适用于隧道混凝土裂缝修补的水性环氧树脂改性砂浆性能研究

鞠向伟， 彭海龙， 高培伟,*， 姚应征， 马爱群， 张　骏

(1. 南京航空航天大学土木工程系， 江苏 南京　210016；2. 山西省交通规划勘察设计院， 山西 太原　030012； 3. 无锡地铁集团有限公司， 江苏 无锡　214000)



适用于隧道混凝土裂缝修补的水性环氧树脂改性砂浆性能研究

鞠向伟1， 彭海龙2， 高培伟1,*， 姚应征3， 马爱群1， 张骏1

(1. 南京航空航天大学土木工程系， 江苏 南京210016；2. 山西省交通规划勘察设计院， 山西 太原030012； 3. 无锡地铁集团有限公司， 江苏 无锡214000)

摘要：为提供一种可用于隧道管片破损及裂缝修补的高效修补材料，研发一种高强、高黏结性的水性环氧树脂改性水泥砂浆，研究改性砂浆抗折强度、抗压强度和黏结强度，并采用SEM等方法进行微观结构分析。试验结果表明： 1)随聚灰比增大，抗折强度和抗压强度先增大后减小； 2)在研究范围内，黏结强度随聚灰比的增加而减小； 3)改性后砂浆黏结强度增大20%～40%。

关键词：管片修补； 改性砂浆； 黏结强度； 微观分析； 隧道裂缝

0引言

地铁隧道工程多采用盾构法施工，盾构法施工过程中衬砌拼装和拼接防水为主要内容，其工艺技术要求高，施工难度较大，易出现地面沉降、管片破损和开裂等问题[1-2]，易导致施工阶段和后期运营发生管片渗水，渗水位置可能出现在管片裂缝、螺栓孔及注浆孔、拼接缝和破损较大处，渗水严重时则会影响地铁列车的正常运行、缩短地铁工程使用寿命、甚至造成工程事故。水性环氧树脂改性水泥砂浆具有较高的黏结强度和耐久性能，可适用于地下潮湿环境[3]下的混凝土管片破损开裂等修补，且施工周期短，早期强度高，有助于提高混凝土管片使用生命周期，增大经济效益。

国内外学者针对水性环氧树脂改性砂浆进行了大量的试验研究，但针对地铁裂缝的修补研究还较少。国内研究主要包括： 聚合物明显改善砂浆黏结强度[4-6]，改性砂浆黏结强度随聚合物掺量递增，且养护制度和种类不同，黏结性能不同，但均都高于普通砂浆；恒温加热聚合物，有助于降低含气量，提高抗折和黏结强度[7]。国外学者认为改性砂浆在硬化期间，水泥水化和聚合物成膜成桥都可以发生，聚合物膜和键桥可以提高砂浆的抗折强度和黏结强度[8-10]。本文针对聚合物改性砂浆在实际工程中黏结应用的可靠性和黏结性差的问题，采用不同试验方法进行水性环氧树脂改性砂浆黏结性能的研究，研制高黏结性改性修补砂浆，为地铁隧道裂缝修复提供理论参考。

1试验原材料和方法

1.1试验原材料

采用南京某水泥公司生产的P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥，中砂，聚羧酸减水剂，外加剂SF和B，上海某公司生产的水性环氧树脂及相应固化剂G，其固含量都为50%，消泡剂采用磷酸三丁酯。

1.2试验方法

抗压和抗折强度试验参照DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》[11]进行，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

黏结强度参考DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》和JGT 336—2011《混凝土结构修复用聚合物水泥砂浆》[12]。黏结强度采用黏结抗折试验[13]和黏结抗拉试验2种方法进行研究，其中黏结抗折强度试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，黏结抗拉强度试件尺寸为100 mm×100 mm截面混凝土试件，试件简图如图1和图2所示。

图1　黏结抗折试验试件简图

图2　黏结抗拉试验试件简图

1.3配比设计

外加剂SF和B采用外掺法，聚灰比为0.04、0.06和0.08。环氧树脂掺量以乳液固体含量为准，消泡剂采用磷酸三丁酯。改性砂浆试验配比见表1。

2试验结果与分析

2.1水性环氧树脂改性砂浆强度性能

不同聚灰比水性环氧树脂改性砂浆7 d和28 d抗压和抗折强度的影响如图3所示。

表1　水性环氧树脂改性砂浆试验配合比

(a) 抗压强度

(b) 抗折强度

Fig. 37 d and 28 d compressive strength and flexural strength of modified aqueous epoxy mortar vs. polymer-cement ratio

由图3(a)可知： 1)聚灰比为0.04、0.06和0.08，改性砂浆7 d和28 d抗压强度均高于未改性砂浆，且随聚灰比增加呈先增后降趋势。改性后，7 d抗压强度分别增加15.8%、19.8%和6.7%，28 d抗压强度较未改性前分别增加21.6%、39.8%和16.6%，聚灰比为0.6，增幅最大。2)4组试件28 d强度较7 d分别增加14.8%、20.6%、34.0%和25.5%，证明水性环氧树脂改性砂浆后期强度大幅增加，其原因在于分散在内部水中的环氧颗粒随着砂浆加速失水而相互接触，黏结并堆积，将分散的环氧颗粒连接成相互作用的整体网状结构，抗压强度将较大幅度增长。

由图3(b)可知： 1)聚灰比为0.04、0.06和0.08，改性砂浆7 d抗折强度为未改性砂浆试件的91.4%、98.7%和93.9%，均低于未改性砂浆，这主要由于水性环氧树脂具有一定的缓凝作用，改性砂浆前期水化不充分，且聚合物未完全成膜[14]。2)抗折强度随环氧树脂量增加呈先增后降趋势。改性砂浆28 d抗折强度均高于未改性试件的抗折强度，且随聚灰比的增大而先增加后降低；相比7 d抗折强度，聚灰比为0.06，28 d抗折强度增大幅度最大，为36.6%。

2.2水性环氧树脂改性砂浆黏结强度

不同聚灰比水性环氧树脂改性砂浆28 d的黏结强度如图4所示。

(a) 黏结抗折强度

(b) 黏结抗拉强度

Fig. 4Bond strength of modified aqueous epoxy mortar vs. polymer-cement ratio

由图4(a)可知： 以混凝土为基底的环氧改性砂浆黏结抗折强度大于未改性试件。聚灰比为0.04、0.06和 0.08的试件分别较未改性试件增大37.6%、12.8%和12.5%。在本试验范围内，聚灰比增大，改性砂浆的黏度随之降低。以砂浆为基底的环氧改性砂浆黏结抗折强度均大于未改性的试件。结果说明： 水泥砂浆本身具有一定黏结性，且水性环氧树脂的加入增大了水泥砂浆的黏稠度。聚灰比为0.04、0.06和 0.08的试件分别较未改性试件增大38.7%、22.1%和19.6%。聚灰比增大，改性砂浆的黏结强度随之降低。

由图4(b)可知，水泥砂浆改性后黏结抗拉强度均大于未改性试件。结果说明： 水泥砂浆本身具有一定黏结性，但小于改性水泥砂浆[15]。环氧改性砂浆分别较未改性砂浆增大40.9%、22.8%和21.9%。在本研究范围内，随聚灰比增大，改性砂浆的黏结抗拉强度降低，但降幅变缓。

2.3水性环氧树脂改性砂浆微观结构分析

用SEM对聚合物改性水泥砂浆进行微观形貌研究，是一种比较直观、简单的方法。通过扫描电子显微镜能够对形貌进行全方位分析。观察的对象包括水泥水化产物、聚合物、孔结构、骨料与水泥浆体之间的过渡区界面结构等。不同聚灰比环氧改性砂浆SEM图如图5所示。

(a) 聚灰比=0

(b) 聚灰比=0.06

(c) 聚灰比=0.08

Fig. 5SEM results of modified aqueous epoxy mortar with different polymer-cement ratios

由图5(a)可知，普通水泥砂浆的扫描电镜图中存在针状、相互交错的钙矾石晶体结构以及大量的絮状水化CSH凝胶。SEM放大倍数为5 000倍，还可以清楚看到片状的Ca(OH)2与针状的钙矾石交错在一起，但仍有许多的孔隙，孔隙之间的连接也很少。与之相比，在掺入环氧后，砂浆的微观结构发生了明显的变化。

由图5(b)和图5(c)可知： 相比普通砂浆，掺加环氧，水泥水化后，针状的钙矾石晶体之间被一些薄膜状的环氧黏结在一起，但并不能非常清楚地看到环氧的成膜形态。由图5(c)可以看到许多网状结构，包围在针状体和片状体下部及周围。这些网状结构是环氧在水泥水化过程中渗透成膜形成的，许多膜状物越过孔隙起到架桥和填充作用，使得孔隙体积变小，环氧树脂相互交错成膜形成了网状结构[16]。

经过改性后的砂浆，在水泥凝结硬化过程中，环氧就会在骨料与水泥浆体之间渗透成膜，使砂浆变得密实，黏结变牢固，两者之间的黏结力得到大幅提高[17]。

3结论与讨论

本文针对隧道管片处于的特定环境和修补要求，研制了一种具有高黏结强度的水性环氧树脂改性水泥修补砂浆，讨论了改性修补砂浆的抗压抗折强度及其黏结强度。结果表明，该修补砂浆抗压抗折强度性能突出，黏结强度性能优越，具体表现如下。

1)环氧改性砂浆7 d龄期抗折强度均低于未改性试件，而28 d龄期后大幅增强，最大增幅达36.6%，抗折强度随聚灰比的增加先增加后降低。

2)环氧改性砂浆7 d和28 d抗压强度均高于未改性砂浆，且随聚灰比增加呈先增后降趋势。改性后，7 d抗压强度最大增幅为19.8%，28 d最大增幅为 39.8%。

3)以混凝土或普通砂浆为基底的环氧改性砂浆黏结抗折强度均大于未改性试件；水泥砂浆本身具有一定黏结性，但低于水性环氧树脂改性砂浆。

4)经过改性后的砂浆，在水泥凝结硬化过程中，环氧会在骨料与水泥浆体之间渗透成膜，使砂浆变得密实，黏结变牢固，两者之间的黏结力得到大幅提高。

但隧道环境较为复杂，给其修补等施工带来不同程度的影响。尤其突出的特点在于： 1)隧道管片处于地下环境，一般表现为潮湿状态并承受长期振动荷载的作用； 2)管片中上部裂缝及破损较难修补，修补材料在具有高黏结性的前提下，应尽可能减小自重，降低凝结时间。在目前研究的基础上，还应结合工程现场的实际情况以及此类修补材料的发展趋势，进行更深层次的研讨和探究。

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港珠澳大桥首个曲线段沉管预制完成

2016年4月16日，随着最后一个节段E32-S6混凝土浇筑施工的完毕，港珠澳大桥首个曲线段沉管圆满预制完成。建设者经过106 d的持续奋战，通过不断总结经验及优化施工工艺，相继攻克了曲线段沉管钢筋笼顶推、模板施工、混凝土浇筑等施工难题，成功预制生产了第一个曲线段沉管，为后续的曲线沉管安装创造了有利条件。

港珠澳大桥海底沉管隧道全长5 664 m，由33节沉管组成，其中直线段沉管28节，曲线段沉管5节。初次听闻曲线段沉管的人可能会认为曲线段的每一个节段都呈圆弧状，其实不然。经过项目总部、设计分部、工区等的多番研究论证，将曲线段沉管采用“以折代曲”的施工工艺，即把小节段预制成类似梯形的形状，使每2个小节段之间产生一定的角度，通过多个节段的组合，达到与曲线相似的效果。这种效果造就了曲线段沉管的特殊性，也给工区的预制施工带来了新的挑战。

E32沉管作为整个沉管预制厂投产的第一个曲线段沉管，由6个小节段组成。为了保证整体施工质量，由项目总部牵头，经工区与各方通力合作，在正式预制开始前完成了方案、图纸设计，曲线段施工技术交底以及测量流程梳理等工作。随后，工区合理安排现场施工，根据设计要求完成了沉管预制生产线场地改造、原材料储备及加工、设备保养维护等工作，为曲线段沉管施工做好了充分准备。

相比直线段沉管，曲线段沉管形态不规则，且每一个小节段都不尽相同，这不仅增大了预制难度，也增加了工艺的复杂性。几何形态的不规则，使得原本统一加工钢筋的长度变得不同，出现了几十种 “变尺型号”钢筋，使钢筋加工、安装难度大幅增加，经研究，工区最终采取型号挂牌、分类下料存放的方式使各种型号的钢筋正确归位。不尽相同的节段形态，使得每一个节段的施工都需重新进行测量定点，并通过钢筋绑扎区两侧的绑扎胎架调试，以达到贴合每一个节段的目的，这是“直来直去”的直线段沉管所没有的特点。

(摘自 中国交通建设股份有限公司联合体港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部(主办) http://www.cccchzmb.com/P28-23732.biz2016-04-17)

Study of Properties of Modified Aqueous Epoxy Mortar Used in Rehabilitation of Tunnel Concrete Cracks

JU Xiangwei1, PENG Hailong2, GAO Peiwei1，*, YAO Yingzheng3, MA Aiqun1, ZHANG Jun1

(1.DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,Jiangsu,China;2.ShanxiProvincialTransportationPlanning,SurveyandDesignInstitute,Taiyuan030012,Shanxi,China;3.WuxiMetroGroupCo.,Ltd.,Wuxi214000,Jiangsu,China)

Abstract:A kind of modified aqueous epoxy mortar with high performance and high bond strength for rehabilitation of tunnel segment cracks is developed. The properties of the mortar, including flexural strength, compressive strength and bond strength, are studied; then the microstructure of the mortar is analyzed by means of scanning electron microscope (SEM) method. The testing results show that: 1) The flexural strength and compressive strength increase with the polymer-cement ratio increases; and then they decrease at a peak. 2) The bond strength decreases with the polymer-cement ratio increases. 3) Compared to the traditional mortar, the bond strength of modified mortar increases by 20%-40%.

Keywords:segment rehabilitation; modified mortar; bond strength; microcosmic analysis; tunnel crack

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0398-05

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.005

第一作者简介：鞠向伟(1990—)，男，辽宁凌源人，南京航空航天大学在读硕士，主要研究方向为混凝土材料。E-mail： 939324646@qq.com。*通讯作者： 高培伟，E-mail： 1152976931@qq.com。

项目基金：江苏省建设厅项目(2013ZD12)； 江苏省六大人才项目(JZ-010)； 无锡地铁项目(JS-201400361001)

收稿日期：2015-06-29； 修回日期： 2016-01-20