水下环氧树脂灌浆料的实验研究

        卢学军

          （长沙新德航化工有限公司，湖南长沙，410200）

摘要：在干燥条件下，环氧树脂在国民经济的各个领域得到了充分的应用，已经积累了丰富的经验。人们期望在水下能获得同样的应用效果，水下固化剂自然成为了水下环氧胶黏剂的关键技术。而水下环氧灌浆料作为水下胶黏剂的分支，如何实现其粘接强度达到与水上干燥环境的强度相差不大，需要对配制砂浆的相关材料合理筛选。本文围绕水下环氧砂浆的原理、材料、工艺、效果、应用场合做了相关的总结和论述，希望对行业的发展能有所裨益。

关键词：环氧树脂 水下固化剂  水下环氧灌浆料          

1 前 言

环氧树脂号称“万能胶”，具有内聚力大、收缩率低、介电性能好、防腐性能好、极性高、对多种材料的粘接强度高、操作性好、易于满足不同工艺特殊要求等特点。在电子绝缘材料、防腐涂料、复合材料、建筑结构胶等领域获得越来越广泛的应用，尤其在建筑修补行业的发展更是日新月异。在不同的地质条件和环境条件下，均可以轻松实现不同异种材料之间的结构粘接。我们知道，油性环氧树脂的粘接对粘接界面要求较高，一般要求界面清洁干燥，无水渍无油污无粉尘，甚至需要表面做磷化、喷砂、去脂等处理方能达到较高的粘接强度。但是，建筑修补的很多领域都是在潮湿甚至水下的环境中，无法在达到表面完全干燥的环境下粘接，更不可能进行表面处理。而希望通过改变环氧树脂的分子结构解决潮湿或水下的粘接问题不太现实，因此通过专用的水下或者潮湿面固化剂，配合通用的环氧树脂，添加相应的C料混合均匀后即用于水下和潮湿环境下固化粘接是可行的。

 水下环境跟陆上完全不同的外部环境，周围和界面大量的水分会影响到胶体的固化物强度和粘接强度，胶液中亲水性组分会不断的溶入水中。影响固化的进程。为实现跟陆上一样的粘接、灌浆、防腐、填缝、加固等用途，必须要有专用的水下固化剂与环氧树脂配套使用，方能不断拓宽环氧树脂在水下的应用范围。

  多年来，国内研究人员在潮湿或水下固化剂研发方面做了大量工作，如T-31、X-89等潮湿面固化剂，810水下固化剂等，但是其潮湿面或者水下的粘接强度仍有大幅度提升空间，很多应用工程师为片面降低成本，甚至把T-31\650或者一般的酚醛改性胺等通用型固化剂都做成水下环氧树脂环氧树脂灌浆料，给水下建筑修补行业带来极大的隐患。

2  水下固化剂的特点

2.1 对水下环氧胶黏剂的技术要求

作为水下环氧树脂胶黏剂(水下环氧砂浆、水下环氧灌浆料、水下防腐涂料)必须满足以下几个方面的要求：

1、必须满足水中对被粘物浸润的热力学条件，即在水中的粘附功要大于零。

2、遇水后能够在固化前保持稳定，不被水破坏。

3、能在水中对粘接面进行有效浸润和固化。

4、具有一定的表面活性作用，能把被粘接面上的水分子置换或与水分子混溶。

5、具有适当的粘度和比重。

6、固化后与界面具有一定的粘接强度和耐水稳定性。

7、无毒或低毒，尤其不含游离酚，对水源无污染。

水下环氧树脂灌浆料要满足以上几个条件，基本上依赖于固化剂的特性。

2.2新德航水下环氧固化剂的特点。

 针对以上要求，我们组织课题组专业技术攻关，现开发了一系列水下环氧树脂固化剂。该系列水下固化剂具有以下共同特点：

2.2.1阻水性强

   具有极佳的憎水性，正常水下固化，不会被水冲散，表面出现

斑纹状发白，也不影响粘接强度；能清除界面上的水份，即使添

加较多量水泥河沙，仍能保证界面干燥，照常如干燥条件下超过混

凝土或大理石的强度；纯胶水下粘接强度高，水下固化强度保持率

在95%以上，浮胶现象轻微。纯胶水下表面出现正常网状条纹。

2.2.2表面活性好

  纯胶水中固化能有效浸润界面，水下流动性好，接触角小，通  过添加2-3倍水泥、活性硅微粉和河沙后仍保持足够的水下流动性和渗透性，有效填充混凝土缝隙孔洞，补强混凝土的强度；能有效处理石英沙，并保证其足够的阻水性。

2.2.3反应活性高

 低温固化性能。在0°C以上固化完全，随时间延长具备足够的交联度，强度指标高于国家标准要求。

2.2.4韧性好，

 可实现水下对多种材质的粘接，如混凝土、钢板、大理石等多种建筑材质。

2.2.5抗压强度高

 水泥环氧砂浆在水下常温24小时达到50Mpa以上的抗压强度。

2.2.6水下粘接强度好

 水下底材疏松结构仍能保持较好的粘接强度。

2.3 新德航水下固化剂实验室测得的参数和特性

3 水下环氧灌浆料的配制

配方中对其余材料的选择均要考虑其疏水性，尽量不添加或者少添加亲水性的组份，这样有利于提高水下界面粘接强度。

3.1环氧树脂和稀释剂的选择

建议选择通用型双酚 A性环氧树脂，如E-51\E-44\128等，双酚A型骨架提供了体系双苯环结构，有利于阻水防水，从操作方便性考虑，128粘度适中优于E-44在水下环氧灌浆料中得到应用。

稀释剂的选择，选用环氧树脂活性稀释剂，带苯环或脂环结构的双官能团或者单官能团活性稀释剂比较合适，不要选用非活性的甲苯，丙酮等非活性稀释剂调节粘度。如692、690、680，邻甲酚缩水甘油醚等可供选用。其余不带环式结构的如501、622、AGE、BGE等具有较强的亲水性，极易导致界面水分，不建议选用。

3.2对固化剂的选择

  并非干燥面粘接好的固化剂就可以用于水下环氧砂浆的配制，固化剂既要带给体系足够的阻水性，又要具备足够的表面活性，而一般的固化剂很难同时达到这两个方面的要求。如聚酰胺、T-31及一般的酚醛改性胺，均表现为阻水性不够或者表面活性的不足，不是容易被水冲散溶解导致固化不完全，就是在水下结团成球状，无法实现对水底表面的浸润和粘接。

   水下环氧修补砂浆、水下基础快速填充环氧灌浆料需选择阻水性强、固化快渗透力佳的水下固化剂，如MH-2803。

   大面积水下环氧灌浆料需要固化剂提供足够操作时间，因此需选择即能低温固化，又能提供80分钟左右操作时间的固化剂品种，如MH-2802. 

3.3对增韧剂的选择

如果需要往砂浆中添加增韧剂以提高抗冲击强度，建议添加含苯环或脂环结构的低粘度活性增韧剂，一方面相当于稀释剂降低体系粘度，增加C料的添加量，另一方面具备一定的阻水性能。

因为分子结构的不同，增韧剂的添加可能会对水下环氧灌浆料的流动性和渗透性、亲水性造成影响，

故需要大量实验验证。

3.4对C料的选择

 大面积水下灌浆必须考虑成本的因素，填充料的添加一方面降低收缩率，有利于粘接强度的提高，另一方面可能带给水下环氧灌浆料阻水性能和粘接强度的直线下降。因此，对C料必须筛选。且需通过固化剂的合理选用实现对石英砂的处理，使其达到亲和环氧树脂体系的目的。

3.4.1石英砂的搭配

不同目数的河沙和球形或准形硅微粉相互搭配，小颗粒的球形粉体能起到滚珠的作用既可以增加流动性,还可以降低混合粘度，增加加沙量，并且因结构致密，水下环氧灌浆料能有效阻滞水分侵入，有利于水下界面粘接强度的提高。

3.4.2选用水泥

水泥是一种用途非常广泛的建筑材料，接触水即能发生水化反应生成石材般的结构物，但是其亲水性和吸水性使得水下固化的环氧砂浆粘接强度面临挑战，只有在水下固化剂阻水性能足够优秀的前提下才能选用水泥做C料，否则会导致界面水分严重，粘接失效。

3.4.3处理石英砂

干燥石英砂，提供体系较高的抗压强度和模量，成本低廉，可大量添加。但是表面的强烈亲水性对水下粘接同样形成挑战，其水下固化的强度完全依赖于对固化剂的选择。

 3.4.4选用活性硅微粉

活性硅微粉，经过活性硅烷偶联剂处理的石英粉具有较强的疏水性和对环氧树脂的亲和性，太粗的粒径影响浸润，太细的粒径影响粘度，一般以300-400目左右的准球形活性硅微粉在石英砂中可起到滚珠的作用，降低粘度，增强流动性。适合在水下环氧树脂灌浆料中作填充料使用。另外，硅微粉表面处理的效果直接影响砂浆的疏水性能。

3.4.5选用滑石粉

滑石粉具有一定的疏水性的天然填充剂，虽含有结合水，但在常温固化的条件下影响不大，建议部分采纳300-400目左右的滑石粉，过细粒径的滑石粉增长粘度较快，影响石英砂的添加量。

3.4.6对C料量的控制

要保证水下环氧灌浆液对C料的浸润性好，C料添加过多，则浆料混合粘度高，无法对C料的粒径表面进行充分处理和浸润，因此水下的流动性和渗透性自然大打折扣，浆液也极易在水中析出。

3.5水下环氧灌浆料参考配方

128                                              85份

692                                              15份

水下固化剂                                 25-50份

400目活性硅微粉                        25-30份

石英砂约40-80目为宜                  250-300份

   硅烷偶联剂如550                           1份
 
如需要继续降低粘度，可使用部分双酚F环氧树脂，还可考虑多种目数的河沙和准球型活性硅微粉相互搭配。 

 以上材料按照混合工艺混合搅拌均匀即可用于水下灌浆。

 3.6水下环氧灌浆料混合工艺建议

  128同692先预混1分钟，加入固化剂同550混合2分钟，再加入石英砂基本混合均匀后，最后加入水泥或活性硅微粉混合搅拌均匀，最好保证固化剂和河沙加入从混合开始到灌浆至少5-10分钟的混合时间，这样有利于河沙在体系得到充分浸润，以防止胶水在随后的灌浆工艺中析出。

  不建议水泥或者硅微粉先于石英砂加入到混合胶水体系中。

  不建议我司水下固化剂同别的固化剂混合复配使用。

4.水下环氧灌浆料的应用范围

 4.1水工建筑使用的环氧树脂灌浆料

水工建筑物修补材料占水工建筑物修补材料的60%，包括环氧树脂灌浆材料、环氧树脂修补砂浆和环氧树脂钢结构防腐涂层。如水工建筑的基础和坝体裂缝的防渗加固。高速公路、桥梁、地铁、工业和民用建筑升温各种混凝土裂纹和基础的防渗补强加固处理；能在潮湿和水下固化粘接的环氧树脂砂浆涂层可做水电站抗磨蚀材料、混凝土裂纹修补材料、混凝土防渗处理和修补损伤、松动混凝土；水工建筑环氧树脂防腐涂料和金属结构涂层。

4.2各种建筑物和建筑制品的水下防堵漏修补和水下防腐

  电力、建筑、桥墩玻璃纤维套筒、铁路、码头、隧道、高铁、水池渡槽、人防工程等建筑物的缺陷修补、防水堵水，水泥制品和设备的水中粘接，且在造船、沉船打捞、船舶的水中修补中大量应用。海岸河流桥礅、钢筋混凝土、地下电缆、输水管道、冶金船舶、石油、煤矿等场合的水下防腐或封堵。

 4.3水下建筑结构胶

  水下建筑加固，包括水下粘接碳纤维、钢板、锚固等建筑多种建筑加固处理。

 5.结论

5.1  水下环氧灌浆料的主要性能关键取决于固化剂的特性。

5.2 组成水下环氧灌浆料的各种原材料均要考虑尽量阻水性好、C料要干燥，尤其少含水分或不含亲水性物质。

5.3 不同目数的石英砂和球形填充料相互搭配，既可以增强水下环氧灌浆料的阻水性又可以降低其混合粘度，增强环氧灌浆料的水下流动性和渗透性。

5.4  工艺也很重要，石英砂先于水泥或硅微粉加入到混合均匀的水下环氧灌浆料中，有利于水下环氧浆液对石英砂的处理，并保证5-10分钟的混合处理时间，再灌浆入水，这样才能真实反应水下环氧灌浆料的阻水能力。

 该文献同时发表在《第七届中国建筑胶黏剂发展论坛会刊》，请参阅。

参考文献：

1）王熙 郑水蓉 司小燕.水下环氧胶黏剂的研究进展

        （J).粘接，2007.28（2）：44-46 

2） 贺曼罗 建筑结构胶粘剂施工应用技术（M).北京：化学工业出版社，2001                  

3） 魏涛 董建军.环氧树脂在水工建筑物的应用.北京.化学工业出版社，2007