水性环氧树脂在桥梁维护中的应用

0　引言

       水性环氧树脂是环氧树脂经乳化后的树脂材 料。水性环氧树脂的优点是能真正水性化,它无 气味、不燃、安全性好,操作性佳。固化后的树脂 收缩小、硬度高、耐磨性好。除了具有溶剂型环氧 树脂的诸多优点外,突出优势表现是可在室温和 潮湿或过湿的环境中固化,能与水泥、石灰、石膏 等常用的水性胶结物配合,是桥梁维护的一种新 材料。

1　水性环氧树脂的生产工艺

1.1　环氧树脂水性化的方法

       环氧树脂水性化有三种方法:机械法、化学改 性法和相反转法。研究中是采用相反转法。水性 环氧树脂乳液的生产过程,是在一定高温高速剪 切作用下将乳化剂和环氧树脂混合均匀,随后缓 慢地向混合体中加入蒸馏水,随着加水量的增加,整个体系逐步由油包水向水包油转变,形成均匀 稳定的水可稀释体系。

1.2　乳化剂的制作

     将一定比例的环氧树脂E-44和表面活性剂 加入到装有搅拌器、温度计的三颈瓶中,加热到 90℃,待环氧树脂E-44和表面活性剂完全溶解 后停止加热,加入催化剂。控制反应温度在100℃ 左右反应4h,然后加入蒸馏水进行溶解稀释,形成 环氧树脂水性乳化剂。

1.3　水性环氧树脂乳液的生产

       把环氧树脂E-44的乙二醇单乙醚溶液和水 性乳化剂按一定比例搅拌混合均匀,然后加入蒸 馏水直到体系的粘度下降,此时的环氧树脂溶液 将转变为水相,发生了相反转,再加入适量蒸馏水 稀释至一定浓度即制得水性环氧树脂。表1是水 性环氧树脂的各项指标。



2　水性环氧树脂复合材料的特性

2.1　水性环氧砂浆特性

在建筑砂浆中掺入不同比例的水性环氧树脂,可配制不同用途的水性环氧砂浆。表2 是不同水性环氧树脂掺量下水泥砂浆的应用 情况。



2.2　水性环氧水泥浆液特性

      在桥梁维修加固中,新旧混凝土的粘结和裂 缝的处理,都必须使用环氧树脂浆液。把环氧树 脂水性化后,环氧树脂既能随水渗透进结构层内 形成粘结力,又能在潮湿的结构层表面粘附与新 的水泥混凝土粘结,形成一个粘结连续体。纯的 水性环氧液还可以对桥面铺装层裂缝进行封缝处 理,凡是水能到达的地方,环氧树脂都能到达,这 就起到很好的堵水和加固的作用。因此,水性环 氧水泥浆液应用广泛,表3为水性环氧水泥浆的 部分特性。



2.3　水性环氧水泥混凝土特性

      在配制的水泥混凝土中,掺入占水泥重量 10%~25%的水性环氧树脂,可配制成早强的水 性环氧水泥混凝土。其用水量可参考下式计算: HSC=WC-Cβ(1-α)

式中:HSC—水性环氧水泥混凝土的用水量;

WC—水泥混凝土的用水量;

C—水泥用量;

β—水性环氧树脂占水泥量的百分比;

α—水性环氧中的固体含量百分比。

在桥梁维护中,水性环氧水泥混凝土可用于 桥面坑槽、桥面伸缩缝的应急处理,其施工工艺与 水泥混凝土修补工艺完全相同。表4是水性环氧 水泥混凝土的部分特性。



3　水性环氧树脂在桥梁维护中的实践应用

        3.1　水性环氧水泥混凝土固化剂的改进与应用 应用前,在汕尾市公路工程质量检测站中心实验室做了水性环氧树脂混凝土的抗折和抗压试 验,结果表明,水性环氧树脂水泥混凝土(C30)的 早期强度较为理想(3d强度达到15.2MPa,占龄期 强度的51%),但是后期强度即28d龄期强度不高 (28d强度仅为31MPa),后期强度偏低。

       其原因是:水性环氧树脂胶液是在高温下将 普通的环氧树脂乳化,使环氧树脂以颗粒或胶体 的形式分散于以水为介质的乳液中。使用前需在 胶液中掺入一定量的固化剂,将水中的环氧树脂 固化,析出胶液中的水分。因此固化剂的粘聚性 和析水能力很大程度上影响着水性环氧树脂胶液 的强度。在试验中选取的是651胺类固化剂,之所 以出现后期强度提高不大的情况,关键在于该类 固化剂没有将水性环氧树脂胶液中的水全部析 出,导致混凝土中残留少量的水分,增大了水灰 比,影响了后期强度。

      针对上述出现的问题,我们将固化剂进行了 调整,选取新的三类固化剂进行对比试验,此三类 固化剂分别为:(I)DFN胺类;(II)多乙烯多胺类; (III)脂肪端氨基聚酰胺类。将三类分别加入水性 环氧树脂胶液中分别出现下述现象:

      (I)类固化剂加入后,15min后出现水油分层 变色;1h后分层结束,下部开始变硬,上部为水; 24h后去掉上部的水分,下部为纯的环氧树脂,强 度达到4MPa。(II)类固化剂加入后,30min仍为 乳黄色的液体;4h后开始变硬;24h上部有少量的 水析出,强度为2.2MPa。(III)类固化剂加入后, 试验现象基本与(II)类相似,只是强度相对较高, 为2.7MPa。上述现象说明(I)类固化剂固结效果 最好,它能将水性环氧树脂胶液中的水全部析出, 把其中的环氧树脂全部还原出来,而多余的水分 可以用水泥去吸收,这样就解决了强度偏低的缺 点。在掺入该类固化剂的水性环氧树脂混凝土抗 压试验中,试块3d强度为16.3MPa,28d强度为 43.4MPa,较之651类固化剂有了很大的提高。因 此,在G324线汕尾路段南山立交桥、头陂大桥的 桥面铺装层坑槽修补中采用了掺入DFN胺类固化 剂的水性环氧树脂混凝土进行修补,取得了良好 的效果。

      3.2　利用水性环氧树脂配制灌缝浆的应用

      课题组在G324线南山立交桥和头陂大桥桥 面水泥混凝土铺装层裂缝灌缝中采用水性环氧树 脂与DFN胺类固化剂配制的胶液进行灌缝处理。在施工工艺上也做了较大的改进:

      (1)对于缝隙宽度为1~2mm的裂缝,采用高 压风清缝后,用刷子浸渍该胶液反复多次涂抹在 裂缝表面,将裂缝封闭,使水不再浸入裂缝,避免 水加速裂缝的扩展和腐蚀钢筋。

      (2)对于缝隙宽度在2~5mm的裂缝,采用自 行研制的扩缝机将裂缝两边各扩展2cm,再用高压 风清缝,然后反复多次灌入改性的水性环氧树脂 胶液,让其在自重作用下沿着裂缝的纵深渗入下 去,最后在其表面用掺入一定量的纤维环氧树脂 封面。

     (3)对于较深的裂缝,按50cm间距打入灌浆 嘴,把裂缝封口后采用压浆机将改性的水性环氧 树脂胶液压入裂缝。

      3.3　利用水性环氧树脂配制环氧砂浆的应用 水性环氧砂浆在公路桥梁中的应用,主要是 对旧的桥梁和建筑构造物进行维修。如结构物   露 筋、暴筋、蜂窝麻面以及局部的破损等处的维修。 它与普通砂浆相比,粘结力大,防水,施工工艺与 普通砂浆相似,但修补层厚度可以比普通砂浆厚 度薄,修补前不用对旧混凝土用水冲洗或湿润。 对旧桥因钢筋锈蚀混凝土胀裂的维修工艺如下:凿除混凝土表面的碎片,用打磨机对混凝土表 面和锈蚀钢筋进行打磨,用环氧树脂浆对钢筋进 行防护,用水性环氧砂浆对凿开的混凝土表面进 行补平。修补过后无需对新补砂浆做特殊的养 护。

      S241线汕尾段赤岗桥和东北桥均为水泥钢筋混凝土矩形板桥,主要的病害是:桥面板底蜂窝较多,桥面板底下层受力主筋及箍筋锈蚀严重且外 露。考虑这两座桥的实际情况,我们采用以下施 工方法:

     (1)在桥底搭设满堂式脚手架;

     (2)先将蜂窝处起壳的旧混凝土清除干净,对外露的锈蚀严重的钢筋用钢丝刷进行除锈;

     (3)在露筋处焊接竖向钢筋;

     (4)在竖向钢筋上加焊横向的∠20×3的角钢,作为放置木模板的支架;

     (5)在蜂窝及露筋处涂抹水性环氧树脂胶液2 道(水性环氧树脂乳液与DFG胺固化剂的重量比 为4∶1);

     (6)将木模板放置于钢支架上,每块木模板尺寸为2000mm×500mm。再在木模板上堆放水性 环氧树脂砂浆,根据桥底蜂窝麻面损坏程度,加铺 的砂浆厚度为3cm;

     (7)在木模板上预留灌浆孔,将灌浆管先埋入灌浆孔中,灌浆管露出模板1cm;

     (8)将木模板向上顶住桥底,在木模板下用钢管或者木方支撑。要保证砂浆和桥底没有孔隙,使砂浆尽可能的粘住桥底;

     (9)待砂浆凝结达到28d强度后,用灌浆机将普通环氧树脂乳液灌入孔内(普通环氧树脂乳液与固化剂的重量比为4∶1);

     (10)灌浆结束后,用普通环氧树脂胶封住灌浆孔。灌浆稳定5d后再拆去木模板和下面的支撑。

4　结论与展望

       水性环氧乳液是一种新型的建筑材料,由于乳液中的环氧树脂含量不高,目前产品多应用于建筑外墙涂料。本文通过试验,选用与外墙涂料 不同的固化剂,使乳液中的水在DFG胺固化剂的作用下,水与油较彻底地分离,充分发挥了环氧树脂和水泥胶结材料各自的作用,使其成为桥梁维护的一种新材料。