環氧樹脂與混凝土界面粘結(一)

    環氧樹脂材料因高強、耐磨，抗滲、抗凍和抗沖擊性能好等特點，愈來愈受到工程部門的重視，已經成為研究和應

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

    一、實驗部分

    1、主要原材料

    改性E44環氧樹脂：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；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)粘結強度

    本文中的粘結強度系指用環氧樹脂配制成環氧樹脂砂漿(EM)后的7d與混凝土的粘結測試結果；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，測試試件見圖1。

    (3)粘結拉拔強度

    為考察EM施工到混凝土面上的實際粘結效果，在EM施工層上直接測試界面粘結強度。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5～10mm，用粘結拉拔儀(DYMAZ-15)測試EM與混凝土的粘結強度。

    (4)線性收縮率

    EM的線性收縮主要發生在固化反應階段，尤其是反應的初級階段。但是目前國內尚沒有一種固定的測試方法，參照國外標準和測試方法，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)在鋼槽內澆注EM，并使2個滑頭分別緊緊地粘結在澆注的EM試件的兩端；3)每隔5min記錄1次傳感器的位移讀數和熱電偶的溫度讀數，直到相鄰2次的位移讀數差<0.1mm時測試結束(隨著固化反應速度的逐漸減慢，記錄的間隔時間可以適當延長)；4)線性收縮率計算S=[(δ1+δ2-Lm?△T?am)/Ls]×100%(式中δ1、δ2為2個傳感器的zui大讀數，△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，Lm為EM試件的有效長度)。

      三、試驗結果與討論

    1、EM配合比對粘結強度的影響

    為了考察不同稠度EM對界面粘結強度的影響，通過改變填料與環氧漿材的比例，共設計了5組試驗。試驗結果見表1。

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

表1 EM配合比對粘結強度的影響

    注：內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，部分破壞在粘結面；粘結破壞指試驗破壞在EM與混凝土的粘結界面。

    2、不同類型增韌劑對粘結強度的影響

    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，但增韌機理截然不同。

    為論證兩類增韌劑對界面粘結力的影響，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，試驗結果見表2。

表2 不同類型增韌劑對粘結性能的影響

    由表2試驗結果可以看出，隨著齡期的增長摻加非活性增韌劑EM的粘結強度逐漸降低，而摻加活性增韌劑EM的粘結強度略有增加。這是因為：非活性增韌劑雖能夠與環氧樹脂互相混溶，降低環氧樹脂分子之間的相互作用力，對于短期內改善EM固化體系的脆性起一定作用，但是并不與固化劑發生化學反應，只是摻和在環氧樹脂高分子骨架之間呈流動的液態。當固化后的EM受到外力壓縮或拉伸時，環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中沒有參與反應的液態增韌劑會慢慢溢出EM固化體系并揮發掉，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固化體系的薄弱環節，致使EM機械性能下降的矛盾更加突出，進一步降低EM的粘結性能，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性的活性基團，能夠與固化劑發生化學反應，將增韌劑分子鏈段——旋轉活化能很低的柔性鏈參與到環氧樹脂的三維網絡結構中去。當受到外力而變形時，交聯點之間的增韌劑柔性鏈段就會產生塑性變形，吸收消耗外力能量、提高抗沖擊能力，受外力沖擊或溫度應力時固化結構就會產生屈服，減弱體系的內部應力集中、利于提高粘結性能。

環氧樹脂與混凝土界面粘結（三）

    3、EM的反應熱對粘結強度的影響

    EM的固化反應屬于放熱反應，反應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生很大影響。固化反應過程中的放熱峰值溫度反映了固化體系在固化反應過程中由于反應放熱而達到的zui高溫度。峰值溫度愈高固化反應愈劇烈，固化體系的分子鏈越短結構的脆性越大、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放熱峰值溫度的固化劑進行試驗對比，分別測試它們的固化體系收縮率，結果見圖2。固化體系在不同的反應階段產生的應力也不相同，在體系溫度高于T-g(玻璃化溫度)階段材料處于粘流態，分子鏈的變形和移動不受約束、不會產生收縮和應力，當溫度降致Tg時體系處于玻璃態，此時的收縮達到頂端值、應力破壞也最為嚴重，且峰值溫度與Tg的差值越大應力破壞也越嚴重，影響界面的粘結強度。因此在EM應用中固化劑的選擇至關重要。

    4、混凝土表面濕度對粘結強度的影響

    混凝土是多孔性材料、表面具有較高的界面能，內部的毛細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，降低結合面的界面能，不利于EM對混凝土的浸潤降低粘結力。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，在堿性環境中環氧樹脂的有效基團會受到破壞，并引起分子鏈的斷裂、降低EM的粘結力。從表3可以看出混凝土表面的含水率越低，界面的粘結強度越高。

表3 混凝土表面濕度對粘結強度的影響

    5、混凝土表面粗糙度對粘結強度的影響

    工程施工中為提高界面粘結力，常對混凝土面進行糙化處理。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和應力分布，阻礙外力作用下的裂紋擴展，利于提高界面粘結強度。

表4 混凝土表面粗糙度對粘結強度的影響

   注：“*”表不粘結破壞，其余為內聚破壞。

    表4中試驗結果表明，對混凝土表面進行糙化處理能夠提高界面的粘結強度。但是不同的表面糙化方法對粘結強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不到理想效果，而過強的鑿毛方式易于對骨料產生擾動，降低界面的粘結力。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、結語

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

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

    3、界面的濕度越大，粘結強度越低。

    4、合適的表面糙化處理能夠提高界面的粘結強度。