浅析环氧修补砂浆FH-CR31

摘要

桥梁混凝土结构由于长期受车辆重压、冲击的影响、温度变化、水、光照等因素，桥梁混凝土经常出现脱层、破裂。人们常采用纯水泥砂浆重新进行修复，但是新旧混凝土表面亲和性不好，很容易在修复处出现裂缝和破损。上海法赫研发了一种环氧树脂砂浆，采用环氧树脂、稀释剂、固化剂、偶联剂、复合填料、色浆等配制成与混凝土结构外观和性能相近的胶粘剂，实现对混凝土缺陷进行修复，砂浆与旧混凝土的粘结性能与抗压性能超过了水泥砂浆，修复后更坚固。

关键词：环氧树脂砂浆、混凝土修补材料、粘结

1 引言

桥梁混凝土是一种脆性材料，抗拉强度低，在桥梁服役过程中，受到环境腐蚀，外力作用，日积月累，在混凝土结构中极易产生裂缝，从而严重影响钢筋与混凝土之间的粘结作用，影响结构的整体性，降低结构刚度和承载能力。

美国某公路网56万座桥中，处于严重失效的就有9万座，1969年一年用于修复因裂缝而产生钢筋锈蚀损坏公里桥面板费用高达26亿美元，1991年修复损坏的桥梁就耗资910亿美元。而在我国，由于交通量与日俱增，车辆载重不断提升，现多处于带病超负荷的工作状态，加快了桥梁的损坏速度。

在我国的西北地区，高寒、大温差、强辐射、干燥、大风沙、盐碱腐蚀等恶劣气候环境使得混凝土结构处于干湿变化、温度变化、冻融循环、盐碱腐蚀、风蚀等多种自然因素的作用下，日积月累，在混凝土结构中极易产生剥落、裂缝等病害。这不仅影响桥梁结构的使用性能，加快钢筋锈蚀，降低结构的耐久性；还可能危及结构安全。大量实践证明，如果在混凝土结构出现裂缝的初期进行及时的修补和整治，可以延缓和阻止劣化的进一步发展。因此，研究桥梁混凝土修补方法，采取有效防护技术防止混凝土的环境侵蚀、维护混凝土的使用性能，对提高混凝土结构的耐久性和使用寿命具有重要的意义。

1.1 混凝土裂缝修补维护技术现状

1.1.1 目前工程上常用的钢筋混凝土修补方法

1 表面涂抹法

表面涂抹法是在混凝土表面涂刷防水涂膜以封闭微细裂缝的修补方法，也称表面密封法，适用于宽度小于0.2mm的微细裂缝的修补，也可用于混凝土外表面的装饰和防水处理，防止混凝土保护层的碳化和有害离子对混凝土的腐蚀。这种方法是沿混凝土结构表面涂刷水泥浆、有机涂膜材料修补混凝土结构表面微小的裂缝。

2 开槽填补法

沿混凝土裂缝开凿成槽，用聚合物水泥砂浆将其填补封闭的方法称为开槽填补法，适用于结构允许开槽宽度较大数量不多的裂缝。它即可以封闭细缝，也可以处理较大、孤立的裂缝缺陷。

3 钻孔嵌塞法

通常用于灌注墙体中出现的裂缝。孔中应灌注环氧树脂、柔性沥青代替砂浆。该技术用于很直的裂缝。

4 灌浆法

灌浆法分为水泥灌浆法和化学灌浆法。其中裂缝深度大于保护层厚度的混凝土结构宜采用灌浆修补。宽的裂缝、重力坝和厚的混凝土墙，都可以用水泥浆充填。

5 干填塞法

干填塞法师用手工拌制得低含水量的水泥砂浆或聚合物砂浆，置放在修补位置上放置，采用填塞、捣固使该砂浆和原有混凝土结构紧密连接。因为水灰比低，所以收缩很小，修补较牢固，其耐久性、强度和水密性都比较好。

6 黏贴纤维布法

近几年，纤维布在土木工程中的应用一直是国内外研究的重点。随着科学技术的发展，现在已经开发出来了多种纤维复合材料如碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。重量轻、施工简单、耐久性好。

1.1.2 目前工程上常用的钢筋混凝土修补材料

混凝土修补材料可以分为无机类修补材料、有机类修补材料、无机—有机复合材料。

对于产生病害需要修补的混凝土，过去人们常采用比原混凝土强度等级稍高的普通水泥混凝土或砂浆来进行修补。这种方法修补的混凝土路面美观，施工相对简单。但是普通混凝土修补材料的缺点也很明显：

1 普通混凝土温度变形量大，干燥收缩严重，混凝土有开裂的可能。

2 新混凝土的粘结性能不好，在行车载荷作用下新老混凝土之间易开裂，脱落。

3 普通混凝土修补材料需要14天以上的养护周期，才能开放通车，严重的影响交通。

沥青材料也是传统的修补材料之一，即在水泥混凝土路面的裂缝处灌注沥青，达到封闭裂缝的目的。对混凝土路面的抗槽等浅层破坏，通常在路面上加铺一层沥青混凝土达到修补的目的，但这种方法不能从根本上解决水泥混凝土路面修复问题。这种沥青材料修补后的路面材料强度的不均匀，导致传荷不一致，路面平整度差，使用性能大大降低，其次混凝土颜色不一致，影响美观。沥青修补材料在使用中老化现象严重，耐水性不好，使用寿命短。采用改性沥青进行修补，性能会有所提升。

环氧砂浆是由有机和无机材料组成的多相复合材料，其中有机材料为环氧树脂，在砂浆中起到胶结作用。无机材料一般为惰性填料，如中砂、水泥等材料。为了优化性能，一般还要加入各种外加剂，如增韧剂、稀释剂等。环氧树脂砂浆属于聚合物砂浆的一种，与普通砂浆相比，具有以下几个优点：配方设计灵活多变，通过设计改变配方可满足不同的使用性能要求，选用不同的固化剂，能使环氧树脂在0~180℃任意温度条件下固化；二是由于树脂砂浆的强度发展速度远远快于普通水泥砂浆，有报道称：环氧树脂砂浆可以在常温和低温下固化，24小时的强度可以达到最终强度的80%；三是由于环氧树脂分子链中含有极性羟基和醚键的存在，使环氧树脂可以与大多数材料有很好的粘附性，提高环氧砂浆的粘结性能。

由于改性环氧砂浆是由改性环氧树脂、固化剂、增韧剂、稀释剂、填料等按一定比例配置而成的。具有固化收缩小、粘结强度高、弹性模量低、极限拉伸大及抗冲击性能强，且改性环氧砂浆不仅能用在干燥混凝土面，也能在潮湿、水下和低温条件下使用等优点，目前在水工建筑物方面已广泛使用。在国外改性环氧砂浆的研究和应用十分迅速，产品种类多，性能优良、施工简单。瑞士规定所有的铁路轨枕和电缆管道等都必需采用改性环氧砂浆或树脂混凝土；日本近年来在这方面研究和应用很快；美国和德国等西方发达国家在这方面的研究和应用较早，广泛用于水坝、水工建筑物过流面、水电站消力池的保护和公路路面、工厂地面等方面。

我国最早应用环氧砂浆进行修补的工程是1964年新安江电站溢流面的维护修补工程，面积达3860m2，厚度约2cm左右。环氧砂浆修补层长期暴露在大气中，处于高温紫外线照射下遭受干湿循环、冷热循环，经过了20多年运行，依然发挥着效益。经过几十年的研究和发展，开发了普通环氧砂浆、潮湿水下环氧砂浆、低温固化环氧砂浆、弹性环氧砂浆等多种类型的环氧砂浆。应用范围也扩大到裂缝修补、冻融剥蚀修补、钢筋锚固、抗冲刷结构保护层等领域，发挥了越来越大的作用。

1.2 环氧砂浆的作用机理

环氧砂浆的强度形成过程是物理变化和化学反应的共同作用。此过程可以根据进程分以下几个阶段：

1、环氧树脂—固化剂体系对填料的浸润过程。这个过程是环氧砂浆成型的基础，对环氧树脂浸润性能不好的集料，砂浆拌合后很容易产生离析现象，粗集料沉底。各种物件填料，特别是中性或弱碱性的石料，矿粉，水泥，矿渣能够达到很好的浸润效果。填料的表面性质如浸润性、吸附性等对此过程影响较大。

2、填料的间隙被环氧稀释液充分填充，排除环氧砂浆内部的气泡，形成致密、均匀的结构。如环氧树脂稀释液的初始粘度过高，稀释液不容易流动并渗透到填料之间。主要影响因素是环氧砂浆拌合物的和易性、流动性，取决于胶液的配方、环境温度、填料的性质。可通过调整胶液配方、填料级配及温度控制措施来调节。

3、固化物形成过程，在一定的条件下环氧树脂与固化剂反应，经历胶液凝胶三维交联结构形成固化物。主要的影响因素是体系的预热温度、升温速度、固化温度、固化时间、养护条件等。

4、环氧材料界面层结构的形成，它是随着环氧树脂固化反应的进行逐步形成的。不仅取决于胶液配方和体系的热历程，而且还与填料等材料的表面性能密切相关。

1.3环氧砂浆的组成材料

1、EP主剂

环氧树脂经历了数十年的发展，已经开发出了上百种规格品种，其中双酚A型环氧树脂发现较早，应用最广泛的树脂，占环氧树脂总量的90%，其分子结构中含有羟基和醚键，固化过程进一步生成新的—OH和   —O—，使固化物具有很高的内聚力和粘附力，工艺性较好。E型环氧树脂是双酚A与环氧氯丙烷在碱性催化剂作用下缩聚而成的线性聚合物。

2、树脂固化剂

树脂本身不会交联固化，需要掺入固化剂，才能发挥材料的性能。目前国内市场上所用的环氧固化剂品种繁多、功能各异。按照固化温度可分为低温固化剂、常温固化剂、高温固化剂：按用途可分为：低温固化剂、快速固化剂。通常按化学结构特点分为碱性固化剂、酸性固化剂、含活性基团的合成树脂固化剂。根据路面修补的实际工程需要，需采用常温下快速固化剂。

3、稀释剂

环氧树脂在室温的粘度非常大，拌制及使用不方便，需要加入一定量的稀释剂以降低粘度，增加流动性，改善树脂对集料的浸润性，增加填料用量，从而降低成本。环氧树脂用稀释剂有活性稀释剂和非活性稀释剂。在配制环氧树脂砂浆时依据固化剂种类不同 选择合适的稀释剂以达到良好的效果。同时考虑选择毒性较小的稀释剂。

4、填料

制备环氧树脂砂浆时，填料对环氧树脂砂浆的性能有很大的影响：

1 填料种类的影响，不同的填料制备的树脂砂浆强度是不同的，有水泥、石英石、纤维料等

2 填料颗粒度的影响，在树脂砂浆中，树脂包围填料颗粒表面形成一厚度均匀的膜，填料颗粒之间的空隙也是树脂与粉料填充，填料空隙越大，需要的树脂的量就越多，增加成本，性能不够理想。合理的选择适当的颗粒度填料，在堆积形成的空隙中被小颗粒的填料、粉等填充，树脂用量大大减少，同时提高砂浆的强度。

3 填料含水率的影响，随着填料的含水率的增加砂浆的强度显著下降。

5、其他

还要加入增韧剂、偶联剂、色浆等辅助材料。

1.4 环氧砂浆在国内外的应用现状

环氧砂浆属于聚合物砂浆的一种。目前环氧砂浆复合材料的研究几个主要发展方向：（1）环氧砂浆的性能研究。对环氧砂浆的收缩性、机械强度、耐火性、耐化学腐蚀性、抗冻性等各项性能的研究。（2）环氧砂浆的配制研究。（3）环氧树脂材料研究。

目前，环氧树脂在混凝土领域的应用，以环氧树脂制成的环氧胶，其性能优越、改性途径较多，近年发展较快。大多用于混凝土构件的粘接和修补、桥梁工程、飞机跑道、公路修造、混凝土结构裂缝补强加固或防渗堵漏灌浆等领域。

长沙理工大学交通工程学院的李宇峙等研究了钢桥面铺装出现的大量早期损坏的问题，对环氧树脂结合料配方和环氧树脂混凝土级配研究。研究表明：环氧树脂混凝土抗压强度很高，接近水泥混凝土的2倍。其强度远大于沥青混合料。他们研究的环氧砂浆强度：3d的抗压强度可达37Mpa。说明了环氧砂浆的强度形成所需时间很短，并且早期强度很高，适用于水泥混凝土路面的修补、工程抢修等，有开放交通早、节约交通管制费用等优点。

中国水利水电科学研究院的的学者研究了环氧砂浆应用在水工抗冲磨修材料。他们分析了环氧砂浆抗冲磨性能的技术途径，并对环氧砂浆材料的抗冲磨性能进行研究。进行了环氧树脂的断裂韧性试验，研究了增韧剂对环氧树脂断裂韧性的影响；研究了流速、增韧剂掺量、填料比例、含砂量因素对环氧砂浆磨损腐蚀性能的影响。

粘结剂是环氧树脂在混凝土领域的另一重要应用。桥梁构件在使用时承担了很大应力，为此桥梁构造时使用大量的预应力钢筋混凝土的构件。桥梁混凝土构件由于桥面过车的长期振动容易产生间隙，不仅不利于行车质量，更有安全隐患。工程上采用环氧树脂胶进行粘结。

上海法赫研发的环氧树脂砂浆FH-CR31是一种无溶剂、可在潮湿基面上施工的、双组份、触变性环氧结构粘结剂和修补砂浆。FH-CR31是由环氧树脂和一些特殊填料组成，适用温度在+10℃和+30℃之间。

2、FH-CR31环氧修补砂浆配制与试验

环氧树脂砂浆的浆液配合比优化：

1、把固化剂用量、稀释剂用量、增韧剂用量和气相二氧化硅按一定配比、一定的先后顺序加入搅拌混合均匀制得A组份。

2、将水泥和砂干燥后混合均匀制得B组份。

3、将A组份和B组份搅拌均匀制得环氧树脂砂浆。

环氧砂浆制备工艺流程图：

图1、环氧砂浆制备工艺

3、FH-CR31环氧修补砂浆的特点

特点：

易于拌合和施工

在干燥和带潮气的混凝土表面都适用

在大多数结构材料之间有良好的粘结性能

触变性：立面和顶面施工无流淌

无溶剂

固化后无收缩变形

无需底涂

良好的耐磨性能

防液体和水蒸气的渗入

良好的耐化学腐蚀性能

4、FH-CR31环氧修补砂浆的应用

4.1 结构粘结剂和粘结灰浆，可用于粘结：

混凝土构件

硬质天然石材

陶瓷和纤维水泥制品

砂浆、砌体

铁、钢、铝材

木材

聚酯材料和环氧材料

玻璃

4.2 修补砂浆和粘结剂，可用于：

修补结构边角

修补蜂窝麻面

立面和顶面施工使用

填缝和裂缝封闭，可用于：

连接和桥接裂缝，及棱边修补。

混凝土局部脱落

5、FH-CR31环氧修补砂浆的参数和技术数据

5.1 FH-CR31环氧修补砂浆的参数

颜色：A组份：白色

B组份：深灰色

A+B组份：混凝土灰色

包装：6Kg/套（A+B组份）：一托架：480kg(80*6kg)；

1.2kg/套（A+B组份）：一盒：6*1.2kg

密度：

~1.90 0.1kg/L（A组份，23℃）

~1.90 0.1kg/L（B组份，23℃）

~1.90 0.1kg/L（A+B组份，23℃）

收缩：固化后无收缩

热膨胀系数：59x10-6/℃（温度范围：23℃—60℃）

热稳定性：热变形温度=49℃

5.2 FH-CR31环氧修补砂浆的主要技术数据

抗压强度：(单位：N/mm2)

固化时间          +10℃            +23℃       +30℃

1天             25-35         45-55        50-60

3天             40-50         55-65        60-70

7天             50-60         60-70        60-70

抗弯强度：(单位：N/mm2)

固化时间          +10℃            +23℃       +30℃

1天             11-17         20-30       20-30

3天             20-30         25-35       25-35

7天             23-35         30-40       25-35

抗拉强度  (单位：N/mm2)  

固化时间                 +10℃           +23℃      +30℃

1天                2-6         6-10     9-15

3天                9-15        17-23   17-23

7天                14-20       18-24    19-25

结合强度（依据EN ISO 4624，EN1542，EN12188标准）

固化时间       温度     基底材料      结合强度

1天        +10℃     干燥混凝土      4N/mm2

1天        +10℃      潮湿混凝土     4N/mm2

1天        +10℃      钢材            6-10N/mm2

3天        +10℃      钢材            10-14N/mm2

3天        +23℃        钢材         11-15N/mm2

3天        +23℃        钢材         13-17N/mm2

  图2.环氧修补砂浆的应用

6、FH-CR31环氧修补砂浆的施工和注意事项

6.1 FH-CR31环氧修补砂浆的施工

基面要求：

1 砂浆和混凝土材质的龄期必须大于28天，具体时间取决于强度的最小要求值；

2 当基面材质为混凝土、砌体和天然石材时，要检验基面的强度；

3 所有材质的基面必须干净、干燥、无灰尘、油脂、旧有涂层及抹灰等污染物；

4 钢基面必须用类似Sa2.5的钢表面除锈要求除锈；

5 基面状况良好，无松散微粒；

6 施工条件/限制：

基面温度             +10℃~+30℃

周围环境温度        +10℃~+30℃

材料温度             可施工温度在+10℃~+30℃之间

基面温度             当使用湿养护的混凝土表面，用刷子涂刷

露点               周围环境温度须高于露点3℃以上

施工指导：

混合比：A组份：B组份=2:1（重量/体积）。搅拌：将A组份和B组份混合在一起，用带搅拌器的慢速电钻（速度不超过600转/分钟）进行搅拌，必须完全搅拌至少3分钟，直到成为均一的灰色混合物。然后将整个混合物倒入一个干净的容器中，再次低速搅拌至少1分钟，在搅拌过程中尽量避免空气的搅入，搅拌量必须控制在可施工时间内用完。

施工方法/工具

当薄层涂抹时，用抹刀、灰刀或戴上手套用手施工，直接涂抹到粘结基面上；

当用于框架梁的修补时要用模板；

当用于在垂直面上粘贴金属构件时，要用支撑撑住构件12小时以上，以保持一致的支撑力和压力，时间长短取决于粘结层的厚度和室温；

当粘结材料固化后，要用小锤进行空鼓测试

工具的清洁：在使用后，立即用法赫丙醇清洁剂清洁所有的施工用具和设备。固化后的材料只能通过机械方式去除

6.2 FH-CR31环氧修补砂浆的使用注意事项

可施胶时间：依据EN ISO9514标准

+10℃                        +23℃                                +30℃

~145分钟                 ~45分钟                        ~35分钟

可施胶时间从环氧树脂和固化剂混合搅拌起算，高温下可施胶时间较短而低温下较长；搅拌量越多，可施胶时间越短；另一种延长可施胶时间的方式是在搅拌之前，将A、B线份冷藏（不低于5℃）

注意：此产品技术说明书上的技术数据均基于实验室测试的结果，实际数据会根据不可抗力因素而有所不同

健康和安全信息：

保护措施：材料包含水泥可能会引起皮肤过敏。施工时必须穿戴手套、护目镜等。

生态保护：详情请参照法赫安全说明书。

运输等级：详情请参照说明书，残留物料根据当地的规定处理，完全固化的物料可经当地管理部门同意后，可作为普通垃圾处理。

毒性：详情请参照法赫安全说明书。

7、总结

本文介绍了混凝土结构修补方法和材料，其中环氧砂浆材料作为浆混凝土结构的修补性能卓越。进一步阐述了环氧砂浆的基本组份及各组份的作用。由上海法赫研发的FH—CR31环氧修补砂浆可用于混凝土结构的修补，包括：修补蜂窝麻面、立面和顶面施工使用、填缝和裂缝封闭、连接和桥接裂缝、混凝土局部脱落；还可用于结构粘结剂和粘结灰浆，可用于粘结：混凝土构件、硬质天然石材、陶瓷和纤维水泥制品、砂浆、砌体、铁、钢、铝材、木材、聚酯材料和环氧材料、玻璃等。优点突出：无溶剂、固化后无收缩变形、无需底涂、良好的耐磨性能、防液体和水蒸气的渗入、良好的耐化学腐蚀性能。

参考文献

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