改性环氧胶在建筑结构加固修复中的应用

2022-04-19吴海瑛

粘接 2022年3期

吴海瑛

摘要：为测试改性环氧胶在建筑结构加固修复中的应用效果和优势，设计了应用测试实验。选择混凝土结构厂房作为工程建筑研究内容，分析并计算建筑结构的承载力，以此设置加固修复的约束条件。制备环氧胶，从温度和韧度2个方面实现环氧胶的改性处理。应用改性环氧胶，执行建筑结构加固修复的施工方案，从拉伸、耐湿热老化和抗剪3个方面测试加固修复效果。经数据处理与统计，发现与对比组相比，应用改性环氧胶得出的建筑结构加固修复结果的拉伸强度更高，腐烂面积更小，产生裂缝宽度更小。说明改性环氧胶在建筑结构加固修复中具有良好的应用效果。

关键词：改性环氧胶;建筑结构;加固修复方法

中图分类号：TU58

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）03-0062-05

Application of modified epoxy adhesive in reinforcement

and repair of building structure

WU Haiying

（Shanghai Urban Construction Vocational College，Shanghai 200438，China）

Abstract：In order to test the application effect and advantages of modified epoxy adhesive in building structure reinforcement and repair， an application test experiment is designed. The concrete structure workshop is selected as the research content of engineering construction， the bearing capacity of the building structure is analyzed and calculated， and the constraint conditions for reinforcement and repair are set. Epoxy adhesive was prepared and modified from two aspects of temperature and toughness. Using modified epoxy adhesive， the construction scheme of building structure reinforcement and repair is implemented， and the reinforcement and repair effect is tested from three aspects： tensile， moisture and heat aging resistance， and shear resistance. After data processing and statistics， it is found that compared with the control group， the results of building structure reinforcement and repair obtained by using modified epoxy adhesive have higher tensile strength， smaller decay area and smaller crack width. Therefore， it is concluded that modified epoxy adhesive has a good application effect in building structure reinforcement and repair.

Key words：modified epoxy adhesive; building structure; reinforcement and repair methods

由于建筑物老化、意外損伤以及自然灾害等因素的影响，致使建筑结构的耐久性和稳定性随之降低，建筑结构发生危险事故的概率增加，使用功能下降，最终导致建筑物无法正常使用[1]。为了延长建筑的使用寿命，需要对部分存在安全隐患的建筑进行加固修复处理。

目前市场对加固修复技术的需求增大，从当前的建筑结构加固修复研究成果和应用情况来看，现有加固修复方案存在加固效果不佳的问题。主要体现在加固修复处理后建筑结构的剪切强度、耐湿热、老化性能等方面。为此将改性环氧胶应用到建筑结构的加固修复工作中，并观察其应用效果。

改性环氧胶是环氧胶的一种，环氧胶是在一个分子中含有两个或两个以上的环氧基团与固化剂按一定比例混合后，在固化反应的作用下形成的产物。与其他热固性胶相比，环氧胶具有良好的稳定性、粘接性等特点，被广泛的应用到装修、结构粘接、建筑物修复与加固等场合中。然而，普通的环氧胶虽可以满足建筑结构施工加固修复的需求，在胶体性能方面依旧存在一定的缺陷，例如常温型环氧胶不能在高温环境下长时间使用等，为此在普通环氧胶的基础上针对建筑的特殊结构以及施工环境对其进行改性处理，以期能够在简化加固修复施工难度的同时，最大程度地提高对建筑结构的加固与修复效果。

1 改性环氧胶在建筑结构加固修复中的应用实验设计

为了进一步研究改性环氧胶在建筑结构加固修复工作中的应用方式和应用效果，设计应用设计实验，通过实验的方法研究不同环境下粘贴法加固混凝土试块的破坏形式、破坏机理以及加固修复结果。

1.1 建筑工程概况

此次应用实验选择某市郊区的混凝土结构厂房作为实验背景，该建筑结构包含4层框架。其中，地上3层、地下1层，建筑总面积为357 060 ㎡，每层结构面积相同;但地上建筑的高度为2.9 m，地下高度仅为2.4 m。选择建筑工程的基本平面结构，具体如图1所示。

选择的建筑工程于2010年5月开工，并于2010年9月正式竣工;竣工后直接投入使用，且截止目前该建筑未经历大规模的施工。建筑结构基础为钢筋混凝土筏板，地基持力层为粉土，承载力按120 kPa设计，剪力墙为二级[2]。加固修复处理前建筑结构的强度等级为C30。

1.2 计算建筑结构承载力

在开始建筑结构的加固修复处理之前，首先需要分析初始建筑结构的受力情况以及极限承载力，从而设置加固修复的施工参数。建筑结构主要承受的力包括自身重力、建筑内部物体重力、移动人员的重力和运动力等。当建筑结构的承载力接近极限值时，建筑结构各个模块之间的结合面可能会出现拉、压、弯、剪等复杂应力，并在应力作用下产生建筑结构形变，

轴心受压建筑结构应力与应变之间存在正相关关系。在非均匀受压环境下，应力与应变仍存在正相关关系，若建筑结构不属于区域受压极限应变值范围，则应力与应变量相同。综合上述建筑结构的应力分析结果，设置建筑结构的加固修复约束条件：

σ≤f1+0.56ρsvf2

（1）

式中：ρsv為建筑结构的配筋率;σ为总应力值。在实际的加固修复施工过程中需要针对建筑结构不同的位置和特征对约束参数进行调整，以保证最终的加固修复效果。

1.3 准备实验原材料与设备

改性环氧胶的主要组成包括固化剂、偶联剂、稀释剂、填料等。采用胺类固化剂为主的固化剂，在综合考虑固化、施工、结构性能、环境等因素后，选用合适的固化剂[3]。稀释剂主要用于环氧胶粘剂系统降低黏度，改善涂布性和流动性，考虑到止水加固效果的长期存在，使用活性稀释剂。为使环氧基具有更好的塑性和抗剪切性，需加入适当的增韧成分，改善环氧胶存在的脆性大、弹性差的缺点。此外，在制备改性环氧胶时，加入填料可使环氧树脂在固化和冷却过程中因体积收缩而引起内部破坏。综合改性环氧胶的组成成分以及实验过程中使用的药品试剂，得出实验原材料的准备情况，具体如表1所示。

另外，从改性环氧胶制备和建筑结构加固修复效果测试两个方面，设置实验仪器设备，具体的设置情况如表2所示。

除了表1、表2中的材料和设备外，还需要准备旋转黏度计、高速研磨搅拌机、电子天平等设备，并按照使用原理进行设备连接。

1.4 环氧胶制备与改性

图2表示的是环氧胶制备的一般步骤。

按照图2表示的流程，在液体双酚 A型环氧树脂中加入增韧剂、偶联剂等原材料。以溴甲酚绿为指示剂，在70～75 ℃下合成环氧胶预聚体，其 pH值变化区域为3.8～5.4，3 h后反应完全。将环氧树脂加热至600 ℃，抽真空去除小分子和水分杂质，取PU预聚体加入预先称量的EP中，搅拌和70 ℃恒温反应2 h，保证 PU与 EP完全接枝;然后滴加适量摩尔比为4∶1的扩链剂，80 ℃恒温下进行扩链交联2 h，得到接枝环氧胶液[4]。最终取不同量的已烘干脱水的聚氨酯加入到液体状态的环氧胶中，在80 ℃环境下强烈搅拌8 h，混合均匀后，得到普通环氧胶制备的结果。在此基础上，分别从温度和韧度2个方面对环氧胶进行改性处理，目的是提高环氧胶对建筑结构环境的适应程度。其中，对固化温度的改性主要是利用1，6-己二胺和硫脲化学反应，即将己二胺和硫脲作为原材料应用到环氧胶的制备工作中。而环氧胶的增韧改性主要是利用化学反应促使相互脱离，采用液相抑制或热溶2种方法对热塑性树脂进行液态处理，使之溶于环氧树脂内制成平衡的体系结构。硫化过程中，经过热塑性树脂滤出，形成了相反转、双连续相及海岛等多个多元网络结构，有效处理了分散相的表面状态。经过上述两个步骤，实现普通环氧胶的改性，并得出改性环氧胶制备结果。

1.5 改性环氧胶应用与建筑结构加固修复施工

由于粘合剂对基体表面的浸润性和界面的分子间作用力是获得高粘接强度的主要原因。为降低表面污染程度，在进行加固修复施工前，需要先对建筑结构表面进行处理，以实现牢固粘接。通过对建筑结构表面裂缝宽度、走向、弯曲度等进行检测，确定灌浆嘴的布置间距，并在灌浆嘴安放时保持平顺[5]。用环氧封缝胶泥将裂缝全部封堵，保持均匀、平整，封闭应完整，防止漏浆。结合建筑结构承载力的分析计算结果，利用式（2）计算改性环氧胶的注入量。

σ=α-β lg h

（2）

式中：α和β均为常数系数，其具体取值由使用环境决定;h表示铺设的胶层厚度。按所定比例将一定量改性环氧树脂与固化剂称重混合，搅拌均匀后倒入手提注射器进行灌浆。灌浆按照从低到高的顺序进行，若靠近其上的注浆嘴出浆，则暂停灌浆，并迅速地将灌浆嘴封住。上一次注浆嘴为排气，不需注胶。24 h内，注胶基座不能受到干扰，注胶24 h后得出的建筑结构即为加固修复结果。

1.6 描述建筑结构加固修复效果测试过程

在相同的建筑结构研究对象中，将其平均分为3个部分，分别标记为A、B和C，且尽量保证3个部分所包含的建筑结构元素相同，占地面积与受力情况相似。A建筑区域选择传统的加固修复方法，即不使用任何环氧胶进行建筑结构的加固修复;B建筑区域使用普通的环氧胶;C建筑区域使用制备的改性环氧胶，由此产生实验中的3个对比组。为了保证应用测试实验结果的可信度，实验分别从框架梁柱、剪切墙、楼板3个方面进行具体测试，并分别在各个建筑结构位置上分别设置2个测点，方便相关数据的测量。

此次实验分别从拉伸性能、耐湿热老化性能和抗剪性能3个方面进行效果测试，设置拉伸性能的测试指标为拉伸强度，其数值结果：

μt=Pbb·H

（3）

式中：Pb、b和H分别为建筑结构被破坏时的最大荷载、研究区域的宽度和厚度。拉伸强度计算结果越大，说明加固修复后的建筑结构拉伸性能越好。耐湿热老化性能的量化测试指标为建筑结构中的腐烂或破损总面积，可以利用卡尺等精密空間测量设备直接计算得出腐烂面积的计算结果;建筑表面的腐烂面积越小，则说明建筑结构的耐湿热老化性能越优。另外，抗剪性能的测试就是在建筑结构上施加不同的压力荷载，并在不同荷载作用下建筑结构上产生裂缝以及裂缝宽度的变化情况，即建筑结构的沉降情况。

拉伸性能和抗压性能测试均在室温环境下进行，并保证环境中的相对湿度不高于20%。先将万能拉力机安装在加固修复后的建筑结构两端，设置初始拉伸荷载为500 N，每隔5 min增加100 N拉力，直到建筑结构研究对象表面出现断裂为止，记录断裂时刻拉伸荷载的值。拆卸万能拉力机设备，在建筑结构顶部安装冲击试验机，设置冲击剪切力的施加参数为1 000 N，进行抗剪性能测试，观察裂缝数量和裂缝宽度。拆除所有应力加载设备后，将实验环境调整为温度40 ℃，相对湿度 50%，并设置测试时间分别为10、30和90 d;然后对比3个加固修复建筑结构的腐烂变化情况，统计腐烂面积，从而得出耐湿热老化性能的测试对比结果。

2 应用实验结果分析

2.1 拉伸性能测试结果分析

通过测量建筑结构研究区域的宽度和厚度始终为10 m和0.5 m，经过式（3）的计算，得出建筑结构拉伸强度的测试数据，结果如表3所示。

由表3可以看出，未应用环氧胶、应用普通环氧胶和应用改性环氧胶的建筑结构加固修复结果的平均拉伸强度分别为223.3、263.3和516.7 MPa，相比之下应用普通环氧胶后的建筑结构的拉伸强度更高，即拉伸性能更优。

2.2 耐湿热老化性能测试结果分析

图3为90 d时刻的建筑结构研究对象的腐烂测试结果。

同理可以得出1 d和30 d时，研究对象的耐湿热老化性能测试结果，具体如图4所示。

由图4可以看出，随着湿热老化时间的推进，建筑结构的腐烂面积逐渐扩大，与未应用环氧胶和应用普通环氧胶的加固修复建筑相比，应用改性环氧胶的加固修复建筑的腐烂面积更小，即耐湿热老化性能更好。

2.3 抗剪性能测试结果分析

通过剪切荷载的施加以及硬件设备的测量，得出不同建筑结构加固修复结果的裂缝宽度变化测试结果，其中楼板测点1裂缝宽度的测试结果如图5所示。

按照相同的方式得出其他建筑结构测点的测量结果，通过统计发现在不同的剪切力作用下，3个研究对象表面均产生一条裂缝，各个测点裂缝的测量结果，如图6所示。

由图6可以看出，将改性环氧胶应用到建筑结构的加固修复工作中，得出的处理结果能够在1 000 N剪切力作用下将裂缝宽度控制在5 cm以下，且始终低于两个对比建筑。