环氧树脂砂浆在水利工程上的应用

谢永刚

摘要：文章主要介绍了环氧树脂材料性能，环氧树脂砂浆（环氧砂浆）的配制工艺，环氧砂浆应用于水利工程的优缺点，它的施工要求及环氧砂浆在水利工程中的应用等。

关键词：环氧树脂砂浆;水利工程;应用

中图分类号：TQ327.3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0024-05

环氧树脂是一种新型建筑材料，自20世纪50年代年在我国已经开始研发并投入使用。它是一种黄色或青铜色的液体化合物，化学结构含有环氧基，由环氧氢丙烷与双酚基丙烷这两种化学物反应生成。它是一种低分子树脂，具有粘接性，可被制作成粘接剂应用于建筑施工中。同时，这种树脂热塑陸很强，加入其他添加剂可将改变环氧树脂的性能。如加入硬化剂，热塑性的树脂将发生固化，强度迅速提高，此外，环氧树脂还具有稳定陸，可耐受高温及抵抗酸碱等化学物质的侵蚀。由于结构上的不同，有不同类型的环氧树脂。伴随着科学技术的成熟，环氧树脂应用普及，除建筑之外，在水利、机械工业、船舶等行业也广泛应用及推广。

环氧树脂黏结材料是由环氧树脂加上不同配比的固化剂、增韧剂、稀释剂及填料等可以组成多种复合材料，又称为环氧树脂粘接材料。目前开发的环氧树脂材料主要是：环氧基液、环氧粘接剂、环氧砂浆和环氧混凝土。环氧树脂砂浆主要由胶结材料（环氧树脂、固化剂）和填料（石英砂、水泥等）混合合成，根据施工需要，必要时掺入稀释剂、增韧剂等助剂。它是一种适应性广、性价比高的复合材料，具有和易性强、固化速度快、力学性稳定、粘接性优良等优点，近几年主要应用于隧道渗水修补、螺栓锚固、结构修补、加固工程等。因此，过程中应用环氧砂浆可显著提高工作效率，缩短施工时间，无需后期监管及养护，节省人力物力，干缩后不产生额外应力，避免产生裂缝，影响施工效果。国内外的科研人员近年来一直致力于环氧砂浆的研究，已开发出新型环氧砂浆材料，并已广泛应用于水利工程及建筑之中，如Cw系环氧砂浆及NE环氧砂浆。该文对环氧树脂材料的性能、环氧树脂灌浆料的制备技术、环氧砂浆在水利工程中的应用等方面进行了研究。

1环氧树脂材料性能及优点

环氧树脂是指分子结构中含有2个或2个以上环氧基团构成的高分子聚合物。它是一种热塑性材料，不易固化，由于环氧基数量及空间结构的差异，环氧树脂有多种类型。

表1中所列8种产品，随环氧值增大，分子量反而减小，软化点也越低。

环氧树脂是一种易溶于有机溶剂的化学物质。环氧树脂具有不易吸水、稳定性好（耐热、耐腐蚀）、抗震、不易老化，使用寿命长、粘接性强、施工工艺简便等优点。同时也有它的使用局限性。如低温下热塑性差，必须通过加热才能将能将固化的树脂从容器中倒出，使用非常不便。同时，随着温度上升，环氧树脂的粘接性降低，使用效果差，且容易造成安全事故。力学不稳定，不能承受较大的冲击力量。为了弥补环氧树脂的缺陷，更好的发挥环氧树脂的优良性能，技术人员将环氧树脂中掺人了其他化学物质，开发出了环氧树脂黏结材料。

二酚基丙烷型环氧树脂经常应用于水利工程之中，这种化合物由环氧氯丙烷和二酚基丙烷在碱性物质的催化作用下缩聚反应生成，是一种高聚化合物。环氧树脂材料应用广泛，在水利工程中主要用于混凝土修补、黏结、灌浆、高强混凝土接头等方面。

2环氧树脂砂浆（环氧砂浆）的配制工艺和注意事项

环氧树脂砂浆主要由胶结材料，掺人填料，必要时掺人稀释劑、增韧剂等助剂组成的多相复合材料，具有多项优良性能。热塑性好，掺入胶结材料固化后，环氧树脂砂浆的强度、粘接性、防水性能明显提高，可应用于混凝土结构修补、加固、锚固等水利工程施工。环氧砂浆的常见配制工艺流程简要示意图如图1所示。

配制环氧砂浆的注意事项：

第一步是将称量好的填料与胶液混合均匀。将称量好的填料（石英砂、水泥等）平铺到薄铁板上，清除砂子中的杂质，尽量铺平，均匀分布于铁板上，然后倒人胶液，一般倒人一般迅速搅拌，使胶液与填料充分混合、融和。配制环氧砂浆应注意控制砂子的温度（30～35℃），反复测量砂子的温度。混合过程中保证胶液的温度（60℃）和填料的温度与接近或略高，促进填料与胶液充分混合反应。给填料加热的方法是：通过给铁板加热间接加热填料，所以填料必须平铺均匀，不宜过厚，否则受热不均。反复翻动填料，用手感受填料温度，温热即可。根据施工速度即用即配，不宜一次配制太多，否则容易造成浪费，因为不能配制时间超过1h，未及时使用环氧砂浆，砂浆会出现初凝成为废料，无法继续使用。

不同配合比水下环氧砂浆的性能有较大差异。李侠等采用外掺不同比例的环氧树脂乳液的方法改变水泥砂浆的性能，分析发现不同比例环氧树脂乳液掺量影响了水泥砂浆的压缩能力及收缩性能。他们发现伴随着环氧树脂乳液掺量的增加，新型水泥砂浆的压缩强度与收缩率均下降，但其弯曲强度先增加后减小，这表明在一定范围内环氧树脂乳液掺量对弯曲强度和体积收缩率是有利的。马智法等以某水电站大坝溢流面及消力池大修工程为背景，根据工程实际分别设计了3组水下修补环氧混凝土和水下环氧砂浆的配合比，并研究了不同配合比水下环氧混凝土（砂浆）的压缩强度、弯曲强度、与水泥混凝土粘接性能、耐环境作用能力以及其水下流动性能。这项研究发现环氧树脂材料在混凝土混合物中的掺量对环氧混凝土的性能存在重要的影响，综合考虑其力学性能指标及施工流动性等性能，他提出水利工程实际环氧树脂砂浆推荐掺量为23.0%，如表2、表3所示。左联等也研究了胶砂比及固化剂用量对环氧砂浆强度产生影响，得出合理胶砂比为0.15：0.30，固化剂乙二胺的合理用量为7%一10%。在合理范围内，胶砂比、固化剂用量越大，环氧砂浆的压缩强度则会越高。

3环氧砂浆的施工中的具体要求和注意事项

环氧砂浆材料施工前，施工操作面必须保持干燥和清洁。如果表面难以清理，可以用钢丝刷洗刷或用砂轮等工具清除掉混凝土表面的污垢及浮浆等，否则会影响环氧砂浆的黏结质量。构件表面经过打磨会产生废料，可以用吹风机或棉纱等工具清除掉表面的尘土、垃圾等废物，如果必须用水清理，清洗后应充分保持通风干燥，必要时可用鼓风机促进表面干燥。施工过程要注意温度的影响，最适宜温度为10-35℃，低于施工温度时，需要加用保温措施，因为低温时树脂的流动性差、渗透性弱，延长环氧树脂固化时间，影响施工进度。

3.1环氧砂浆的涂抹和改性

涂抹时应尽量摊铺均匀，控制好环氧砂浆的厚度，每层厚度应≤1.0-1.5cm，底层厚度控制在0.5-1.0cm，如果厚度超过4cm，最好建立模型再浇筑。用铁抹尽量反复压抹砂浆，保证厚度均匀，排除内部多余浆液，如有气泡溢出，必须及时刺破、压紧。

针对水性环氧树脂改性水泥砂浆存在含气量高、气孔多且大等问题，陈宗瑞等研究了消泡剂掺量对水性环氧树脂力学性能的影响，并分析了环氧树脂改性砂浆孔结构与力学性能的关系。他们发现磷酸三丁酯与有机硅消泡剂均能改善水性环氧树脂改性水泥砂浆的力学强度，而且这两种消泡剂具有协同增强作用。分析孔结构数据可知掺入消泡剂不仅能降低水性环氧树脂改性砂浆的孔隙率与孔径，还能优化孔径分布，减少有害孔、多害孔的数量，所以水性环氧砂浆中可常规加入磷酸三丁酯与有机硅消泡剂改良其性能。

3.2环氧砂浆的保养和维护

环氧砂浆施工后还未固化，容易受到环境变化的影响，性能发生改变。可以采用土工织物或废弃麻袋等进行遮盖，避免强阳光直接照射施工面。相反，如果环境温度过低，也要采取保温措施。一般适宜的养护温度为20℃左右，养护昼夜温差不宜超过5℃。遮盖养护的时长约48h，自然潮湿养护5d左右，可适量延长2-3d。注意保护施工现场，保证环氧砂浆在固化期间免受人为因素干扰发生损坏及变质。

4环氧砂浆的应用实例

近年来国内外水利工程中，环氧砂浆主要应用在抗冲耐磨部位、混凝土裂缝修补部位、混凝土缺陷修补、缓凝土防渗等部位。下面分别进行简要介绍。

4.1隧道渗水修补

贵阳市域货运铁路某隧道地处岩溶地区，长期高速水流冲刷隧道，地层岩性严重破碎。该隧道在建成后受到该地区发生连续降雨的影响，地表水下渗入隧道内集聚，造成隧道多处衬砌施工缝处渗水。尽管进行过一次封堵处理，但是渗水问题并没有实质性解决。建设单位于是决定进行二次修补整治处理。针对封堵材料与衬砌混凝土粘接不良，易造成安全隐患。提出将快凝堵漏剂、环氧树脂砂浆两种材料混合均匀，对隧道衬砌缝渗水处进行修补及加固，这种方案不堵塞、破坏隧道原有防排水体系，防渗堵漏效果优良，粘接效果稳定，不易发生材料脱落，安全稳定性好。根据使用后1年的检验报告可知，快凝堵漏剂与环氧树脂砂浆用于修补部位未见开裂、松散、渗水等现象，修复效果较好。

4.2桥梁支座锚固

桥梁上下部承重需要桥梁支座的支撑，支座使用效能受到多种因素的共同影响，如桥梁支座表面的平整度及强度，否则桥梁的行驶安全及驾驶难易程度会受到影响。目前桥梁支座锚固材料多采用外包的水泥基灌浆材料，一般由其他公司设计加工供应，不用人工现场配制混凝土，质量稳定，操作简易方便。但也存在一定问题需要解决。如早期强度弱，不稳定，支座安装好后不能立即架设梁板，需要等待较长时间;水泥基材料水化过程中容易受到环境变化影响，支座易产生干缩、应力改变，出现裂缝等问题;钢梁支座安装过程机械化，不利于工作人员实际操作，后期养护也存在很多问题。

与水泥基灌浆材料相比，环氧树脂砂浆克服了其和易性差、固化速度慢、力学性能弱、粘接力差、易受环境因素影响等缺点。在桥梁支座锚固工程中受到重视，近年来被广泛应用。周紫晨等发现环氧树脂灌浆材料应用于桥梁支座锚固工程中，操作简便，工作效率高，后期容易养护，无干缩应力产生，不易产生裂缝，与其他材料相比优势更明显。

然而，环氧树脂砂浆也存在使用局限，它的黏度大、易受温度影响且造价相对较高。李占全提出水性环氧树脂可代替溶剂型环氧树脂。水性环氧砂浆同样具有类似溶剂型环氧树脂优异的性能，而且施工更为方便，成本更低，未来有望可全面代替传统环氧砂浆，为桥梁支座锚固提供一个新方向。

4.3过流混凝土面的维护

水流冲刷会对水利工程产生磨损和气蚀损坏。尤其是当高速水流夹带沙石等介质时。为了修补这些损坏的设施，通常选用砂浆材料进行修补。如高强水泥砂浆、聚合物水泥砂浆、硅粉砂浆和环氧砂浆等。大量研究者经过对比试验，他们发现环氧砂浆的抗气蚀性能最强，是C40混凝土的6～8倍，C30混凝土的20倍。然而，环氧砂浆的使用方法繁琐，容易受到环境影响。对温度要求严格，施工过程中会产生有毒、有害气体，收缩率大，限制了环氧砂浆的推广及應用。张涛等研究配制的新型环氧砂浆可以改良这些缺点，NE环氧砂浆性能稳定、不宜受到环境温度变化影响，已经应用于国内外上百个大中型水电工程中，使用效果稳定，受到一致好评。例如黄河小浪底水利枢纽工程。首次采用大面积的NE环氧砂浆作为过流混凝土过流面的保护层，取得了举世瞩目的成绩，为世界水利工程的发展树立了良好的标杆。

4.4防浪墙加高

传统水泥混凝土粘接性差，不牢固，容易发生坍塌，老化。国内外科学家经过多次试验，将环氧树脂砂浆应用于防浪墙的加高工程之中，他们发现混合环氧砂浆之后，混凝土结合性能明显提高，防浪墙使用寿命明显延长，且安全可靠，优化水泥混凝土的粘接问题，为水利工程的发展做出了重大贡献。

5结语

我国从60年代开始应用环氧砂浆进行水利工程高速泄流部位的抗冲磨防护和薄层冲磨破坏的修补，科研人员一直致力于环氧砂浆性能和性价比的开发研究之中。环氧砂浆在水利工程中的应用前景广阔。主要应用于抗冲耐磨部位、混凝土裂缝修补部位、混凝土缺陷修补、缓凝土防渗等部位。环氧砂浆在近几年的使用过程中，提高断裂韧性和抗裂性、方便快速易施工、适应潮湿混凝土表面并具有高粘接强度等方面性能已经得到较大程度的改善和提高。科研人员根据环氧树脂化学灌浆材料对各组分的性能要求，研制出多种新型环氧砂浆材料。如Cw系环氧树脂砂浆。由低黏度环氧树脂、无毒、高韧性、防水性的固化体系以及反应性表面活性剂共同组成。这类新型环氧砂浆具有低黏度、高强度、渗透性强等优点。NE型环氧砂浆也是一种新型环氧树脂复合材料，在于水利工程中，可应用于过流混凝土的保护和修补材料。新型环氧砂浆材料应用范围有限，主要是因为价格仍较昂贵，环氧砂浆耐久性和水下施工仍需国内外研究者继续深入研究。