良好的粘结，一般用钢丝刷或喷砂方法清除表面浮层污物(有油漆或油脂污染部位用丙酮洗刷)。本工程中首先采用人工凿毛方法，凿掉破损的混凝土，使表面露出坚硬、牢固的混凝土面，凿毛必须彻底全面，但也不宜深度过大，以免破坏了未碳化和损破的混凝土。松散混凝土凿出后，用砂轮切割机将四周切齐，以保证砼浇筑完后表面美观。然后用钢丝刷将松软的混凝土碎渣刷干净。如果钢筋锈蚀外露，还应对钢筋表面进行除锈，并涂刷钢筋防锈剂。
　　2.2 钢筋加固。按图纸要求重新安放锚垫板和弹簧筋，并在锚垫板四周补焊四根φ25螺纹钢筋加强，并加设φ10箍筋与原钢筋进行联接。
　　2.3 表面冲洗饱和。对凿除的混凝土表面，采用高压水枪(采用饮用水)将碎屑、灰尘冲洗干净，并连续、均匀地喷洒，使表层混凝土达到饱和状态，且表面无明水。待表面干燥后立模加固。
　　2.4 环氧树脂混凝土的配制。根据选用的原材料、设计技术及施工和易性要求事先进行试拌。现场可用砂浆搅拌机拌和或人工拌和，其各组分的配比用量必须严格控制。
　　首先称取定量的环氧树脂，按胶料配合比加入稀释剂二甲苯与环氧树脂均匀拌和，待温度降至常温后，加入适量的底分子聚酰胺进行搅拌，搅拌均匀后再加入固化剂乙二胺充分搅拌搅拌均匀，制成环氧树脂浆液。同时按配比称取适量符合要求的砂和碎石拌匀，再加入水泥搅拌。若人工拌和，宜在铁皮板上或大铁盆里进行，以防止拌和浆液流失。然后进行混凝土浇筑，浇筑时要用直径25圆钢充分振捣密实。施工中作试块2组以便进行强度检测，控制张拉时间。
　　2.5 固化养护。混凝土浇筑完4个半小时即可拆除模板，模板拆除完毕后立即用碘钨灯烘烤12小时，使平均温度达到80℃～100℃以保证环氧树脂混凝土顺利固化达到强度要求。养护期间避免人为损坏和水淋。3天后进行试块施压，强度平均达到53MPa，满足要求可受力使用。张拉顺利完成没有出现任何异常情况，随后又进行压浆施工。
　　3 施工注意事项
　　3.1 应用于工程中的所有材料应有合格证，无产品合格证或检验不合格不得应用于工程中。我们在初次试配时就因为购买的环氧树脂不是正规厂家生产的，结果几次都没有试配成功。
　　3.2 环氧树脂施工，其配合比是关键。施工配合比必须进行试配，其稠度、粘度以便于施工为宜，环氧树脂应尽量选用同一批号，以使完成后形成的混凝土色泽均匀。
　　3.3 配合时，要用计量工具准确计量，特别是固化剂的用量，如用量过多，硬化速度过快，以至无法满足施工操作时间的要求，同时混凝土表面容易开裂;用量过少，硬化反应将不完全，凝结时间太长，即使养护时间很长，仍然不能固化，强度很难上到标号。所以乙二胺用量应通过计算准确控制，它是保证环氧树脂混凝土质量的关键。
　　3.4 配制好的环氧树脂混凝土自加入固化剂起计时，必须要在40分钟内用完，以防环氧固结。
　　3.5 环氧树脂工程严禁在雨天进行施工。施工时环氧树脂本身的温度不得低于 5 ℃ ，空气相对湿度不大于 80 %。
　　4 结论
　　通过这次加固补强施工，可以看到，与普通水泥混凝土相比，环氧树脂混凝土是一种具有极好耐久性和良好力学性能的多功能材料。其抗拉、抗压、抗弯强度均高于普通水泥混凝土，抗冲耐磨性能、抗冻性、抗渗性、耐水性、耐化学腐蚀性能良好，适用于比较恶劣的环境，有广阔的应用前景。采用环氧树脂混凝土进行修补加固处理时，应根据当地的气候条件、工程特点及施工进度合理组织施工。
　　参 考 文 献
　　〔1〕公路桥涵施工技术规范.人民交通出版社
　　〔2〕刘吉士，张俊义，陈亚军.桥梁施工百问.人民交通出版社
　　工业的建筑节能和墙体改革的目标具有积极的推动作用。但目前轻骨料混凝土的质量和产量还远远不能满足建筑业高速发展的需要，并且存在许多问题。提高轻骨料混凝土的质量，大力推广应用轻骨料混凝土，仍是摆在所有技术人员面前的一项重要任务。
　　参考文献：
　　1.营建知讯 第120期PP.88.
　　2.陈豪吉，“以台湾地区生产的轻骨料探讨轻骨料混凝土的配比、制作及强度性质 “,博士论文，中兴大学土木工程系，1998。
　　3.曹家民，混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响及防护措施探讨，华侨大学报，1994，1，58-62。

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