水下環(huán)氧樹脂灌漿料的實驗研究
盧學軍
(長沙新德航化工有限公司,湖南長沙,410200)
摘要:在干燥條件下,環(huán)氧樹脂在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用,已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。人們期望在水下能獲得同樣的應(yīng)用效果,水下固化劑自然成為了水下環(huán)氧膠黏劑的關(guān)鍵技術(shù)。而水下環(huán)氧灌漿料作為水下膠黏劑的分支,如何實現(xiàn)其粘接強度達到與水上干燥環(huán)境的強度相差不大,需要對配制砂漿的相關(guān)材料合理篩選。本文圍繞水下環(huán)氧砂漿的原理、材料、工藝、效果、應(yīng)用場合做了相關(guān)的總結(jié)和論述,希望對行業(yè)的發(fā)展能有所裨益。
關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂 水下固化劑 水下環(huán)氧灌漿料
1 前 言
環(huán)氧樹脂號稱“萬能膠”,具有內(nèi)聚力大、收縮率低、介電性能好、防腐性能好、極性高、對多種材料的粘接強度高、操作性好、易于滿足不同工藝特殊要求等特點。在電子絕緣材料、防腐涂料、復合材料、建筑結(jié)構(gòu)膠等領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用,尤其在建筑修補行業(yè)的發(fā)展更是日新月異。在不同的地質(zhì)條件和環(huán)境條件下,均可以輕松實現(xiàn)不同異種材料之間的結(jié)構(gòu)粘接。我們知道,油性環(huán)氧樹脂的粘接對粘接界面要求較高,一般要求界面清潔干燥,無水漬無油污無粉塵,甚至需要表面做磷化、噴砂、去脂等處理方能達到較高的粘接強度。但是,建筑修補的很多領(lǐng)域都是在潮濕甚至水下的環(huán)境中,無法在達到表面完全干燥的環(huán)境下粘接,更不可能進行表面處理。而希望通過改變環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)解決潮濕或水下的粘接問題不太現(xiàn)實,因此通過專用的水下或者潮濕面固化劑,配合通用的環(huán)氧樹脂,添加相應(yīng)的C料混合均勻后即用于水下和潮濕環(huán)境下固化粘接是可行的。
水下環(huán)境跟陸上完全不同的外部環(huán)境,周圍和界面大量的水分會影響到膠體的固化物強度和粘接強度,膠液中親水性組分會不斷的溶入水中。影響固化的進程。為實現(xiàn)跟陸上一樣的粘接、灌漿、防腐、填縫、加固等用途,必須要有專用的水下固化劑與環(huán)氧樹脂配套使用,方能不斷拓寬環(huán)氧樹脂在水下的應(yīng)用范圍。
多年來,國內(nèi)研究人員在潮濕或水下固化劑研發(fā)方面做了大量工作,如T-31、X-89等潮濕面固化劑,810水下固化劑等,但是其潮濕面或者水下的粘接強度仍有大幅度提升空間,很多應(yīng)用工程師為片面降低成本,甚至把T-31\650或者一般的酚醛改性胺等通用型固化劑都做成水下環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂灌漿料,給水下建筑修補行業(yè)帶來極大的隱患。
2 水下固化劑的特點
2.1 對水下環(huán)氧膠黏劑的技術(shù)要求
作為水下環(huán)氧樹脂膠黏劑(水下環(huán)氧砂漿、水下環(huán)氧灌漿料、水下防腐涂料)必須滿足以下幾個方面的要求:
1、必須滿足水中對被粘物浸潤的熱力學條件,即在水中的粘附功要大于零。
2、遇水后能夠在固化前保持穩(wěn)定,不被水破壞。
3、能在水中對粘接面進行有效浸潤和固化。
4、具有一定的表面活性作用,能把被粘接面上的水分子置換或與水分子混溶。
5、具有適當?shù)恼扯群捅戎亍?
6、固化后與界面具有一定的粘接強度和耐水穩(wěn)定性。
7、無毒或低毒,尤其不含游離酚,對水源無污染。
水下環(huán)氧樹脂灌漿料要滿足以上幾個條件,基本上依賴于固化劑的特性。
2.2新德航水下環(huán)氧固化劑的特點。
針對以上要求,我們組織課題組專業(yè)技術(shù)攻關(guān),現(xiàn)開發(fā)了一系列水下環(huán)氧樹脂固化劑。該系列水下固化劑具有以下共同特點:
2.2.1阻水性強
具有極佳的憎水性,正常水下固化,不會被水沖散,表面出現(xiàn)
斑紋狀發(fā)白,也不影響粘接強度;能清除界面上的水份,即使添
加較多量水泥河沙,仍能保證界面干燥,照常如干燥條件下超過混
凝土或大理石的強度;純膠水下粘接強度高,水下固化強度保持率
在95%以上,浮膠現(xiàn)象輕微。純膠水下表面出現(xiàn)正常網(wǎng)狀條紋。
2.2.2表面活性好
純膠水中固化能有效浸潤界面,水下流動性好,接觸角小,通 過添加2-3倍水泥、活性硅微粉和河沙后仍保持足夠的水下流動性和滲透性,有效填充混凝土縫隙孔洞,補強混凝土的強度;能有效處理石英沙,并保證其足夠的阻水性。
2.2.3反應(yīng)活性高
低溫固化性能。在0°C以上固化完全,隨時間延長具備足夠的交聯(lián)度,強度指標高于國家標準要求。
2.2.4韌性好,
可實現(xiàn)水下對多種材質(zhì)的粘接,如混凝土、鋼板、大理石等多種建筑材質(zhì)。
2.2.5抗壓強度高
水泥環(huán)氧砂漿在水下常溫24小時達到50Mpa以上的抗壓強度。
2.2.6水下粘接強度好
水下底材疏松結(jié)構(gòu)仍能保持較好的粘接強度。
2.3 新德航水下固化劑實驗室測得的參數(shù)和特性
項目/品名 |
MH-2801 |
MH-2802 |
MH-2803 |
外 觀 |
棕色液體 |
中黃色液體 |
棕色液體 |
25°C粘度mpas |
《2500 |
《2500 |
《2500 |
胺值mgKOH/g |
250-300 |
250-300 |
300-350 |
活潑氫當量(理論值) |
95 |
95 |
50 |
參考配比(E-51/固化劑) |
2:1 |
100:50 |
100:25 |
操作時間(25°C分鐘) |
50 |
80 |
15 |
毒性LD50(mg/kg) |
》5000 |
》5000 |
》5000 |
水下鋼-鋼拉剪強度(Mpa) |
16.7 |
19.8 |
15.1 |
環(huán)氧灌漿料水下正拉粘接強度(Mpa) |
3.80 內(nèi)聚破壞 |
4.33 內(nèi)聚破壞 |
4.15 內(nèi)聚破壞 |
適應(yīng)范圍 |
水下建筑結(jié)構(gòu)膠,水下防腐涂料 |
水下大面積灌漿或化學灌漿、水下防腐涂料 |
水下修補砂漿、水下快固砂漿 |
3 水下環(huán)氧灌漿料的配制
配方中對其余材料的選擇均要考慮其疏水性,盡量不添加或者少添加親水性的組份,這樣有利于提高水下界面粘接強度。
3.1環(huán)氧樹脂和稀釋劑的選擇
建議選擇通用型雙酚 A性環(huán)氧樹脂,如E-51\E-44\128等,雙酚A型骨架提供了體系雙苯環(huán)結(jié)構(gòu),有利于阻水防水,從操作方便性考慮,128粘度適中優(yōu)于E-44在水下環(huán)氧灌漿料中得到應(yīng)用。
稀釋劑的選擇,選用環(huán)氧樹脂活性稀釋劑,帶苯環(huán)或脂環(huán)結(jié)構(gòu)的雙官能團或者單官能團活性稀釋劑比較合適,不要選用非活性的甲苯,丙酮等非活性稀釋劑調(diào)節(jié)粘度。如692、690、680,鄰甲酚縮水甘油醚等可供選用。其余不帶環(huán)式結(jié)構(gòu)的如501、622、AGE、BGE等具有較強的親水性,極易導致界面水分,不建議選用。
3.2對固化劑的選擇
并非干燥面粘接好的固化劑就可以用于水下環(huán)氧砂漿的配制,固化劑既要帶給體系足夠的阻水性,又要具備足夠的表面活性,而一般的固化劑很難同時達到這兩個方面的要求。如聚酰胺、T-31及一般的酚醛改性胺,均表現(xiàn)為阻水性不夠或者表面活性的不足,不是容易被水沖散溶解導致固化不完全,就是在水下結(jié)團成球狀,無法實現(xiàn)對水底表面的浸潤和粘接。
水下環(huán)氧修補砂漿、水下基礎(chǔ)快速填充環(huán)氧灌漿料需選擇阻水性強、固化快滲透力佳的水下固化劑,如MH-2803。
大面積水下環(huán)氧灌漿料需要固化劑提供足夠操作時間,因此需選擇即能低溫固化,又能提供80分鐘左右操作時間的固化劑品種,如MH-2802.
3.3對增韌劑的選擇
如果需要往砂漿中添加增韌劑以提高抗沖擊強度,建議添加含苯環(huán)或脂環(huán)結(jié)構(gòu)的低粘度活性增韌劑,一方面相當于稀釋劑降低體系粘度,增加C料的添加量,另一方面具備一定的阻水性能。
因為分子結(jié)構(gòu)的不同,增韌劑的添加可能會對水下環(huán)氧灌漿料的流動性和滲透性、親水性造成影響,
故需要大量實驗驗證。
3.4對C料的選擇
大面積水下灌漿必須考慮成本的因素,填充料的添加一方面降低收縮率,有利于粘接強度的提高,另一方面可能帶給水下環(huán)氧灌漿料阻水性能和粘接強度的直線下降。因此,對C料必須篩選。且需通過固化劑的合理選用實現(xiàn)對石英砂的處理,使其達到親和環(huán)氧樹脂體系的目的。
3.4.1石英砂的搭配
不同目數(shù)的河沙和球形或準形硅微粉相互搭配,小顆粒的球形粉體能起到滾珠的作用既可以增加流動性,還可以降低混合粘度,增加加沙量,并且因結(jié)構(gòu)致密,水下環(huán)氧灌漿料能有效阻滯水分侵入,有利于水下界面粘接強度的提高。
3.4.2選用水泥
水泥是一種用途非常廣泛的建筑材料,接觸水即能發(fā)生水化反應(yīng)生成石材般的結(jié)構(gòu)物,但是其親水性和吸水性使得水下固化的環(huán)氧砂漿粘接強度面臨挑戰(zhàn),只有在水下固化劑阻水性能足夠優(yōu)秀的前提下才能選用水泥做C料,否則會導致界面水分嚴重,粘接失效。
3.4.3處理石英砂
干燥石英砂,提供體系較高的抗壓強度和模量,成本低廉,可大量添加。但是表面的強烈親水性對水下粘接同樣形成挑戰(zhàn),其水下固化的強度完全依賴于對固化劑的選擇。
3.4.4選用活性硅微粉
活性硅微粉,經(jīng)過活性硅烷偶聯(lián)劑處理的石英粉具有較強的疏水性和對環(huán)氧樹脂的親和性,太粗的粒徑影響浸潤,太細的粒徑影響粘度,一般以300-400目左右的準球形活性硅微粉在石英砂中可起到滾珠的作用,降低粘度,增強流動性。適合在水下環(huán)氧樹脂灌漿料中作填充料使用。另外,硅微粉表面處理的效果直接影響砂漿的疏水性能。
3.4.5選用滑石粉
滑石粉具有一定的疏水性的天然填充劑,雖含有結(jié)合水,但在常溫固化的條件下影響不大,建議部分采納300-400目左右的滑石粉,過細粒徑的滑石粉增長粘度較快,影響石英砂的添加量。
3.4.6對C料量的控制
要保證水下環(huán)氧灌漿液對C料的浸潤性好,C料添加過多,則漿料混合粘度高,無法對C料的粒徑表面進行充分處理和浸潤,因此水下的流動性和滲透性自然大打折扣,漿液也極易在水中析出。
3.5水下環(huán)氧灌漿料參考配方
128 85份
692 15份
水下固化劑 25-50份
400目活性硅微粉 25-30份
石英砂約40-80目為宜 250-300份
硅烷偶聯(lián)劑如550
1份
如需要繼續(xù)降低粘度,可使用部分雙酚F環(huán)氧樹脂,還可考慮多種目數(shù)的河沙和準球型活性硅微粉相互搭配。
以上材料按照混合工藝混合攪拌均勻即可用于水下灌漿。
3.6水下環(huán)氧灌漿料混合工藝建議
128同692先預混1分鐘,加入固化劑同550混合2分鐘,再加入石英砂基本混合均勻后,最后加入水泥或活性硅微粉混合攪拌均勻,最好保證固化劑和河沙加入從混合開始到灌漿至少5-10分鐘的混合時間,這樣有利于河沙在體系得到充分浸潤,以防止膠水在隨后的灌漿工藝中析出。
不建議水泥或者硅微粉先于石英砂加入到混合膠水體系中。
不建議我司水下固化劑同別的固化劑混合復配使用。
4.水下環(huán)氧灌漿料的應(yīng)用范圍
4.1水工建筑使用的環(huán)氧樹脂灌漿料
水工建筑物修補材料占水工建筑物修補材料的60%,包括環(huán)氧樹脂灌漿材料、環(huán)氧樹脂修補砂漿和環(huán)氧樹脂鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層。如水工建筑的基礎(chǔ)和壩體裂縫的防滲加固。高速公路、橋梁、地鐵、工業(yè)和民用建筑升溫各種混凝土裂紋和基礎(chǔ)的防滲補強加固處理;能在潮濕和水下固化粘接的環(huán)氧樹脂砂漿涂層可做水電站抗磨蝕材料、混凝土裂紋修補材料、混凝土防滲處理和修補損傷、松動混凝土;水工建筑環(huán)氧樹脂防腐涂料和金屬結(jié)構(gòu)涂層。
4.2各種建筑物和建筑制品的水下防堵漏修補和水下防腐
電力、建筑、橋墩玻璃纖維套筒、鐵路、碼頭、隧道、高鐵、水池渡槽、人防工程等建筑物的缺陷修補、防水堵水,水泥制品和設(shè)備的水中粘接,且在造船、沉船打撈、船舶的水中修補中大量應(yīng)用。海岸河流橋礅、鋼筋混凝土、地下電纜、輸水管道、冶金船舶、石油、煤礦等場合的水下防腐或封堵。
4.3水下建筑結(jié)構(gòu)膠
水下建筑加固,包括水下粘接碳纖維、鋼板、錨固等建筑多種建筑加固處理。
5.結(jié)論
5.1 水下環(huán)氧灌漿料的主要性能關(guān)鍵取決于固化劑的特性。
5.2 組成水下環(huán)氧灌漿料的各種原材料均要考慮盡量阻水性好、C料要干燥,尤其少含水分或不含親水性物質(zhì)。
5.3 不同目數(shù)的石英砂和球形填充料相互搭配,既可以增強水下環(huán)氧灌漿料的阻水性又可以降低其混合粘度,增強環(huán)氧灌漿料的水下流動性和滲透性。
5.4 工藝也很重要,石英砂先于水泥或硅微粉加入到混合均勻的水下環(huán)氧灌漿料中,有利于水下環(huán)氧漿液對石英砂的處理,并保證5-10分鐘的混合處理時間,再灌漿入水,這樣才能真實反應(yīng)水下環(huán)氧灌漿料的阻水能力。
該文獻同時發(fā)表在《第七屆中國建筑膠黏劑發(fā)展論壇會刊》,請參閱。
參考文獻:
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(J).粘接,2007.28(2):44-46
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3) 魏濤 董建軍.環(huán)氧樹脂在水工建筑物的應(yīng)用.北京.化學工業(yè)出版社,2007