新型灌浆材料的研制与应用

[摘 要] 以环氧树脂以及乙烯基酯树脂为主材开发出了两种灌浆材料，两种灌浆材料具有固化时间可调，粘结强度高的特点，适合对大于0.1mm混凝土裂缝进行灌浆补强。通过在工程中的应用及原型试验表明，两种灌浆材料的可灌性好，经过修补的结构，可满足工程对耐久性的要求。
[关键词] 裂缝；灌浆材料；环氧树脂；乙烯基酯树脂
裂缝是混凝土建筑物常见的病害，主要由荷载、温度、干缩、地基变形、钢筋锈蚀、碱集料反应、地基冻涨、混凝土质量差、水泥水化热温升等原因引起，有的裂缝在施工期就产生，有的在工程运行过程中形成。裂缝的存在不仅影响建筑物外观，而且会引发其他病害的发生与发展，如渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏及钢筋锈蚀等。这些病害与裂缝相互作用，形成恶性循环，对建筑物耐久性危害极大。因此必须对裂缝进行科学、合理、有效的处理。
裂缝产生原因有不同，所处位置不同，影响程度不同，在处理方法上也会不同。根据国内外设计规范及有关试验资料，混凝土最大裂缝宽度的控制标准大致如下：
（1） 无侵蚀介质，无防渗要求，0.3mm-0.4mm；
（2） 轻微侵蚀，无防渗要求，0.2mm-0.3mm;
（3） 严重侵蚀，有防渗要求，0.1mm-0.2mm。
对于不影响结构受力和耐久性的裂缝，不需加固，只要表面处理即可，根据日本规范和我国经验，大致按表1界线处理裂缝。
表1 修补与不修补的缝宽界限（mm）[1]
环境工程重要程度区分
耐久性（结构所处环境） 防水防气，防射线要求
恶劣的 中等的 轻微的
（A）必要修
补的 大 0.5以上 0.6以上 0.8以上 0.2以上
中 0.6以上 0.7以上 0.9以上 0.2以上
小 0.7以上 0.8以上 1.0以上 0.2以上
（B）不必要修
补的 大 0.2以下 0.3以下 0.4以下 0.05以下
中 0.3以下 0.4以下 0.5以下 0.05以下
小 0.4以下 0.5以下 0.6以下 0.05以下
根据裂缝扩展不同，可采用不同处理方法，凡裂缝宽度在0.1mm~1.0mm时，必须采取化学灌浆；宽度达到1mm以上可用无收缩普通水泥或超细水泥灌浆。颗粒型水泥灌浆不适应细微裂缝和裂隙的处理，必须采用无颗粒的化学灌浆，一般化学灌浆材料要求：
（1）浆液粘度低，可灌性好，能在较低的压力下，比较容易灌满微裂缝。
（2）浆液有良好粘结性能。用于补强加固灌浆，还必须有一定的抗压和抗拉强度，固化后收缩小，抗渗性好。
（3）操作性能好，浆液有较长的适用期，便于施工。还要求浆液凝胶时间可调，以适应不同灌浆要求。
（4）浆液无毒或低毒，不会造成环境污染。
环氧树脂具有强度高，粘接力强，收缩小，化学稳定性好等优点，但环氧树脂本身粘度较大，作为灌浆材料，必须采取降粘措施，传统应用的稀释方法有三种，其一，采用丙酮、二甲苯等非活性稀释剂来稀释环氧树脂，虽然此种方法降粘效果好，但因大量稀释剂不参与反应，不断挥发，必然造成固化物收缩大，物理力学性能差，粘结力低。其二，用活性稀释剂，但其降粘效果还达不到灌浆要求。其三，采用糠醛-丙酮体系，虽然提高可灌性，但浆液粘度的增长速率很快，适用期短，扩散范围小，操作控制麻烦，固化时间长，因而限制了它的应用。
将两种或两种以上的高分子链或长序列链段通过化学键合成或物理混合的方法，可以制成多组分的聚合物，这是获得具有更佳综合性能或独特性能的高分子材料的主要途径之一。本项目采用环氧树脂与改性高分子聚合物共混，成为互穿聚合物网络的复合物。将两种高分子聚合并交联形成互相贯穿的网络结构，既解决了环氧树脂粘度问题，又获得优异的综合性能。
本项目还进行了乙烯基酯灌浆材料的研究，并对化学灌浆的施工工艺及施工机具进行了优化。
1 试验方法
对灌浆材料进行粘度、抗压强度、抗拉强度、混凝土-混凝土抗拉粘接及混凝土抗折粘接等试验。
1.1粘度
用涂-4杯粘度计测试。其方法是，将一定体积的试样注入仪器内，以试样流出所需时间来表示试验粘度，以秒计。
1.2抗压强度
采用20mm×20 mm×20 mm立方体试件进行抗压试验。
1.3抗拉强度
用“8”字形式标准试件测定抗拉强度。“8”字形试件的受拉截面积为500mm2。
1.4混凝土-混凝土粘接抗拉强度
制作“8”字型水泥砂浆，养护28天，室内风干14天备用。试验时，将准备进行粘接试验的“8”字型试件中间拉断，在试件断面涂灌浆材料，之后将试件按原状在断裂处对接好，外用橡皮圈箍紧，室温养护7天后进行抗拉试验。
1.5混凝土-混凝土粘接抗折强度
制作高强度4×4×16cm3水泥砂浆试件，养护28天，室内风干14天备用。试验时，将准备进行粘接试验的抗折试件在抗折试验机上从中间中断，在试件断面涂抹灌浆材料，并将试件按原状在断裂处对接好，外用橡皮圈箍紧，室温养护7天后进行抗折试验。
2 EA改性环氧灌浆材料的研制
2.1环氧树脂的选择
国产环氧树脂的种类很多，最常用的是双酚A型环氧树脂。常用的国产双酚A型环氧树脂的牌号和规格见表2。为便于生产和使用，选择在常温条件下呈液态的E51及E44环氧树脂。
表2 常用国产环氧树脂的牌号和规格
国家统一牌号 软化点（℃） 环氧值（当量/100克）
E-51 粘度 <2500厘泊 0.48~0.54
E-44 14-22 0.40~0.47
E-42 20-28 0.38~0.45
E-35 20-35 0.30~0.40
E-20 64-76 0.18~0.22
E-12 85-95 0.09~0.15
2.2改性高分子聚合物共混比例对灌浆材料粘度和性能影响
改性高分子聚合物能降低共混体系的粘度，进行了改性高分子与环氧树脂不同比例共混后的性能试验。
表3 活性稀释剂与非活性稀释剂的加入对粘度及粘接强度的影响
编号 环氧树脂/ 改性高分子 非活性
稀释剂 粘度
（s） 抗拉粘接强度
（MPa） 抗折粘接强度
（MPa）
5-1 100/50 - 17 >9.3 >11.21
5-2 100/40 10 17 >5.2 >12.82
5-3 100/30 10 19 >7.2 >9.7
5-4 100/20 10 26.5 >7.8 >10.3
5-5 100/10 10 63 >7.0 >9.1
5-6 100/30 - 26 >8.2 >10.9
5-7 100/0 30 22.5 8.8 8.7
注：粘接强度“>”指破坏发生在砂浆上，即表示灌浆材料的粘接强度高于被粘混凝土的相应强度。
除5-5组外，所有配比的粘度都可对0.1mm以上的裂缝灌浆。5-1~5-6抗拉粘结强度和抗折粘结强度都高于被粘体强度，满足灌浆加固要求。而单用非活性稀释剂稀释的试件，破坏发生在粘结面上，粘结强度还不够高。
2.3固化剂对灌浆材料性能影响
采用几种复合固化剂以适应不同温度下固化要求。
表4 固化剂对灌浆材料性能影响
编号 固化剂 粘度
（S） 抗拉粘接强度（MPa） 抗压强度（MPa）
12-1 A 21 >15.3 33
23-1 B 15 >10.9 41.8
23-5 C 17 >8.3 39.3
由表4可见，三种复合固化剂都能满足共混灌浆材料的固化要求，A型固化剂适用于温度>15℃环境，B、C型固化剂适用于较低环境温度。
2.4灌浆材料粘度随时间变化
掺不同固化剂灌浆材料粘度随时间变化情况如图1所示，不同固化剂对灌浆料初始粘度有一定影响，随时间增加灌浆材料粘度也增加，但对细缝灌浆，两种固化剂的灌浆料至少有半个小时以上的可操作时间，对0.2mm以上的裂缝（用起始粘度较小的B型固化剂）可有1~2小时的操作时间，可满足实际使用的要求。
图1 固化剂对灌浆材料粘度的影响及经时变化
3乙烯基酯灌浆材料的研制
乙烯基酯灌浆材料由树脂、稀释剂和固化剂等组成，通过配比优化，其性能如表5。
表5 乙烯基酯灌浆材料性能
编号 配方 粘度
(s) 抗压强度
(MPa) 抗拉强度
(MPa) 抗折粘接
(MPa)
S8-1 1 33’ 79.0 22.4 4.56
S8-2 2 23’ 77.4 21.7 >12.4
S8-3 3 18’ 83.6 22.8 >7.2
S8-4 4 16’ 84.1 6.4 2.46
S8-5 5 17’ 107.9 24.3 >11.0
由表5可见，2#及5#配方较好。该浆液强度较高，固化时间可调，操作方便，但收缩比EA改性环氧灌浆材料略大。
4裂缝灌浆施工工艺
裂缝化学灌浆的效果除了与灌浆材料本身的性能有关外，与施工工艺是否合理直接相关，裂缝灌浆的施工主要应注意以下三方面的内容。
(1) 裂缝的处理
清除混凝土裂缝表面松散物和缝内异物，保持裂缝干燥。对于潮湿裂缝，需先止水待裂缝干燥后，再进行灌浆。
灌浆前先用EA树脂胶泥进行封缝和埋设灌浆嘴。灌浆嘴选择质量轻、材料本体性能好的PVC材料制作，可做一次性使用。布嘴间距视裂缝宽度而定，一般为800mm-1000mm，灌浆嘴位置应设在裂缝端部、裂缝交叉处和裂缝较宽处。贯穿裂缝的构件则两个侧面都应布嘴。
(2) 灌浆施工工艺
灌浆施工工艺流程总体如下：
裂缝表面处理—封缝—埋设灌浆嘴—准备灌浆泵—试压—配制灌浆材料—灌浆—检验及表面处理。
在充分作好裂缝表面处理的准备工序的基础上，便可自下而上，先一面再另一面地对裂缝进行灌浆。灌浆时需注意压力表的变化，使压力保持在0.2~0.4MPa，若压力微微下降，说明正在进浆，若压力有超过0.4MPa的趋势，则说明已经灌满，需换注浆嘴。对于贯穿裂缝的较薄结构（结构灌浆厚度<1m），灌浆时若浆液从上面嘴中漏出，则说明已经灌满，可换注浆嘴。
每个嘴子浆液灌满后，要马上套封胶皮管，以防浆液漏出。
对于裂缝较多，可布置工作面的现场，可采用气泵-灌浆罐进行灌浆。对于裂缝不多，或工作面较小的情况下，可采用自制便携式手揿泵进行灌浆。
每次灌浆完毕，都应将所用的全部器具及时用酒精、丙酮或苯液洗净。
(3) 灌浆材料的配制及灌浆
灌浆材料均由双组分组成，在使用前需根据现场条件及使用要求由试验确定适宜的配比。实际施工时，按照配比将甲乙组分混合在一起，用搅拌器搅拌均匀后即可使用。一般情况下，灌浆材料配制后宜在二个小时内用完，故配制材料以一次性用量为宜。
5 灌浆材料的现场应用
5.1南京千帆大厦地下室顶板裂缝修补
南京千帆大厦地下室顶板裂缝修补使用乙烯基酯树脂型灌浆材料，实践表明，灌浆材料可根据工程实际情况调整固化时间，而且裂缝经乙烯基酯树脂型灌浆材料修补后，千帆大厦楼板的整体工作能力达到了设计要求，满足了工程对耐久性的要求。
5.2深圳东部供水工程输水箱涵裂缝修补
深圳东部供水工程是深圳“九五”期间重点建设项目，该工程从东江引水到深圳，是解决深圳市城镇急需用水的主要输水建筑物。在施工工程中，发现工程箱涵中墙及两侧墙有粗细不均，长短不一的裂缝，经检测及分析表明，很多裂缝已贯穿，即使是单侧裂缝，深度也已经较深。考虑到箱涵运行时将承受0.2MPa的水压，使用环氧树脂型灌浆材料（EA改性环氧灌浆材料）对裂缝进行补强修复。实践表明对裂缝进行灌浆，不但修补了裂缝，而且通过对裂缝的修补，浆液还可迅速渗入裂缝周边的蜂窝麻面，对裂缝周围的松散混凝土也起到了加固作用，提高了混凝土结构的整体强度和抗渗性能。修补完成后，对裂缝进行抽检，采用0.2MPa压力持续10分钟做压水试验，没有一条裂缝出现渗水现象。
5.3乌鲁瓦提水利枢纽工程冲砂洞、发电洞裂缝修补
乌鲁瓦提水利枢纽位于新疆和田县境内，是和田河西支喀拉喀什河中游河段上的控制性工程。施工过后发现发电洞及冲砂洞内混凝土出现了一些裂缝、表面蜂窝和错台等缺陷。裂缝选择使用EA改性环氧灌浆材料进行修补。冲砂洞、发电洞混凝土裂缝灌浆后按照0.3MPa/cm2压力持续30分钟共做10条压水试验，没有一条出现渗水现象，经取混凝土芯样检查，灌浆材料与混凝土壁粘接牢固。
现场应用表明，两种灌浆材料的可灌性均非常好，可以对≥0.1mm宽度的裂缝进行补强修复。
6 小结
（1） 两种灌浆材料的可灌性好，力学强度比混凝土高，是细裂缝补强防渗的优级材料。
（2） 乙烯基酯树脂型灌浆材料具有机械强度高、粘度受温度影响小、固化时间易于调整、可在较短的时间内固化等特点。
（3） 环氧树脂型灌浆材料具有机械强度高、粘度低、韧性好、与混凝土粘接性能及稳定性好等特点，经现场应用表明，环氧树脂型灌浆材料可对微细裂缝及松散混凝土进行修复，不仅适用于一般混凝土结构构件，而且完全可以用于水工、路桥、隧道、矿井、岩基等各类建筑的裂缝修补。
（4） 两种灌浆材料的灌浆设备简单，操作工艺不论工作面大小都能使用。
（5） 研制出的两种灌浆材料均只能在干燥情况下使用，因此有一定的应用局限性。对潮湿面的粘接还有待进一步深入。
参考文献：
[1] 工程结构裂缝控制 王铁梦 中国建筑工业出版社 561~584 2000.4