浅谈环氧树脂注胶震损混凝土应用

偶丹萍

（江阴职业技术学院艺术设计系，江苏 江阴214400）

前言

我国是个地震发生较频繁的国家，发生地震时大多数建筑结构均会遭到不同程度的损伤。汶川地震后，在进行安全应急检查工作时参照建设部《建筑地震破坏等级划分标准》将房屋划分为5个破坏等级：基本完好、轻微损坏、中等破坏、严重破坏和倒塌。

汶川大地震中大部分框架结构整体性尚好，损害较轻，仅局部有较大损伤，若全部拆除重建，必然会造成过大的经济负担。根据我国 《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[1]提出的基本的三水准抗震设防目标：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可以继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经过一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。当建筑结构遭受前两个水平的地震时，建筑物都有进行修复或加固的必要性。因此，对损伤较小或仅局部有较大损伤的建筑，应以修复、加固补强为主。

目前常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有：加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法、FRP加固法，各种方法都有各自的优势和缺点。环氧树脂注胶修复由于其方法简单，性能优越，加固效果好，目前也处于加速发展中。

1 环氧树脂胶材料概述

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，除个别外，它们的相对分子质量都不高。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的热固性高聚物。其应用特性如下[2]：

(1)形式多样。各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求，其范围可以从极低粘度的液体到高熔点固体。

(2)固化方便。选用各种不同的固化剂，环氧树脂体系可以在0~180℃温度范围内固化。

(3)粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。

(4)收缩性低。环氧树脂和所用固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们与不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性。

(5)力学性能优良。固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。

(6)电性能。固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。

(7)化学稳定性。通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。

(8)尺寸稳定性。上述的许多性能的综合，使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。

环氧树脂具有优良的机械、电气、化学、粘接等性能。但通常使用的环氧树脂固化后性脆，冲击强度低，大大限制了环氧树脂的使用。因此需对环氧树脂进行改性，提高其抗击性能，增强其韧性，使其具有强度高、韧性好、抗腐蚀、耐久性好、耐候性佳等特性，另外要保证其物理化学性能与其将要粘结的部件（如钢材、混凝土）具有良好的亲合力。目前环氧树脂的改性方法已有诸多报道。

2 环氧树脂注胶修复震损混凝土现状

2.1 注胶修复技术发展概况

近几十年来，环氧树脂胶粘剂在汽车、水利交通、电子电器和宇航工业领域得到了广泛的应用。

我国也从上世纪50年代末开始开发研制环氧树脂，主要用于土木工程、建筑、电机、制鞋、木工、胶合板和电子工业等。

2.2 环氧树脂胶修复混凝土结构研究现状

环氧树脂注胶修复技术已有很长的发展历史，但是研究的焦点主要集中于修复混凝土框架、梁、板、柱以及节点的裂缝等方面。针对混凝土框架整体进行抗震性能的加固试验和理论研究还相对较少。

Waleed A.Thanoon等人[3]采用水泥灌浆、环氧树脂注胶、钢筋网片、碳纤维加固、截面加大法来分别加固已开裂的钢筋混凝土板。先将6个试件加载到开裂（1个试件作为对比试件），然后采用上述5种加固方法分别对5个试件进行加固，然后再加载，比较各个试件的变形、刚度变化、起裂荷载、极限荷载及破坏模式。加固后，水泥灌浆、环氧树脂注胶及加大截面法的起裂荷载均较对比试件提高35%，钢筋网片加固方法提高17.8%，碳纤维加固方法没有修复裂缝，不提高，相反还出现其他裂缝；碳纤维加固与加大截面法加固后，其极限荷载分别提高77.4%、130%，环氧树脂注胶加固则下降了8.6%，而钢筋网片加固方法没有提高；水泥灌浆、环氧树脂注胶及钢筋网片方法加固的试件表现出的延性与对比试件相同，但是加大截面法与碳纤维加固方法的试件的延性相对较差。

Mahmut Ekenel[4]研究了环氧树脂注胶与外粘贴碳纤维这两种方法加固简支梁的加固效果。设置了多组试件，分别采用环氧树脂注胶加固、粘贴碳纤维加固、环氧树脂注胶与粘贴碳纤维加固三种方法，并在环氧树脂注胶加固中考虑了不同的环境条件（冷热循环和温度循环）来比较其耐久性，在粘贴碳纤维加固中考虑了粘贴面的粗糙度的影响。试验结果表明：注胶加固后试件的初始刚度分别是对比试件和注胶-环境影响试件的3.5倍及1.25倍；注胶加固不能提高梁的受弯承载力；注胶-环境试件与对比试件的裂缝开口位移明显比注胶试件大，说明在环境因素影响下，注胶的有效性较差；与单纯的粘贴碳纤维加固方法比较，粘结面粗糙与裂缝注胶方法能够明显提高试件的抗弯能力、减小裂缝开口位移；环境因素和持续加载显著影响试件的极限承载力和裂缝宽度。

Camille A.Issa[5]采用环氧树脂重力注胶的方式对部分预开缝的立方体试件进行注胶加固，并比较对比试件、开缝构件、注胶修补构件的受压强度，来评价注胶修补裂缝的有效性。试验结果表明：与对比试件相比较，开缝构件的受压强度下降40.93%，而注胶修补后的试件的强度下降了8.23%，说明注胶修复能够有效恢复试件的完整性和抗压强度。

G.Norman Owen[6]等人采用环氧树脂注胶技术修复了一栋足尺的混凝土框架，并对完好的与修复后的框架结构的抗震性能进行了对比分析，其试验结果表明在低强度激励（进行一系列的无损振动：包括地下核爆炸引起的地表运动，再进行反复荷载、激振器试验、人工激振试验）时，修复结构的初始刚度比原始结构稍微下降，在强烈的地震作用下（进行上述试验后再进行往复荷载激振，使其破坏加重，节点出现X形裂缝、混凝土破碎等与大震相似的现象），修复结构刚度退化没有原始结构刚度退化严重，并且在梁柱节点区，裂缝开展没有原始结构严重。试验结构表明环氧树脂注胶修复技术能够修复震损结构，并获得令人满意的结果。

Catherine Wolfgram French[7]等人研究了环氧树脂注胶技术用于修复结构中震损伤的有效性。试件震损后，采用真空注胶或者压力注胶的方式进行加固。试验结果表明：环氧树脂注胶加固技术能够提高构件强度、刚度、耗能能力与试件的整体性。

Moshe A.Adin[8]采用拟静力试验来评价环氧树脂修复梁柱节点的修复效果。通过比较修复前与修复后的试件的反应，可以发现试件的刚度、极限承载能力与耗能能力都得到提高。

C.G.Karayannis[9]采用环氧树脂修复了17个梁柱外节点核心区，并进行了低周反复试验.与原始试件相比较，被修复试件获得相同或者更高的承载能力、刚度和耗能能力。

由于受到不同地区不同环境的影响，环氧树脂注胶修复混凝土结构的耐久性研究也备受学者们关注。

在阿拉伯海湾区域，由于受海水侵蚀，混凝土结构出现损伤，针对损伤、出现裂缝的混凝土采用环氧树脂注胶的方式进行加固，而这些被加固的结构还是会受海水侵蚀，其耐久性值得研究。Moetaz E1-Hawary[10]从这个角度出发，采用两种水泥：普通水泥和耐硫酸盐波特兰水泥制作一批试件，在劈裂后采用三种不同的环氧树脂胶进行加固并分别放置在不同的环境：海水，室内环境（不同的温度），室外环境，并考察了不同的放置时间，最后通过受弯试验、受压试验、劈裂试验、斜剪试验来测定不同工况下的试件受拉强度、受压强度、粘结强度，来研究在不同环境中环氧树脂胶的耐久性。Moetaz E1-Hawary[11]制作了一批试件，劈拉后采用环氧树脂胶进行修补，然后悬挂于有潮水的地方，最长持续时间为18个月，然后进行劈拉和斜剪试验测试其受拉强度和粘结强度。通过试验可以发现，由于贝壳等附生物的存在，使得放置在海水中的试件的强度有提高，虽然其遭受了各种侵蚀；在短期内，试件劈裂时破坏面发生在混凝土中，长期内，破坏面发生在混凝土与环氧树脂胶的结合面，说明受海水的影响，环氧树脂胶性能退化比混凝土的要严重。

Adnan Colak[12]研究了采用树脂粘结的试件受环境因素作用下的粘结性能和耐久性能，这些环境因素包括注胶过程中粘结界面的湿度、试件在除冰剂中的冷热循环、不同温度等级 （20℃-100℃）、不同浓度的MgCl2与MgSO4的腐蚀性溶液。Hong-chol Shin[13]研究不同温度级别下环氧树脂注胶混凝土的疲劳性能。试验结果表明，随着温度的升高，试件的失效模式由混凝土失效转到树脂胶与混凝土-环氧树脂胶界面的混凝土破坏模式，在混合破坏模式中，随着温度升高，其抗疲劳性能明显下降。

3 结论与展望

综上所述，利用环氧树脂注胶震损混凝土结构后，确实可以控制已有裂缝等缺陷，经过合理的设计也可以满足各种设防烈度下的抗震需求。根据目前的科研结论，这种方法有施工进度快、性能提高明显等优点。

混凝土钢筋混凝土框架结构是由梁和柱通过节点构成的承载结构，而且会受到楼板的影响，构造和受力较复杂，加固起来也非常复杂。目前国内外采用环氧树脂注胶修复混凝土框架的研究还处于起步阶段，对注胶修复混凝土框架结构主要存在以下一些问题：

(1)目前所进行的加固研究主要是将环氧树脂注胶修复技术作为一种辅助加固方法，与其他技术相配合来加固混凝土结构，而对于单独采用环氧树脂注胶修复技术的有效性却鲜有研究。

(2)目前环氧树脂注胶修复混凝土结构的研究主要集中在梁、板、柱等基本构件的抗弯、抗压加固，对框架节点进行加固的试验和理论研究较少，特别是对混凝土框架整体进行加固更少。

(3)目前所进行的环氧树脂注胶修复技术研究主要用于验证修复小震至中震损伤的有效性。然而，注胶修复技术对于大震后的混凝土结构的损伤是否有效没有得到试验的验证。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]廖绍凯：纳米橡胶环氧树脂复合材料的力学性能：[硕士学位论文].浙江：宁波大学，2008

[3]Waleed A.Thanoon,M.S.Jaafar,M.Razali A.Kadir,J.Noorzaei.Repair and structural performance of initially cracked reinforced concrete slabs.Construction and building materials.2005,(19):595-603

[4]Mahmut Ekenel,John J.Myers.Durability performance of RC beams strengthened with epoxy injection and CFRP fabrics.Construction and Building Materials.2007,(21):1182-1190

[5]Camille A.Issa,Pauls Debs.Experimental study of epoxy repairing of cracks in concrete.Construction and Building Materials.2007,(21):157-163

[6]G.Norman Owen,Roger E.Scholl,Ike O.Egbuonye.Vibration testing of an epoxy-repaired full-scale reinforced concrete structure.URS/John A.Blume and Associates,Engineers,San Francisco,CA(USA),1983.517-524

[7]Catherine Wolfgram French,Gregory A.Thorp,Wen-Jen Tsai.Epoxy repair techniques for moderate earthquake damage.ACI Structural J.87(4),416-424

[8]Moshe A.Adin,David Z.Yanklevsky,Daniel N.Farhey.Cyclic behavior of epoxy-repaired reinforced concrete beamcolumn joints.ACI Structural J.1993,90(2):170-179

[9]C.G.Karayannis,C.E.Chalioris,K.K.Sideris.Effectiveness of RC beam-column connection repair using epoxy resin injections.Journal of Earthquake Engineering.1998,2:2,217-240

[10]Moetaz E1-Hawary,Husain A1-Khaiat&Sami Fereig.Effect of sea water on epoxy-repaired concrete.Cement and Concrete Composites.1998,(20):41-52

[11]Moetaz E1-Hawary,Husain A1-Khaiat,Sami Fereig.Performance ofepoxy-repaired concrete in a marine environment.Cement and Concrete Research.2000,(30):259-266

[12]Adnan Colak,Turgay Cosgun,Ahmet E.Bakirci.Effects of environmental factors on the adhesion and durability characteristics of epoxy-bonded concrete prisms.Construction and Building Materials.2009,(23):758-767

[13]Hong-chol Shin,Hiroyuki Miyauchi,Kyoji Tanaka.An experimental study of fatigue resistance in epoxy injection for cracked mortar and concrete considering the temperature effect.Construction and Building Materials.2011,(25):1316-1324