混凝土裂缝修复材料的研究.pdf

全 国中文核心期刊 斩 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 # # 女 # ” 混凝土裂缝修复材料的砜穷 王建辉 ， 张浩博， 桑国臣 ( 西安理工大学 水利水电学 院， 陕西 西安7 1 0 0 4 8 ) 摘要 ： 混凝土裂缝的出现会严重影响结构物的质量、 安全及耐久性， 尤其是高铁混凝土道床板裂缝会导致路基的不均匀沉降， 影响列车的正常运行 ， 严重威胁人类的生命财产安全 。对于混凝土裂缝产生后 ， 采用何种材料进行修补可 以达到比较好 的效果 ， 一 直是相关研究人员关注 的问题 。通过相关力学性能及抗渗效果的测试分析， 对环氧树脂 、 聚氨酯和 S G Z W 灌浆料对混凝土裂缝 的修 补效果进行了比较 。结果表 明， s G Z W 灌浆料具有早强、 高强和一定抗渗效果的特点， 比较适用于铁路道床板裂缝 的修补。 关键词： 裂缝修补； 环氧树脂； 聚氨酯； S G Z W灌浆料 中图分类号： T U 5 7 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 3 2 0 4 Re s e a r c h o n c o nc r e t e c r a c k r e pa i r m a t e r i al WAN G J i a n h u i ， Z H A NG H o o b o ， S ANG G u o c h e n ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e， Xi a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Xi a n 71 0 0 48 ， S h a n x i ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a p p e a r a n c e o f c r a c k s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s w i l l s e r i o u s l y a f f e c t t h e q u a l i t y ， s a f e t y a n d d u r a b i l i t y ， e s p e c i all y t h e c r a c k， i n hi g h s p e e d r a i l wa y b e d b o a r d， wi l l l e a d t o u n e v e n s e t t l e me n t s o f t h e r o a d b e d， a n d aff e c t t h e n o r mal o p e r a t i o n o f t h e t r a i n ， wh i c h t h r e a t e n s l i v e s a n d p r o p e r t y o f h u ma n b e i n g s e ri o u s l y T h i s i s a l s o wh a t t h e r e s e a r c h e r s f o c u s o n f o r l o n g t i me I n t h i s p a - p e r ， a c c o r d i n g t o me c h a n i c a l pr o p e rti e s a n d p e rm e a b i l i t y r e l a t e d e f f e c t s o f e p o x y ， c o mp a r e s t h e r e p a i ri n g e f f e c t s a mo n g Ep o x y r e s i n ， p o l y u r e t h a n e a n d S GZW g r o u t i n g ma t e rials Th e r e s u l t s s h o w t h a t ， S GZ W gro u t i n g ma t e ria l h a s t h e p r o p e r t i e s o f e arl y s t r e n g t h， h i g h s t r e n gth a n d c e r t a i n i mp e r me abi l i t y e f f e c t ， mo r e s u i t a b l e f o r r e p a i rin g c r a c k s i n t h e r a i l wa y r o a d b e d Ke y wo r d s ： c r a c k r e p a i r ； e p o x y r e s i n ； p o l y u r e t h a n e ； S G Z W g r o u t i n g ma t e ri a l O 前言 近年来， 世界高速铁路客运专线建设得到迅猛发展。 现浇 整体双块式无砟轨道道床板具有结构耐久性强、 轨道稳定性 高、 维修工作量少和技术相对成熟等优点【 l _， 已成为国内外高 速铁路应用范围最广泛的结构形式之一。根据对国内某高铁 客运线双块式无砟轨道道床板的调查显示，道床板本身及其 与预制枕木垫块的交界面处均有不同程度的裂缝出现，裂缝 宽度和间距超过了现行技术条件规范的要求。裂缝的出现使 道床板中的钢筋锈蚀， 锈蚀钢筋挤胀混凝土， 又使裂缝进一步 的扩展， 导致绝缘节点的绝缘卡子逐渐失效， 绝缘性能逐步下 降， 裂缝渗水加速基础下沉并加大基础沉降值， 降低道床耐久 性和道床承载力回 ， 有些裂缝严重区的垫块发生明显的晃动， 影响列车的正常运行和安全， 增加工务部门维修工作量。 大量的研究表明， 混凝土裂缝的出现是不可避免的， 所以 收稿 日期： 2 0 1 1 - 1 0 0 4 作者简介： 王建辉， 男， 1 9 8 4年生， 河南郑州人 ， 硕士研究生。 地址： 西安 市金花南路 5号西安理工大学 2 8 0 信箱， E ma i l ： 1 2 3 4 5 i u 1 6 3 c o rn。 3 2 新型建筑材料 2 0 1 2 5 对裂缝修补材料进行研究，选取合适的材料对裂缝进行及时 修补， 增强结构的耐久性、 安全性具有重要的意义。 1 试验材料 1 1 水泥、 粗细骨料和水 水泥是决定混凝土成本的主要材料， 同时又起到填充、 粘 结等重要作用。 本试验采用秦岭牌P 0 4 2 5 R级水泥， 其各项 性能指标符合G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 相关规定。 粗骨料在混凝土中主要形成紧实的骨架，故其强度要满 足一定的要求， 同时还要满足最大粒径、 含泥量、 级配、 表面特 征等性能指标。 细骨料是混凝土的重要组成部分， 应明确规定 砂的细度模数、 含泥量、 有害物质含量等质量等指标。本实验 采用的粗、 细骨料满足J G J 5 2 2 o 0 6 普通混凝土用砂、 石质 量及检验方法标准 的相关规定。 试验用水为西安市自来水。 1 2 环氧树脂 环氧树脂对混凝土的表面具有优异的粘接强度，变形收 缩率小， 硬度高， 对碱及大部分溶剂稳定， 用于混凝土裂缝的 修复具有修复后结构强度高、 具有一定韧性、 抗渗性好及抗碱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王建辉， 等： 混凝土裂缝修复材料的研究 腐蚀等特点。 本实验采用双组分环氧树脂， 其性能指标见表 1 ， 配合使用的固化剂采用6 5 0 聚酰胺。 表 1 E 一 4 4 环 氧树脂 的性能指标 1 _ 3 聚氨酯 聚氨酯由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟 基化合物加聚而成。 本实验采用水性聚氨酯， 外观为灰色无凝 聚乳液， p H值为6 8 ， 固体含量( 3 0 1 ) ， 具有韧性佳、 无收 缩、 与基材粘着力强、 遇水膨胀防水效果好等特点。 1 4 S G Z W 灌浆料 水泥基灌浆料是以水泥为基材，适量加入天然高强度骨 料、 混凝土外加剂等组成的干混材料， 加水拌合后具有高流动 度、 高强、 早强、 微膨胀等特性， 使修复后的混凝土结构或构件 具有强度高、 抗渗性能好等特点。 本试验采用西安理工大学建 材实验室自 制的S G Z W型水泥基灌浆料， 其性能指标见表2 。 表 2 S G Z W 型水泥基灌浆料性能指标 1 5 试验 内容 在实验室制作抗压强度、 抗折强度、 劈裂抗拉强度和抗渗 性能试验的混凝土标准试件，在标准条件下分别养护7 d 、 1 4 d和2 8 d 龄期， 按照G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性 能试验方法标准 和T 0 5 2 8 9 4 混凝土抗渗试验方法 进行 以上相关性能的试验。 2 试验结果与分析 2 1 抗压强度 混凝土本体、 环氧树脂、 聚氨酯、 S G Z W灌浆料修复体标 准试件的抗压强度发展情况见图1 。 混凝 本体 环氧树脂修复体 图 1 混凝土试件的抗压强度 由图1 可知， 4种混凝土试件的抗压强度都随龄期的增 长而增长， 且初期强度比较高， 强度发展都比较平缓。其中以 S G Z W灌浆料的强度增长情况与混凝土本体最为相似，且一 直都比混凝土本体的强度要高， 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 的抗压强度相 对于混 凝土 本体 提高了0 6 、 2 6 和0 7 ； 聚氨酯修复体的 强度一直都较低， 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d的抗压强度相对于混凝土本 体低 1 8 4 、 1 6 9 和7 4 ； 在早期， 环氧树脂修复体的强度 一 直低于混凝土本体和 S G Z W灌浆料修复体的强度， 在大约 2 3 d 龄期时其强度超过了混凝土本体的强度， 大约2 6 d 龄期 时其强度超过了S G Z W灌浆料修复体的强度， 达到最大， 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d龄期强度相对于混凝土本体强度分别提高了 一 4 9 、 一 4 1 和 1 9 。 2 2 抗折强度 混凝土本体， 环氧树脂、 聚氨酯、 S G Z W灌浆料修复体标 准试件的抗折强度发展情况见图2 。 混凝土本体 环氧树脂修复体 聚氨酯修复体 -S G Z W 灌浆料修复体 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 龄 期 d 图 2 混凝土试件 的抗折强度 由图2 可知， 4 种混凝土试件的抗折强度随龄期的增长 均呈增长趋势。 其中以S G Z W灌浆料修复体的抗折强度增长 趋势与混凝土本体最为相似， 且始终高于混凝土本体的强度， 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d的抗折强度相对于混凝土本体分别提高了 1 1 4 、 6 5 和6 1 ；聚氨酯修复体的抗折强度始终最小， 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d的抗折强度相对于混凝土本体分别低了4 2 9 、 4 1 3 和 3 4 7 ； 环氧树脂修复体的抗折强度增长速率一直较 快，在2 6 d 龄期前一直低于混凝土本体的， 2 7 d 以前一直低 于S G Z W灌浆料修复体的， 7 d 和1 4 d 相对于混凝土本体的 抗折强度分别低4 0 0 、 4 1 3 ， 但是到2 8 d 龄期时其强度超 过了S G Z W灌浆料修复体的达到最大值， 相对于混凝土本体 的抗折强度提高8 2 。 2 3 劈裂抗拉强度 混凝土本体、 环氧树脂、 聚氨酯、 S G Z W灌浆料修复体标 准试件的劈裂抗拉强度发展情况见图3 。 N E W BUI L Dl NG MATE RI AL S 3 3 ， L 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王建辉， 等： 混凝土裂缝修复材料的研究 日 莹 鼎 图3 混凝土度件的劈裂抗拉强度 由图3 可知， 4 种混凝土试件的劈裂抗拉强度随着龄期 的 增长均呈增长趋势。 S G Z W灌浆料修复体的7 d 劈裂抗拉 强度低于混凝土本体的 1 1 ， 1 4 d 和2 8 d较混凝土本体劈 裂抗拉强度稍高， 但不明显， 分别提高0 9 和0 4 ； 聚氨酯修 复体在7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 相对于混凝土本体的劈裂抗拉强度分 别低 1 2 5 、 1 3 9 和 l 2 9 ， 始终最低； 环氧树脂修复体的早 期强度和混凝土本体相差并不大， 增长速率一直较快，但在 2 4 d 龄期前的劈裂抗拉强度一直低于混凝土本体和S G Z W 灌浆料修复体的强度， 7 d 和 1 4 d 时分别低 1 1 、 7 0 ， 到2 4 d 龄期以后， 其劈裂抗拉强度逐渐超过其它试件的强度值， 相对 于混凝土本体2 8 d 提高4 8 。 2 4 抗渗性 混凝土本体、 环氧树脂、 聚氨酯、 S G Z W灌浆料修复体标 准试件的抗渗等级见表3 。 表 3 混凝土试件的抗渗等级 由表3 可知，混凝土本体和环氧树脂修复体的抗渗等级 相等， 均为P 7 级； 聚氨酯修复体的抗渗等级最高， 为P 8 级； 而S G Z W灌浆料修复体的抗渗等级最低， 只有P 5 级。 3 机理分析 3 1 S G Z W 灌浆料机理分析 S G Z W灌浆料中加入了早强型水泥硫铝酸盐水泥， 硫铝酸盐水泥具有突出的早强特性， 抗渗性也较好。 硫铝酸盐 水泥水化生成高硫型水化硫铝酸钙的量比普通硅酸盐水泥水 化生成的多， 同时还生成一些胶体。 因为加入硫铝酸盐与水结 合发生凝结硬化反应的过程中， C S 水化释放出的C a ( O H ) 很 快与其周围的水化氧化铝和石膏反应生成钙矾石，因而加快 了C S 的反应 和水泥硬化速度， 从而使强度得到快速提高， 所以S G Z W灌浆料早期强度较高。 同时水泥矿物中无水硫铝酸钙和硅酸二钙水化速度较 3 4 新型建筑材料 2 0 1 2 5 快，迅速形成大量溶解度较低的水化物高硫型水化硫铝 酸钙( 钙矾石 3 C a O A L 2 0 3 3 C A S 0 4 3 2 H 0 ) ， 同时另一矿物硅 酸二钙水化后生成C a ( O H ) ： 和水化硅酸钙( C S H凝胶) ， 两 矿物进行以下水化反应 ： 3 C a 0 3 3 A 1 2 0 3 C a S O 4 + 2 ( C a S 0 4 H 2 0 ) + 3 4 H2 0 3 C a O A 1 2 0 3 3 C A S 0 4 3 2 H 2 0 + 2 ( A I 2 0 3 3 H 2 0 ) 2 3 C a 0 S i O 2 + 2 H 2 0 C a 0 S i 0 2 H 2 O + C a ( O H) 2 A 1 2 0 3 3 H 2 O + 3 C a ( O H ) 2 + 3 C a O S i O ? 2 H 2 O + 2 0 H 2 0 3 Ca O A 1 2 03 3 C A S 0 4 3 2 H2 0 由以上反应可知，水化反应生成了大量能提高混凝土强 度的钙矾石。 钙矾石属三方晶系， 结构单元朔 是 C a 3 【 A l ( O H ) 1 1 2 H 0 l 。硫铝酸盐水泥与水结合后钙矾石形成速度很快， 并 且以针状体形式析出，这些针状物穿插进入混凝土裂缝表面 的疏松空隙， 增加了界面的密实度， 减小了空隙率， 使得裂缝 处的抗渗性能得到恢复甚至提高； 同时钙矾石晶体在水泥浆 体中相互交错构成结晶体骨架， 使得水泥早期强度迅速提高。 3 2 聚氨酯机理分析 一 般的聚氨酯强度较低， 防水性能也不是很高， 因为其内 部的分子团较为简单， 分子质量较低。 而交联是提高水性聚氨 酯分散体性能最直接、 最有效的方法之一 。通过交联可以 提高聚氨酯体系的交联度， 有效增大聚合物的相对分子质量， 使得聚合物的物理化学性能得到明显提高， 从而达到提高 强度和防水的目的。水性聚氨酯中的有机硅氧烷是一类具有 特殊结构的低分子有机硅化合物， 其通式为Y R s i x ， 式中 Y代表氨基、 乙烯基、 巯基、 氧基等有机基官能团， 这些基团和 不同的基体树脂均可以产生反应， X代表能够水解的烷氧基 团。 有机硅氧烷分子中同时存在着有机和无机物的两种结构， 这种特殊的组成和分子结构使它集有机物和无机物的特性与 功能于一身， 可赋予被改性材料优良的耐水性能_ l l 。另外， 水性聚氨酯中的预聚过程中一N C 0基团的反应程度， 和预聚 终点时一N C 0基团的浓度较大， 决定了在乳化过程中与水反 应生成的脲链段、 缩二脲等数量较多， 所以大分子的交联密度 和硬段结构就会增加、 耐水性能也会相应提高。 随着龄期的增长，聚氨酯混凝土修复体中水性聚氨酯体 系的交联程度、 有机硅化合物的反应程度都会更加充分， 同时 预聚过程中产生的一N C 0基团的浓度也逐渐的增加， 都会导 致水性聚氨酯的分子量增大、 交联体密度的增加， 其耐水性得 到明显的提高。但整个过程中聚氨酯由于内部各种反应造成 的强度提高率远没有耐水性提高率大， 所以， 聚氨酯修复体在 整个龄期内的强度一直较低， 而抗渗性能却很高。 3 _ 3 环氧树脂机理分析 环氧树脂和混凝土组成的粘接体系在分子以及原子之问 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王建辉， 等： 混凝土裂缝修复材料的研究 的作用力下产生粘结力， 这是物理和化学共同作用的结果。 在 灌浆初期， 灌浆材料分子在压力作用下向混凝土表面扩散； 随 着分子的进一步扩散，当灌浆材料分子与混凝土表面分子问 的距离达到( 5 1 0 ) x l O 。 m时， 分子便产生相互吸引作用， 并 使分子间的距离进一步缩短到能够处于最大稳定状态的距 离， 这样在分子力作用下达到稳定， 产生强度。 同时由于混凝土内部裂缝表面是粗糙的、 多孔的， 灌浆材 料分子能渗透到混凝土表面的孔隙中去，固化后就形成了许 多微小的机械咬合和镶嵌， 形成一定的粘结强度， 使得灌浆材 料与混凝土两者牢固地结合在一起。 环氧树脂加入固化剂固化后的化学键力比以上各种作用 均要强。在环氧树脂的结构中， 大分子的两端是具有较强反应 能力的环氧基；分子主链上有许多线性聚醚结构醚键； n 值较 大的树脂分子链上有规律地且相距较远地出现许多仲羟基， 相 当于一种长链多元醇； 主链上还有大量苯环、 异丙基和次甲基。 随着龄期的增长， 内部基、 键的进一步反应， 具有高度极性的羟 基、醚基使环氧分子与相邻界面产生较强的分子问作用力； 而 环氧基团则与介质表面的 游离键起反应， 形成化学键。同时2 种或多种聚合物在聚合过程中相互贯穿会形成网络互锁结构旧 。 这样环氧树脂就具有了很高的粘合力， 强度也逐渐提高。 4结论 ( 1 ) S G Z W灌浆料修复体各龄期的抗压强度、 抗折强度及 劈裂抗拉强度均比较高， 抗渗等级为P 5 ， 适合用于对抗渗性 要求不太高的高铁道床板裂缝的灌缝加固处理。 ( 2 ) 环氧树脂修复体早期抗压强度、 抗折强度及劈裂抗拉 强度较混凝土本体和S G Z W灌浆料修复体低， 而后期强度则 很高， 抗渗等级为P 7 ， 适合于对抗渗性要求较高且对早期强 度要求不高， 而主要利用后期强度的结构裂缝加固处理； 不适 用于高铁道床板裂缝的修补。 ( 3 ) 与环氧树脂修复体和S G Z W灌浆料修复体相比， 聚 氨酯修复体各龄期的抗压强度、抗折强度及劈裂抗拉强度较 低， 但抗渗等级却很高， 为P 8 ， 适用于抗渗等级要求很高而对 强度要求较低的结构部位裂缝的加固处理，不适用于高铁道 床板裂缝的修补。 参考文献 ： 1 王会 永， 闫红亮 整体道床无砟轨道现浇道床板新老混凝土黏结 面应力分析【J I 铁道建设， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 1 1 - 1 1 4 【 2 2 刘振 民， 钱振地 ， 张雷 双块式无砟 轨道道床板 混凝土裂缝 的分 析与防治【 J 铁道建设， 2 0 0 7( 6 ) ： 9 9 1 0 1 3 】 袁进 科， 陈礼仪 普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复配改性灌浆 材料性能研 究 J 1 混凝 土， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 2 8 1 3 0 f 4 李启棣 ， 吴淑华 硫铝酸盐水泥混凝土 的特性及应用 M - j E 京： 中 国铁道出版 社， 1 9 8 9 5 】 朱 宗培 ， 陈礼仪 ， 费立 水泥改性技术研 究与应用【 M】 成都 ： 成都 科技大学出版社 ， 1 9 9 8 6 李启棣， 吴淑华 硫铝酸盐水泥混凝土的特性及应用【 M 】 j B 京： 中 国铁道出版 社， 1 9 8 9 7 7 C I A R KA S M， C O L A S A B， S P E Z I A L E B S E f f e c t o f p r e s s u r e o n t h e c r y s t a l s t r u c t u r e o f e t t r i n g i t e J 】 C e me n t a n d C o n c r e t e R e - s e a r c h ， 2 0 08 ， 3 8( 1 )： 1 9 2 6 8 8 T i r p s l R E ， Ma r k u s c h P HA q u e o u a d i s p e r s i o r m o f e r o s s l i n k e d p o l - y u r e t h a n e s J J o u mal o f C o a t i n g s T e c h n o l o g y ， 1 9 8 6 ， 5 8 ( 7 3 8 ) ： 4 _ 5 4 9 刘芳， 吴小华， 贾德民 水性聚氨酯的交联改性技术 J 合成橡胶 工 业 ， 2 0 0 1 ， 2 4 ( 1 ) ： 6 0 6 2 1 0 Go o g a n R G P o a t - e r o l i a k i a g o f w a t e r - b o r n e u r e t h a n e s J P r o - g r e s s i n O r g a n i c Co a t i n g s 1 9 9 7， 3 2： 5 1 6 3 【 1 1 】 Wa n g H H S i l i c o n c o n t a i n i n g a n i o n i c w a t e r - b o r n e p o l y u r e t h a n e w i t h c o v a l e n t l y b o n d e d r e a c t i v e d y e J A p p l i e d P o l y m e r S c i e n c e， 2 0 03 ， 9 0( 8 )： 2 0 4 5 2 0 5 2 1 2 陈精华 ， 刘 伟区 ， 宣宜 宁， 等 氨 乙基 氨丙基聚二 甲基 硅氧烷 改 性聚氨酯的研 究 J 功能高分 子学报 ， 2 0 0 4 ， 1 7( 1 ) ： 9 2 9 4 1 3 】 魏涛， 汪在芹， 韩炜， 等环氧树脂灌浆材料的种类及其在工程 中的应用 J 】 _ 长江科学院院报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 7 ) ： 6 9 7 2 A 业业业业业盥 j 业毒k 业 业 ； 业 业盥j 业业业业 自 j 业宣 夸 j j j jk ( 上接第 3 1 页) 强预警， 也要事后合理维权。同时， 我国企业和研究机构也应 当积极通过专利申请来保证并提升自身在相关行业的竞争 力。 其次， 应该灵活地使用专利技术转让和专利交叉许可的策 略， 在竞争与合作的共存中不断求发展。最后， 国内企业在引 进国外聚脲喷涂弹性体的先进专利技术后，还应对其进一步 进行研究、 消化、 吸收和创新， 甚至将创新的技术再同时向国 外申请专利， 以期最终实坝l 防守反击” 的战略目的。 参考文献 ： 1 P r i me a u x D J S p r a y p o l y u r e a v e r s a t i l e h i s h p e r f o r ma n c e e l a s t o me r f o r t h e p o l y u r e t h a n e i n d u s t r y i n： P o l y u r e t h ane s 8 9， P r o - c e e d i n g s o f t h e S P I 3 2 n d An n u Te c hn i c a l Ma r k e t i n g C o n f e r - e n c e S a n F r an c i s c o， 1 9 8 9， 2 6 2 黄微波 喷涂聚脲弹性体技术概况J 】 上海涂料， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 9 3 1 3 】 黄微波 星星之火 可 以燎原 纪念中国聚脲技术诞生十周年 I J I _ 上海涂料 ， 2 0 0 8 ， 4 6 ( 7 ) ： 4 2 4 5 A N E W BUI L DI NG MATE RI AL S 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m