薄覆型环氧砂浆在输（储）水混凝土防护中的应用

娄岩

摘 要：在输（储）水工程中，由于其特殊的运行条件，混凝土的老化形式和机理更为多样和复杂，如裂纹、碳化、溶蚀、冻融剥蚀、化学腐蚀、冲磨破坏等，所以对防护和修补提出了更高的要求。随着社会的发展和对修补防护作用认识的加深，高性能环氧防护修补材料的应用已越来越普遍。薄覆型环氧砂浆采用活性増韧体系，使材料具有良好的韧性，可避免应用过程中环境温度变化等因素引起的应力积累，防止防护层开裂和脱空。

关键词：环氧砂浆;混凝土;防护

中图分类号：X799.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）28-0112-04

Application of Thin Covered Epoxy Mortar in Protection

of Water Storage （Storage） Concrete

LOU Yan

（Management Department of Donggan Canal， Beijing South-North Water Transfer Project，Beijing 100176）

Abstract： In the transportation （storage） water project， due to its special operating conditions， the aging form and mechanism of concrete are more diverse and complex， such as crack， carbonization， dissolution， freeze-thaw erosion， chemical corrosion， erosion damage， etc. Higher requirements are placed on protection and repair. With the development of society and the deepening of understanding of repair and protection， the application of high-performance epoxy protective materials has become more and more popular. The thin-coated epoxy mortar adopts an active toughening system to make the material have good toughness， avoid stress accumulation caused by factors such as environmental temperature changes during application， and prevent cracking and voiding of the protective layer.

Keywords： epoxy mortar;concrete;protection

混凝土的破坏主要分为三类：机械破坏、化学破坏和物理破坏。机械破坏主要包括冲磨、疲劳、冲击、过载、沉降等运动和振动形式;化学破坏包括碱骨料反应、侵入性介质引起的性能劣化;物理破坏包括冻融、热效应、盐结晶、收缩、冲蚀、磨损等。混凝土表面的防护材料主要分为三类，即疏水性浸漬材料、浸渍材料和涂层。其主要区别是混凝土表面形成的防护层状态不同，疏水性浸渍是通过渗透作用使混凝土表面成为疏水性表面，包括混凝土孔隙的内表面，但不填充混凝土表面的孔隙，品种多为硅烷和硅氧烷材料;浸渍材料可以完全或部分填充混凝土表面的孔隙和毛细管，并对混凝土表面具有补强作用，常在混凝土表面形成不连续的膜，多采用有机聚合物材料;涂层则在混凝土表面形成连续的防护膜，厚度在0.1～5mm，材料多为有机聚合物、聚合物砂浆及聚合物改性水泥砂浆等。涂层材料对化学破坏和物理破坏都具有很好的防护作用，部分涂层材料对机械破坏也有防护作用，所以涂层材料在防护中用途最为广泛，尤其在浸水环境中，涂层防护能够提供更好的阻隔作用，具有更可靠的物理和化学防护作用。针对水工混凝土的状态和其运行环境，其处理目的可以分为防护、修补和加固等。由于环氧树脂材料具有突出的粘接、力学和耐介质性能，本文对其进行深入研究。

1 环氧材料在水工混凝土表面防护中的研究及应用进展

输（储）水工程运行条件特殊，混凝土的老化形式和机理更为多样和复杂，如裂纹、碳化、溶蚀、冻融剥蚀、化学腐蚀、冲磨破坏等，所以对防护和修补提出了更高的要求，而环氧树脂材料优异的综合性能使其在水工防护修补中具有很大的技术优势和发展潜力。相关试验研究表明，环氧树脂材料对于混凝土有优异的防护效果。M Delucchi等[1]比较了不同材料类型涂层的防护性能，包括水性环氧树脂体系、水性环氧+丙烯酸酯/聚氨酯体系、环氧/聚胺体系以及乳液橡胶等，试验结果表明，在渗透性、抗磨性、耐介质腐蚀性能以及裂纹桥联方面，环氧/聚胺体系具有非常出色的性能。卢永忠[2]研究了丙乳砂浆和环氧砂浆对混凝土的防护作用，结果表明，两种材料对混凝土的抗氯离子和抗冻性均有利，而环氧砂浆在抗磨性方面更优。

环氧基材料在混凝土薄层修补和防护中得到了广泛应用。包叔平等[3]报道了某船闸混凝土采用环氧涂层材料（环氧胶泥）进行防护取得的满意效果。三峡大坝导流底孔、葛洲坝3号船闸反弧面利用环氧涂层材料进行抗冲磨、抗气蚀防护，效果良好[4]。江苏省国营淮海农场利用环氧厚浆涂料对碳化严重的混凝土桥梁进行修补和防护取得了较好效果，为今后水工防腐提供了经验。

环氧防护材料的修补防护效果在应用实践中也得到了证明。Fowler[5]对聚合物材料在混凝土修补防护中的应用进行了回顾，指出限制其推广利用的一个主要因素是价格，其成本一般是水泥的1～100倍。但随着社会的发展和对修补防护作用认识的加深，高性能环氧防护修补材料的应用已越来越普遍。

2 水工混凝土环氧防护材料的环境适应性试验

WF薄覆型环氧砂浆采用活性增韧体系，使材料具有良好的韧性，可避免环境温度变化等因素引起的应力积累，防止防护层开裂、脱空。WF薄覆型环氧砂浆具有良好的施工性能，无须底涂，可直接在混凝土表面涂覆，形成1～2mm厚度的连续保护层，具有优异的力学性能、阻隔性能、粘接性能和长期的耐水性能，是输（储）水建筑物混凝土防护的理想材料。

下面通过一系列的试验测试，考察薄覆型环氧砂浆的环境适应性和耐久性，以期积累基础数据，为工程应用提供参考。

2.1 试验内容

2.1.1 高低温干热循环试验。为了评价薄覆型砂浆材料在混凝土防护过程中适应环境温度变化的能力，进行了高低温干热循环试验。为了涵盖我国极寒地区冻融防护的应用条件，将循环的最低温度设定为-40℃，最高温度设定为55℃。其基本试验参数和过程如下。

准备300mm×300mm×100mm混凝土试件，要求试件表面拉拔强度大于3MPa，基面打磨清理洁净后涂覆2mm厚的薄覆型环氧砂浆涂层，在常温下养护14d;一块作为冻融试件，一块作为空白试件进行对比。

可编程高低温实验箱，其设定的温度变化程序为：从21℃降温至-40℃，降温速率为3℃/min（需20min）;在-40℃下保持溫度153min;从-40℃升温至55℃，升温速率为3℃/min（需32min）;在55℃下保持153min;在降温降温至21℃，降温速率为3℃/min（需12min）;一个循环过程约为370min。

本试验整个过程需经过30个循环，试验结束后观察涂层表面是否出现裂纹、起包、分层、剥落等外观缺陷，同时测试试验后的粘接强度，并与空白比对试件的粘接强度进行比较。

2.1.2 湿热-浸泡循环试验。本试验模拟考察混凝土薄覆型环氧砂浆防护涂层材料突遇雷阵雨热冲击或水位上升引起的温度下降时涂层材料与混凝土基层的热相容性能。其基本试验条件及过程如下。

准备300mm×300mm×100mm混凝土试件，试件表面拉拔强度大于3MPa，基面打磨清理干净后刮涂2mm厚环氧砂浆防护涂层，养护14d;一块作为冻融试件，一块作为空白试件进行对比。

在内径为50cm、高度大于20cm的水浴容器中放入14cm高的自来水，水温不超过20℃;烘箱设定温度为70℃;将试件放入70℃烘箱中5.5h后取出，马上放入水浴容器中，水没过试件表面50mm，搅拌容器中的水，使水温均匀，15min后取出，完成一个循环，合计时间为6h。

本试验整个过程需要经过30个循环，试验结束后观察涂层表面是否出现裂纹、起包、分层、剥落等外观缺陷，同时测试试验后的粘接强度，并与空白比对试件的粘接强度进行比较。

2.1.3 冻融循环试验。为了评价环氧防护材料对混凝土抗冻融防护作用，依据《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）抗冻性试验要求，采用混凝土快速冻融试验机进行冻融试验，通过测试冻融循环前后环氧防护涂料与混凝土的拉拔粘接强度，检验该材料的抗冻性以及对混凝土的防护作用。基本试验参数和过程如下。

准备100mm×100mm×400mm混凝土试块（C30F300），表面打磨清理后涂刷2mm厚环氧砂浆防护涂层，常温养护14d。一块作为冻融试件，一块作为空白试件进行对比。冻融条件为：冻融液温度为-25～20℃;循环一次3h，降温1.5h。

本试验整个过程需要经300个冻融循环，观察涂层表面是否出现裂纹、起包、分层、剥落等外观缺陷，并测试试验前后粘接强度变化。

2.1.4 基本力学性能试验。测试薄覆型砂浆材料的本体力学性能试验，参考《环氧树脂砂浆技术规程》（DL/T 5193—2004）中规定的拉伸强度测试方法;砂浆粘接强度测试，参考《建筑防水涂料试验方法》（GB/T 16777—2008）中规定的粘接强度测试方法。

2.1.5 低温性能试验。由于施工季节或环境条件的多变，施工温度变化很大，特别是温度较低会影响材料的正常性能发展。本试验以8～10℃为环境温度，考察薄覆型砂浆的低温固化性能和粘接性能。其试验过程如下：将薄覆砂浆样品及水泥砂浆试块放置在温度为8～10℃的低温箱中，静置4h以上;取出样品按比例要求混合均匀，成型粘接拉拔试件，即在高强水泥砂浆试件表面涂覆薄覆型环氧砂浆，厚度约1.5mm，放回低温箱中固化养护;2d后在拉拔试件上打孔粘接拉拔头。按计划时间进行粘接拉拔测试。

2.2 结果与讨论

2.2.1 力学性能与粘接性能。表1为薄覆型环氧砂浆的基本力学性能测试结果。由测试数据可知，薄覆型环氧砂浆具有良好的力学性能，其抗拉强度通常为混凝土材料抗拉强度的2～3倍，且刚性与韧性均衡。薄覆型砂浆与混凝土的粘接效果非常出色，其破坏形式通常为基层混凝土的内聚破坏，即其粘接强度大于基层混凝土的本体强度，这是环氧砂浆修复混凝土在耐久性方面的保障。另外，薄覆型环氧砂浆具有很好的湿面粘接效果，可在环境湿度较大、基面干燥不良的条件下正常施工，大大提高了施工环境适应性。

2.2.2 适应性试验。表2为薄覆型砂浆适应性系列试验的检测结果。涂层材料能够发挥保护作用的基础是防护层保持连续、完好，在工程实践中经常出现的防护层开裂、脱空、脱落等问题，是防护作用失效的主要原因。本试验进行了3种工况的测试，高低温干热循环试验用于表征材料在无水环境下耐受温差的能力，湿热浸泡循环试验用于评价冷水热冲击及湿热的耐受能力，冻融循环试验用于评价材料在寒冷地区耐受冰-水融化循环过程的性能。

从试验结果可以看出，经过干热循环试验、湿热循环试验以及冻融循环试验后，防护层外观正常，未出现开裂、起包、脱落等缺陷。粘接测试中，所有粘接破坏形式均为混凝土基层内聚破坏，其中干热循环和湿热浸泡循环的拉拔强度变化不明显，冻融循环后强度有一定降低，原因可能是经过300次冻融循环后混凝土的本体强度受到一定的影响。从整体测试结果看，薄覆型环氧砂浆具有出色的环境适应性和耐久性。

2.2.3 低温性能测试。表3为低温固化3d和7d的粘接拉拔结果。从试验结果看，3d粘接拉拔强度均值为2.44MPa，破坏形式为薄覆砂浆内聚破坏，此时由于低温固化时间短，薄覆砂浆的内聚强度还比较小;7d后的拉拔强度均值增长为5.56MPa，破坏形式转化为基层混凝土的内聚破坏，表明此时薄覆型环氧砂浆的强度已大于5.56MPa，性能已满足工程要求，这对温度较低、工程紧张的施工环境来说有重要的意义。

图1为粘接拉拔试验照片。图1（a）为低温固化3d的拉拔破坏情况，破坏形式均为薄覆型砂浆内聚破坏;图1（b）图为低温固化7d的拉拔破坏照片，破坏形式均为混凝土基层内聚破坏。

3 结论

混凝土应用环境复杂，对防护材料的要求较高，仅对材料的基本力学性能和隔离性能进行评价是不全面的。大量工程经验表明，良好的环境适应性和耐久性才是防护層达到防护目的的关键，也是其防护性能能够发挥作用的基础。试验研究发现，薄覆型环氧砂浆具有出色的环境适应性，由于材质本身的高隔离性质，其在复杂环境中可以用于混凝土表面防护，能起到防碳化、抗冻融、防腐蚀等多功能防护作用，可作为混凝土防护工程的一种优秀备选材料。

参考文献：

[1]Delucchi M，Barbucci A，Cerisola G.Crack-bridging ability and liquid water permeability of protective coatings for concrete[J].Progress in Organic Coatings，1998（1）：76-82.

[2]卢永忠.修补混凝土桥墩病害的砂浆类材料试验研究[J].中国铁路，2010（7）：8-11.

[3]包叔平，温成国.两种修补工艺在某船闸施工中的应用[J].人民长江，2004（6）：31-32.

[4]梁凯，胡斌，赵大明.环氧材料在三峡大坝导流底孔修补中的应用[J].人民长江，2006（5）：30-31.

[5]D W Fowler.Polymers in concrete：a vision for the 21st century[J].Cement & Concrete Composies，1999（21）：449-452.