海工混凝土结构用环氧树脂固化体系性能研究_徐姗姗.pdf

2023 年 2 月材料开发与应用文章编号:10031545(2023)01008104海工混凝土结构用环氧树脂固化体系性能研究徐姗姗1，白师豪1，马志超1，陈程2(1中国船舶集团有限公司第七二五研究所 厦门材料研究院，福建 厦门 361101;2 福建科胜加固材料有限公司，福建 厦门 361027)摘要:随着我国海洋经济的飞速发展，对海工混凝土结构腐蚀修复补强技术的需求日益增大。现有地面以上混凝土结构修复技术非常成熟，环氧树脂固化体系对于海洋环境的适用性是其应用环境由地面拓展到海工领域的关键。本研究遴选出 7 种市售固化剂，通过固化剂及树脂体系黏度、水下凝胶时间对其进行初步筛选，并研究了固化环境、固化时间、固化剂用量对树脂体系的压缩性能影响。最终，通过对拉伸性能、黏结性能的研究，得到海水环境下综合性能表现最优的为 810 固化剂。结果表明:当环氧树脂 E51 与固化剂 810 质量比为 2 1 时，在海水中养护 7 d，水下凝胶时间为 65 min，压缩强度为 10159 MPa，拉伸强度为 3259 MPa，断裂伸长率为 409%，黏结强度为 352 MPa。关键词:海工混凝土结构;环氧树脂;固化;性能中图分类号:TQ177.6文献标识码:AStudy on Properties of Epoxy esin Curing System forMarine Concrete StructuresXU Shanshan1，BAI Shihao1，MA Zhichao1，CHEN Cheng2(1 Xiamen Advanced Materials Academy of Luoyang Ship Material esearch Institute，Xiamen 361101，China;2 Fujian Kesheng einforcement Material Co，Ltd，Xiamen 361027，China)Abstract:With the rapid development of marine economy，the demand for marine concrete structure corrosion repairing and re-inforcement technology is increasing The existing repair technology of concrete structures above ground level is very mature Theapplicability of epoxy resin curing system to the marine environment is the key issue to expand its application environment fromthe ground surface engineering to the offshore engineering In this paper，7 kinds of commercial curing agents are selected andscreened by curing agent，viscosity of resin system and underwater gel time The effects of curing environment and time and dos-age of curing agent on compression properties of the resin system are studied Finally，through the study of tensile properties andbond properties，it is concluded that the 810 curing agent has the best comprehensive performance in seawater environment Theresults show that when the mass ratio of the epoxy resin E51 to the curing agent 810 is 2 1，the epoxy resin is placed in seawa-ter cured for 7 d，and the underwater gel time is 65 min，the compressive strength of the epoxy resin is 10159 MPa，the tensilestrength 3259 MPa，the elongation at break 409%，and the bond strength 352 MPaKeywords:marine concrete structure;epoxy resin;curing;performance收稿日期:20220523基金项目:厦门市建设局科技计划项目(XJK2021116)作者简介:徐姗姗，女，1988 年生，工程师，硕士研究生，主要研究方向复合材料。引用格式:徐姗姗，白师豪，马志超，等 海工混土结构用环氧树脂固化体系性能研究J 材料开发与应用，2023，38(1):8184XU S S，BAI S H，MA Z C，et al Study on properties of epoxy resin curing system for marine concrete structures J Development and Application of Materials，2023，38(1):818418DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.008材料开发与应用2023 年 2 月海洋工程设施建造是海洋资源开发的基础，港口码头、跨海大桥等海工设施领域在过去十几年得到了大力发展。但海洋工程混凝土结构的缺陷如裂缝、冻融剥蚀、冲刷磨损破坏等已严重破坏了海洋工程结构的耐久性和安全性1。多年来人们一直致力于混凝土病害修补材料和修补技术的研究，取得了很大的进展，但是海洋结构混凝土建筑物病害的修补处理问题却未得到很好的解决，在海洋环境下如何对混凝土建筑物进行修补，保证这些建筑物的安全运行，是人们所面临的急需解决的问题。目前地面以上钢筋混凝土结构修复技术非常成熟，而用于混凝土缺陷修补的环氧灌浆材料在湿表面尤其是含高氯离子的海水表面进行修复的效果较差，主要原因在于所用的树脂体系并没有针对海洋环境进行配方优化和改性，存在固化程度低和黏接力差的问题。本研究遴选了几种市售的可在水下环境中使用的固化剂，并对其与E51 环氧树脂混合后形成的树脂体系性能进行了研究，得到综合性能表现最佳的固化剂，为适用于海洋环境的树脂体系的开发提供技术支撑。1试验部分11原料和仪器双酚 A 型环氧树脂 E51，工业级，上海元邦化工制造有限公司;固化剂 JAIS，工业级，四川奥派环氧助剂科技有限公司;固化剂 1085A、1085C，工业级，长沙普照生化科技有限公司;固化剂 ZTG8306，工业级，苏州沃达伟材料科技有限公司;固化剂 810，工业级，北京市津同乐泰化工产品有限公司;固化剂 LT50、T31A45，工业级，淮北明曦新材料科技有限公司。活性稀释剂XY207，工业级，安徽新远科技股份有限公司。Brookfield VDV2T 旋转黏度计，美国;制备压缩试样用硅胶模具，南京华益精密器材有限公司;Instron 5587 30T 电子拉伸试验机，美国;INSTON 3367 精密电子万能材料试验机，美国。12试样制备121压缩、拉伸试样的制备环氧树脂与不同的固化剂按配比混合均匀后，倒入硅胶模具中，在淡水或海水中养护 7 d。122黏结试样的制备参照 SL/T 8072021 制备“8”字砂浆块，并将脱模后的试件放入(203)的淡水或海水中养护 7 d。13测试方法压缩和拉伸性能按照 GB/T 25672008树脂浇铸体性能试验方法 进行测试，试验机压缩速率为 1 mm/min，试验机拉伸速率为 4 mm/min，黏结性能按照 SL/T 8072021 水工建筑物环氧树脂灌浆材料技术规范 进行测试，试验机加荷速度 5 mm/min。2结果与讨论21水下固化剂、树脂体系的黏度为了调节固化体系的流动性，保证施工工艺的正常开展，原材料的黏度是固化剂选择的一个重要指标。使用旋转黏度计，选用适当的转速和转子，测试不同的水下固化剂黏度，结果见表 1。目前水下环氧固化剂主要包括脂肪胺、聚酰胺、曼尼希碱改性胺等，本研究中除 JAIS 外，其余均为曼尼希碱改性胺类固化剂。表 1不同水下固化剂的黏度Table 1Viscosity of different underwater curing agents固化剂种类转子型号转速/(r/min)扭矩/%黏度/(mPas)温度/JAIS5505164 128231085A350359718231085C4507332 93223ZTG83063506701 340238105504553 64023LT504504781 91223T31A454505742 29623根据 SL/T 8072021 要求，混凝土缺陷修复环氧树脂灌浆料初始黏度200 mPas，而E51 环氧树脂黏度为 12 500 mPas(环境温度23)，树脂体系黏度远高于灌浆料要求的黏28第 38 卷第 1 期徐姗姗，等:海工混凝土结构用环氧树脂固化体系性能研究度，因此配方设计中需添加活性稀释剂来调节浆料黏度。本研究选用 XY207 进行黏度调节，经试验得出不同树脂体系中稀释剂最佳添加比例如表 2 所示。表 2不同树脂体系中稀释剂最佳添加比例Table 2Best proportion of diluent added in differentresin systems固化剂种类m(XY207)m(E51)m(固化剂)黏度/(mPas)JAIS8 3 111361085A2 2 110361085C4 2 11848ZTG83063 2 111438105 2 11272LT507 3 11328T31A457 3 1176922不同固化剂固化 E51 环氧树脂的水下凝胶时间在水下环境使用时，为保证施工质量，需对固化速率在一定范围内进行控制。如果固化速率过快，无法保证在可操作性时间内完成施工;如果固化速率过慢，浆料中可溶于水的成分在水中分散，影响固化后产品性能，一般凝胶时间在60 min 左右最为适宜2。根据生产厂家推荐的环氧树脂与固化剂配比进行调配，观察其在静水下的凝胶时间。表 3 即为不同固化剂固化 E51环氧树脂的水下凝胶时间。从表3 可以看出，JAIS、LT50、T31A45 水下凝胶时间过短，不利于水下施工。ZTG8306凝胶时间太长，水下固化速度过慢，影响最终制品的性能。23淡海水环境对树脂体系压缩性能的影响固化环境对固化速率及固化后产品的力学性能均有一定影响，树脂体系在水中的固化情形与空气中有所不同。整个固化反应是放热过程，在空气中，由于空气与树脂体系的热交换慢，反应到一定程度后会产生热量聚集，这种热量聚集会加快速固化速率。而在水下，反应释放的热量会很快传递到水中，热量聚集现象基本不会出现，固化温度基本与水环境保持一致。本研究中选用的固化剂均可适用于水下环境，但氯离子浓度对其固化速率及效果的影响，即其对于海水环境的适用性还需要探讨。表 3不同固化剂固化 E51 环氧树脂的水下凝胶时间Table 3Underwater gel time of E51 epoxy resincured with different curing agents固化剂种类m(E51)m(固化剂)水下凝胶时间/min固化环境温度/JAIS3 140海水201085A2 170海水201085C2 160海水20ZTG8