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    具有高渗透功能的改性环氧树脂万博manbetx官网手机版登陆防腐补强材料
    发表日期:2019-03-14

    关键词:环氧改性、高渗透、创新点、工程应用

    摘要:本文介绍了通用型双酚A环氧树脂的性能特点、应用领域以及对其改性的途径,阐述了改性后具有高渗透功能的环氧涂料及化灌浆材与非渗透性同类材料相比对工程耐久性大幅提高的贡献,还介绍了高渗透改性环氧系列材料的性能及最近在工程中应用的实例。

    1、 双酚A型环氧树脂的性能特点与应用领域

    环氧树脂有几十种,用途很广,但用量最大的是双酚A型环氧树脂,常称为通用型环氧树脂,民间又称为“万能胶”。其分子结构如下:

    分子中含有羟基、醚键、活泼的环氧极性基因,因而具有独特的高粘结力,与固化剂反应形成的固结体呈三维空间的立体网状结构,收缩性小,耐酸、耐碱、耐水、耐溶剂性能好,机械强度高,力学性能好。已广泛用作胶粘剂、防腐涂料、万博manbetx官网手机版登陆涂料、化学灌浆材料、地坪材料和浇筑料。

    双酚A型环氧树脂的分子结构特点也导致它在不足之处,如刚性有余而韧性不足,固结体存在脆性、亲水性差、湿基面粘接强度不高,耐热性和耐候性差,即使小分子量的型号如E51粘度也较大,渗透性差,因而在实际应用中,都必须结合其使用用途的不同,采取合适的改性措施以满足各种应用要求。

    2、双酚A环氧改性的途径

    为满足工程应用的需要,在材料配方的设计上,必须从以下改性途径中选择一个或多个改性的途径,以取得能满足使用要求的固化物的分子结构。

    2.1改善固化物柔韧性

    1)添加部分柔韧性好的非双酚A环氧树脂。

    2)添加增韧剂,即可以参与该体系反应的柔性分子而不是不能参加反应的增塑剂。

    3)使用长链分子的改性胺固化剂。

    2.2改善固化物的耐热性

    1)添加部分固化后热度变形温度高的非双酚A环氧树脂。

    2)使用诸如酚醛变性胺类,可提高热变型温度的固化剂。

    3)改变固化条件,在室温初步固化后再加温进行后固化。

    2.3改善固化物的耐候性

    1)添加抗紫外光的添加剂。

    2)在固结体外涂刷一层耐紫外光性能好的面涂料,如脂肪族丙烯酸聚氨酯、氟碳涂料等。

    2.4改善材料的亲水性和湿粘接强度

    1)使用水溶性好的溶剂。

    2)使用亲水性的固化剂。

    3)使用耐水解的偶联剂。

    2.5改善涂料或化灌浆材的渗透性

    1)增加稀释剂用量以降低其粘度,但这种途径对提高材料渗透性的作用有限,而且如使用活性稀释剂在价格上远高过环氧,会使成本大幅提高,用非活性稀释剂添加量大又会使固化物的力学性能大幅下降。

    2)添加表面活性剂,降低浆液与被涂或被灌介质之间的接触角(又称润湿角),可十分有效的改善材料的渗透性。

    3、具有高渗透功能的改性环氧系列材料

    3.1高渗透改性环氧涂料与化灌浆材的定义

    不是具有一般渗透性的涂料或化灌浆材,而是指涂刷后能渗入C50高标号混凝土内2mm以上,能形成一个固结增强层的涂料或能灌入渗透系数K=10-6—10-8cm/S的泥层中,使“土”质变为“岩”质的化灌浆材。

    3.2高渗透改性的意义

    1)改变了涂料与混凝土基面的粘接方式,从而大大提高了涂料的耐久性:一般涂料只能在混凝土表面成膜,而膜的热胀系数与混凝土的热胀系数差别很大,在温度变化时,两者必然在粘接界面上产生应力集中,温度反复变化使涂膜产生应力疲劳,久而久之会出现“脱皮”而失效,耐久性不理想。而具有高渗透性的涂料则不同,涂刷后它能沿着混凝土的毛细管道、微细裂纹和微孔隙自外向内渗入3-10mm。专家们形象的称之为“植根式涂膜”,实际上是固化后形成了一个固结增强层,膜和根紧密相连成一体,又由于混凝土的不均质性,渗入有深有浅,渗入与未渗入部分的界面是一个不规整的、犬牙交错的界面,有利于消除温度变化时在界面上产生的应力集中现象,因此,不会出现脱皮现象,耐久性大幅提高。

    2)渗入固化形成的固结增强层,其厚度为几个毫米,比只是表面成膜的厚度增加到十倍以上,强度比原来混凝土强度提高30%以上,这有如使混凝土穿上了一层“铠甲”,与只是成膜相比具有几个作用:①不仅是在表面成膜从表面封闭了毛细管道,且渗入几个毫米从纵深封闭了毛细管道,不仅水不能进入,空气中的有害气体也不能进入,因而抗氯离子渗透能力大幅度提高,抗渗压力提高也很显著,万博manbetx官网手机版登陆防腐效果更好。②渗入固结后对原混凝土表面的缺陷起到了修复补强作用,形成的固结增强层也提高了抗裂能力。③使北方的混凝土结构抗冻破坏能力成倍提高。④渗入固化形成的几个毫米的增强层,其抗冲磨能力比只是成膜提高几倍,这对轨道交通做复合万博manbetx官网手机版登陆的底涂与海港工程的防腐涂料及水电大坝泄洪洞的抗冲磨保护层做底涂时,对其耐久性的贡献更为突出。据说,杭州湾大桥潮差带的防腐涂层,难于抵御钱塘江口挟带泥沙的风浪冲刷,使用一年已大部分冲磨掉,正选用高渗透改性环氧作底涂进行抗冲磨试验,高渗透环氧底涂的湿粘接强度和渗入固结层抗冲磨能力的提高, 以及与原底涂材料对比的量化数据,不久将会通过科学的测试手段获得。

    其实,高渗透环氧与不能渗透的一般环氧相比,在工程应用中使耐久性成倍提高的实例是很多的,典型实例如广州地铁公园前站,是上下两层的交换站,1997年初结构完成后发现渗漏水严重,曾使用聚氨酯、一般改性环氧、高渗透改性环氧(第二代)分区域由中铁隧道局进行化学灌浆施工,当时渗漏治理效果都很好,就继续进行装饰面层施工,1998年底投入运营,据广州地铁运营部记载,耐久性效果见下表:

    化灌浆材

    聚氨酯

    一般改性环氧

    高渗透改性环氧

    (第二代)

    使用效果

    3年2个月复漏

    5年6个月复漏

    已15年仍无渗漏

    另外,广州黄沙-芳村过江隧道大沉管,浇筑后出现裂缝,使用高渗透改性环氧第二代浆材灌浆共400多米,已使用19年仍无渗漏。1991年中科院广化所新建中试车间屋面渗漏,工程公司两次治漏失败,后用高渗透改性环氧第二代浆材进行涂刷,用量平均0.7Kg/m2,至今已21年未见渗漏,这些应用实例都说明了环氧材料具有高渗透功能的重大意义。

    3.3高渗透改性环氧系列材料的创新点与基本性能

    3.3.1以理论创新指导配方设计

    高渗透改性环氧化灌浆材技术,源自中科院广化所的中化-798高渗透改性环氧国家发明专利,技术的提升得益于对应用基础理论的研究,以及用研究的理论成果指导配方的改进。

    上世纪八十年代末,我国著名化学灌浆材料创始人之一叶作舟老先生退休后,由笔者接任课题组长,获得了国家自然科学基金课题,与武警水电二总队任克昌教授合作,开展化灌浆液对被灌岩土渗透机理的研究。1992年又申请到广东省自然科学基金课题,开展了浆材各组分间反应机理的研究,这两方面机理的研究长达七年多时间,在以下三个方面取得了创新成果。

    1)对渗透机理的研究结果表明,美国化灌权威专家认为粘度是影响浆液渗透性的唯一因素这一结论是不正确的,这只会误导人们片面的去追求降低浆液的粘度。浆液的渗透性实际上与浆液与被灌介质(岩土或混凝土)的接触角、被灌介质的表面张力和浆液与被灌介质之间的界面张力有关。接触角越小,界面张力越小,渗透性也越好。另外,当被灌介质的孔隙中含有水时,浆液要能灌进去取而代之的充分必要条件,是浆液对被灌介面的亲和力F=SCOSθ要大于孔隙水对该介质的亲和力F=SCOSθ(1)这也就合理的解释了为什么粘度比水小的甲凝浆材,不能灌入低渗透性(K=10-6~10-8 cm/s)地层,而粘度比水大十几倍的中化—798浆材,却能灌入含泥的低渗透性地层这一现象。上述结论明确的指导了我们,引入表面活性剂,来降低浆液对被灌介质的接触角, 降低浆液与被灌介质之间的界面张力,是提高浆液渗透性的有效途径。所以,我们对与浆材体系相容性好的表面活性剂做了大量筛选工作,使其渗透性能进一步提高,即使在无压状态下,也具有很好的自渗能力。

    2) 对中化-798浆材各组分间反应机理的研究表明,通过加入添加剂等方式,去促进或抑制组分间的某些反应,提高某些中间产物或副产物的含量,这可以提高浆材固结体的力学性能和渗透性能(2)。另外,通过催化剂激活非活性溶剂丙酮分子,参与体系反应连接到固结体的网络结构中,对减少固结体的收缩性,提高其韧性和耐老化性等十分重要。活化度越高,性能越好。研究还表明,将预聚的丙酮与糠醛反应,不仅可以提高浆材固结体的力学性能和耐老化性能,还可以降低糠醛的毒性,这符合环保要求。

    因此,上述研究结果,对指导我们筛选高效的催化剂和配方的改进,发挥了重要作用。目前,国内的改性环氧化灌浆材,许多与中化-798浆材一样,主剂都是双酚A环氧树脂、丙酮、糠醛;固化剂都是可常温固化的脂肪胺或改性混合胺;然而,各种配方的浆材的渗透性能、力学性能(尤其是湿粘结强度)、收缩性、耐久性等方面差别较大。除各自配方中各组分配比不同、固化剂不同之外,还与丙酮是否能被激活以及与添加剂及配制工艺有关。

    3) 为了提高中化-798化灌浆材与被灌介质的粘接强度,我们从偶联剂的加入对提高粘合剂粘接强度这一原理得到进一步的启示,首先在浆材中引入偶联剂,但在应用实践中我们发现,在饱水介质情况下,其偶联剂的增强效果甚微。进一步研究表明,这是与使用的偶联剂的水解速度有关。因此,我们重新对偶联剂进行了筛选(3)。从而使换代后的中化-798浆材在湿粘接强度方面远高于同类产品。

    以上三点不但对中化-798的升级换代起着重要的指导作用,至今仍以对新的化灌浆材的研究起着指导作用。2000年,笔者作为第一代中化-798专利的发明人之一,向中科院广化所购买了该项专利。2003年运用上述两个机理的研究成果作指导,研发出了第三代中化-798浆材,称为中化-798-Ⅲ高渗透改性环氧化灌浆材(KH-3),还针对混凝土属多孔介质的特性,研发出了混凝土专用的渗入固结型高渗透改性环氧防腐涂料(KH-1)、万博manbetx官网手机版登陆涂料(KH-2)、用于与卷材或柔性涂料组成复合万博manbetx官网手机版登陆体系的万博manbetx官网手机版登陆与粘接双功能界面粘合剂(KH-5)、以及无需抛丸处理的喷涂聚脲专用高渗透底涂(KH-7),统称为高渗透改性环氧系列材料,于2005年在广州科化万博manbetx官网手机版登陆防腐补强有限公司投入生产。2007年9月建设部组织对万博manbetx官网手机版登陆防腐涂料进行了评估,鉴定为国内领先水平。并于年底列为全国建设行业推广项目。2008年荣获科技部、商务部、国家质检总局与环保总局联合颁发的《国家重点新产品》证书。2011年科技部将之列入国家火炬计划项目,同年荣获广东省《高新技术产品》证书。

    3.3.2高渗透改性环氧系列材料的基本性能:

    见表1

    (表1)

    序号

    项目

    技术指标

    1

    密度(g/ml)

    1.03—1.12

    2

    起始粘度(mPa.s)

    3—13.0

    3

    初凝时间(h)

    6—80

    4

    抗压强度(MPa)

    60—100

    5

    抗拉强度(MPa)

    10-25

    6

    压缩抗剪强度(MPa)

    18—27

    7

    粘接强度(MPa)

    干燥基面≥

    4.5-5.5

    潮湿基面≥

    3.5-4.2

    8

    透水压力比(%)≥

    300-375

    9

    抗渗压力(MPa)>

    1.2-1.4

    10

    冻融循环前后重量变化率(%)≤

    4

    11

    耐化学质介浸泡14天

    5%HCL≤

    无变化

    饱和Ca(OH)2≤

    无变化

    12

    耐紫外线老化1000小时

    无变化

    13

    第一代大气暴晒老化试验10年

    力学性能未下降

    14

    高标号C50混凝土渗入深度(mm)≥

    2—3.5

    4、高渗透改性环氧系列材料在工程中的应用及新案例:

    中化-798-Ⅲ高渗透改性环氧系列材料由于性能优异,自2005年投产以来,应用范围不断扩大。大都用于国家重点建设工程之中,七年来已在北京、天津、广州、深圳、大连、成都、重庆、南宁等城市地铁工程中应用,也在京沪高铁工程中应用;在高速公路桥面、隧道结构的止水补强工程中的应用,因其耐久性好,特别是能适应像内蒙这样温差变化大的高寒地带,越来越得到业主和施工方的青睐;水利水电方面,已在龙滩、尼那、小天都、金银台、多诺、大方落潭、松柏坡、小湾、锦屏等多个大坝基础、大坝裂缝补强工程和都江堰枢水干渠万博manbetx官网手机版登陆中应用,去年底又在大岗山大坝V类岩基础处理现场试验中取得成功;在海港防腐工程中,已成功的处理了两个海军基地码头,因而,高栏港神华集团码头决定采用,也将进入施工阶段;在生活污水处理池的万博manbetx官网手机版登陆防腐和工业污水处理池替代传统的环氧玻璃钢作万博manbetx官网手机版登陆防腐取得良好的效果,已在青岛等地下污水处理池设计中采纳;在民用建筑工程的渗漏治理方面,应用案例很多,高渗透改性环氧万博manbetx官网手机版登陆涂料和灌浆材料现已列入《地下工程渗漏治理技术规程》中。在上述领域应用的部分工程实例,可查阅笔者发表在《科技成果管理与研究》2011年第五期上第90-94页,也有一些单位如天津地铁、北京城建集团、内蒙公路公司等单位发表了高渗透改性环氧在工程中应用的文章。下面将最近在工程中应用的新案例作简要介绍。

    4.1在北京西客站地铁预留段工程中的应用

    4.1.1 工程概况

    上世纪九十年代北京西客站建成时有预留段,拟与地铁7号线和9号线接轨,预留段全长719米。2011年4月,中铁14局进场施工与9号线对接,发现预留段内积有20-750px厚的淤泥,渗漏情况严重,几十处钢筋锈蚀,部分裸露,据统计资料,存在0.3mm以下微细裂缝144.67m,大于0.3mm的裂缝413.2m,贯穿性裂缝265.96m,渗漏的变形缝687.46m,钢筋锈蚀62处,锈蚀长度338.1m,锈蚀总面积820.5m2,渗漏与钢筋锈蚀情况见照片1-4。

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    4.1.2 治理方案

    笔者接受委托为该项工程治理提供治理技术实施方案,笔者对工程病害状况进行了分析,认为预留段内20-750px厚的淤泥是因为围护结构破裂,厚达1m的主体结构层出现多处贯穿性裂缝和变形缝漏水,将围护结构外的泥土大量带入后淤集而成,因此,在围护结构外必然存在大量空洞,要求用地质雷达探测其准确位置并绘制病害状况展开图。探测和绘制完成后,按照排堵结合,辩证施治的原则,制订了初步方案,经专家组讨论修订后形成了以下实施方案:

    1)先对空洞进行水泥充填灌浆,进浆量减少后用高渗透环氧化灌浆材进行复合灌浆,这是因为有的空洞可能已成了储水洞,应先进行水泥充填灌浆,灌后可减少裂缝漏水量和渗水压力,但钻孔时已打穿了结构和围护层,水泥灌浆后在两层的孔口的因水泥浆固化后会收缩,可能在孔口可能形成新的渗漏通道,水泥进浆量减少后用环氧进行复合灌注,就可以避免新的渗漏。

    2)裂缝和施工缝的治理,漏水量大的可以采取水泥-化学灌浆液复合灌浆,漏水量小的可以直接进行化学灌浆

    3)进行大面积渗水治理。沿湿渍边缘外1000px左右将混凝土保护层剥去1-50px,用高压风清理混凝土表面浮尘,寻找有无集中渗漏点,如有,则在渗漏点钻孔灌聚氨酯材料止水,然后涂刷无机胶凝材料(水不漏或堵漏灵)一层,厚度约1mm,1小时后涂刷高渗透改性环氧万博manbetx官网手机版登陆与粘接双功能界面粘合剂(KH-5)两遍,间隔40分钟,每遍用量0.3Kg/m2,4小时后用聚合物水泥砂浆批荡抹平。如没有集中渗漏点的就直接这样做施工。

    4)变形缝大都漏水量大,应最后处理,采用水泥-化学灌浆液复合灌浆,钻孔时应在变形缝两边打斜孔,避免伤及原有止水带,两孔交汇在变形缝外距变形缝10-375px处,复合灌浆止水后,对缝内原充填的密封胶进行剔除,至少剔除500px深后重新灌注聚氨酯密封胶。

    5)钢筋裸露部分的补强处理,凿除锈蚀钢筋周围的混凝土,凿除宽度比钢筋锈蚀两边各宽125px,深度控制在3-125px,凿除长度两端比锈蚀长度各长1250px,钢筋除锈后加筋焊接,保证焊接长度不小于10倍钢筋直径,然后清理混凝土表面,完成后用KH-5界面粘合剂涂刷两遍,间隔40分钟后涂刷第二遍,总用量0.5Kg/m2,涂后2小时涂抹水泥砂浆,每次涂抹厚度控制在2 cm左右。

    6)面锈蚀治理,锈蚀面积大,处理程序是凿除锈蚀部分混凝土保护层,加筋焊接补强,然后按上述钢筋裸露部分的治理步骤和方法施工,但最后是在用KH-5涂刷后采用C40细石混凝土批荡恢复保护层。

    以上方案经中铁14局施工后,于2011年11月16日通过了工程验收,年底实现了与地铁9号线接轨投入运营。

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    4.2 武汉保利集团某大厦地下室渗漏治理

    4.2.1 工程概况

    武汉保利集团收购的某大厦地下室为两层,出现有30多条裂缝漏水和室内多处大面积渗水,渗漏水压力大,每天需3台泵抽排水

    4.2.2 治理方案

    1)鉴于地下水压力大,先进行渗水面治理。如果先进行裂缝堵水,必然会在堵水完成后增大渗水面的压力。渗水面的治理采取方法如下:先凿除结构保护层约1-37.5px,查找有无集中渗漏点,如有则先单点灌聚氨酯,然后用上述对北京西客站地铁预留段渗水面治理的方法进行治理。

    2)裂缝灌浆:该工程的漏水裂缝基本上都是贯穿性裂缝,部分漏水呈喷射状,水压较大,所以,在施工时应从旁引水,再进行水泥与高渗透改性环氧浆材复合灌浆。

    方案制订后由武汉中大万博manbetx官网手机版登陆装饰工程公司施工,在施工中发现,有些渗水面的渗水压力大,在涂抹水不漏无机速凝材料和第一遍涂刷KH-5后面上仍有微量水渗出,后来准备了红外灯和热风筒,在涂完第二遍KH-5后马上用红外灯照射加热另加热风吹,加速KH-5的固化,解决了渗水问题,治理效果业主方很满意,2011年7月已交付使用<, /P>


    4.3 都江堰输水干渠的渗漏治理

    都江堰混凝土输水干渠约100公里,部分年久失修,渗漏严重,需要治理,今年3月,设计院针对不同情况,做出了如下设计:①对混凝土状况还好,可继续使用的,对渠内裂缝进行高渗透改性环氧KH-3化灌补强,再对渠面缺陷修补后表面上涂刷KH-5,涂刷两遍,间隔40分钟涂刷一遍,每遍用量0.3Kg/m2。②对混凝土状况较差的,也是先灌裂缝,修补渠面缺陷,清理干净后涂KH-5一遍,用量0.4Kg/m2,然后在上面布钢丝网,浇注125px的细石混凝土,养护14天后,在面上再刷一遍KH-5,用量0.4Kg/m2,前面在水渠面上涂一道的目的,关键是要保证新老混凝土的粘接,万博manbetx官网手机版登陆是次要的。后面在新浇面上涂刷一遍是起预万博manbetx官网手机版登陆的作用。施工后情况见图6、图7:

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    今年4月,三个施工队在不同地段同时施工,月底通过工程验收后已按时放水

    4.4 海军基地码头的潮差带防腐工程

    南海舰队某基地码头,前些年建造时未作防腐处理,海水对潮差带结构梁柱的腐蚀明显,2010年8月要求使用高渗透改性环氧防腐涂料作防腐处理,海军有关部门按照海港工程防腐的要求,提出了在潮差带的梁柱上先清理海蛎子等附着物,再对表面缺陷进行修补和清洁后涂刷KH-1防腐涂料,底涂用量0.4Kg/m2,涂刷两遍,面涂用量0.5Kg/m2,也是涂刷两遍,2010年10月完成了施工,11月通过验收。2011年7月他们认为此码头处理效果好,又按上述要求对另一个海军基地码头进行防腐施工并投入使用。

    5 结论

    填补国内空白具有高渗透功能的混凝土专用万博manbetx官网手机版登陆、防腐涂料和双功能界面粘合剂及喷涂聚脲底涂等系列产品,与不能渗透只能表面成膜的其他同类环氧产品相比,能形成植根式的涂膜与固结增强层,所以,在湿粘接强度、抗渗能力、抗冻破坏、抗氯离子渗透、抗冲磨方面具有不可比拟的优势,综合效果更体现在使混凝土结构耐久性的成倍提高,这已被几年来的工程应用效果所证实,因而在各类建筑工程中的应用越来越广。同时,也激发了一些企业和科研单位研发生产改性环氧和高渗透改性环氧产品的热情,前几年出版的《万博manbetx官网手机版登陆材料手册》中根本没有环氧类万博manbetx官网手机版登陆材料这个名词,现在已有十几家生产厂家在沈春林教授的带领下正在制订《环氧树脂万博manbetx官网手机版登陆涂料》的行业标准,这标志着环氧类产品将正式进入万博manbetx官网手机版登陆材料的新品种之中,也标志着高渗透改性环氧从主要在国家重点工程中的应用进而进入广阔的民用建筑万博manbetx官网手机版登陆材料市场,在百花齐放的氛围中,不断改进提升,广播四方。