一种隧道混凝土湿表面渗透固化防护材料

技术领域

本发明涉及隧道工程养护领域，具体涉及一种隧道混凝土湿表面渗透固化防护材料。

背景技术

新世纪以来，我国隧道进入了快速发展期，隧道的养护需求也在逐渐增大。隧道主体结构的劣化腐蚀往往从表面向内部基体扩展延伸，在冻融、干湿交替、碳化等作用下，运营期隧道混凝土结构容易产生微细裂缝、孔隙、麻面、破损等轻微病害；同时，隧道结构的部分混凝土表面长期存在湿渍，尤其是水下隧道，混凝土潮湿基面长时间与空气接触，会加速混凝土结构表面霉化、碳化、开裂等轻微病害发展，进而内部的钢筋、氢氧化钙、水化硅酸钙等被逐渐腐蚀，大大降低隧道混凝土的服役寿命，最终将造成混凝土结构破坏，影响隧道正常运行，导致养护费用增加，可见耐久性问题不容忽略。因此，为了防止或延缓外界因素对混凝土的侵蚀，提升混凝土的耐久性，需对隧道混凝土结构进行表面防护和轻微病害修复，延长其使用寿命。

目前，针对运营期隧道混凝土防护和轻微病害修复，最常用的预养护手段为表面防护技术，是一种成本低、施工工艺简单的提高混凝土耐久性的主动防护措施。然而，现有隧道混凝土的结构的表面防护还是采用常规的防护材料，常规的材料很难在潮湿的混凝土基面上进行涂覆，且在缓慢不断有湿气或水汽渗出的环境中，很难有初期的附着力来抵挡住水汽的渗出，导致隧道混凝土表面防护后的耐久性较差。长时间的潮湿环境会大大降低材料的使用寿命，容易出现鼓包，起皮，脱落等现象。这不仅造成后期反复施工浪费，同时影响隧道美观，而且会降低混凝土结构使用寿命。上述因素限制了混凝土表面防护技术在隧道养护中的应用，导致无法进行有效的预防性养护。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种隧道混凝土湿表面渗透固化防护材料，能够在混凝土湿表面渗透固化成膜，并且具有一定的粘接强度。不仅可以在技术上解决隧道混凝土表面防护、轻微病害修复的预养护耐久性问题，而且可以延长防护材料服役周期，减少反复施工浪费等，具有重要的经济社会效益。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种隧道混凝土湿表面渗透固化防护材料，包括A组分和B组分；A组分按照质量份数计由以下组分组成：低分子量环氧树脂20～30份，偶联剂1～2份，消泡剂1～2份，流平剂1～2份，增韧剂5～10份，促进剂1～2份，溶剂40～60份；B组分按照质量份数计由以下组分组成：主固化剂10～15份，改性固化剂2～5份，溶剂20～30份；其中，A组分和B组分按照质量比2～3：1配合使用；A组分中溶剂包括活性稀释剂、非活性稀释剂和丙酮；活性稀释剂占固化防护材料总质量的18～22％；主固化剂采用固化剂T31，占固化防护材料总质量的15～25％；改性固化剂采用改性酮亚胺固化剂；B组分中的溶剂为非活性稀释剂与环己酮或丙酮的两种混合；A组分和B组分中非活性稀释剂的总量占固化防护材料总质量的20～30％。

本发明采用低分子量环氧树脂，并通过与主固化剂T31和改性酮亚胺固化剂复配，使其能够在混凝土湿表面渗透固化成膜，并且具有一定的粘接强度。同时对各组分的选取和配比进行筛选，确定对产品性能具有显著影响的因素——活性稀释剂、非活性稀释剂，选取较佳掺量，以满足施工要求。

在部分实施例中，低分子量环氧树脂采用环氧树脂E44、E51中的一种或两种混合；偶联剂采用γ-(2,3)环氧(丙氧基)丙基三甲氧基硅烷；消泡剂采用BYK-A530、YCK-610、HX2013的一种或两种混合；流平剂采用BYK-354、BYK-110、YCK-2110的一种或两种混合；增韧剂采用环氧树脂增韧剂WD-204；促进剂采用EC-7100或DMP-30。

本发明同时选取了能够获得更为优选的产品性能的组分类型，进一步提高了产品涂层的粘结强度和渗透深度。

在部分实施例中，作为优选的，A组分中促进剂采用EC-7100，加入量占固化防护材料总质量的1.5％。在选用该配比的促进剂时，能有效加快产品的固化速度，缩短表干时间。

在部分实施例中，作为优选的，A组分中活性稀释剂采用活性稀释剂AGE，加入量占固化防护材料总质量的20％；A组分和B组分中非活性稀释剂采用环氧专用非活性稀释剂-邻苯二甲酸二丁酯，加入量占固化防护材料总质量的30％。

通过对活性稀释剂用量的控制，能进一步降低环氧树脂的黏度，并保证涂层的附着力；并通过对非活性稀释剂用量的控制，提高涂层渗透深度。

进一步的，在部分实施例中，作为优选的，流平剂采用BYK-354，加入量占固化防护材料总质量的1～2％。控制流平剂产量，进一步提升涂层的渗透深度。

进一步的，在部分实施例中，作为优选的，增韧剂加入量占固化防护材料总质量的5～10％，进一步提升了产品的抗拉和强度和断裂伸长率，使得涂层在外力作用下不容易发生断裂现象。

进一步的，在部分实施例中，作为优选的，A组分和B组分按照质量比3：1配合使用。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明采用低分子量环氧树脂，具有良好的渗透性、附着力，配合主固化剂T31和改性酮亚胺固化剂，改性酮亚胺固化剂遇水合潮气解离出的多元胺与环氧树脂起固化反应，适宜于潮湿条件下固化，酚醛胺T31因其含有酚羟基、伯氨基和仲胺基等活性基团能有效改善环氧树脂的耐热性和耐腐蚀性。

同时配合使用硅烷偶联剂，完成涂覆后硅烷会迁移到涂料与混凝土基面的界面，与其表面上的水分反应，水解生成硅醇基，并在基体表面形成氢键或缩合成-Si-M(M为无机表面)，同时硅烷各分子间的硅醇基又相互缩聚形成网状结构。

本发明防护材料能够在混凝土湿表面渗透固化成膜，并且具有一定的粘接强度。不仅可以在技术上解决隧道混凝土表面防护、轻微病害修复的预养护耐久性问题，而且可以延长防护材料服役周期，减少反复施工浪费等，具有重要的经济社会效益。

本发明混凝土表面渗透防护材料不仅附着力优良、突出的抗化学品性能，而且可同时其与聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷等多种类型面漆均有良好的配套性。

本发明制备获得的防护材料初凝时间不超过12h，在混凝土湿表面渗透深度在2mm以上，且在混凝土湿表面附着力28天后不低于4MPa。

附图说明

图1为本发明A、B组分的制备及样品试块涂覆示意图；

图2为促进剂对产品涂膜表干时间影响的对比曲线；

图3为活性稀释剂用量对涂层附着力的影响曲线；

图4为固化剂T31用量对涂层附着力的影响曲线；

图5为样条制备及测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

隧道混凝土湿表面渗透固化防护材料的制备

按照下表的配比进行A组分和B组分的制备：

表1A组分配比

B组分按照表2配方称取固化剂和溶剂。

表2B组分配比

A组分按照表1配方称取环氧树脂、偶联剂、流平剂、消泡剂、增韧剂、促进剂及溶剂。将环氧树脂加入到溶剂混合物中，不断搅拌混合至完全溶解，溶液清澈透明。将偶联剂、消泡剂、流平剂、增韧剂、促进剂加入上一步骤混合液中，再次充分搅拌混合均匀。搅拌速速1200r/min；搅拌时间不低于30min。

B组分按照表2配方称取主固化剂酚醛胺固化剂T31、改性酮亚胺类固化剂，加入溶剂中，不断搅拌混合至完全溶解，溶液清澈透明。

使用时，将A组分和B组分按照质量比2～3:1的配比混合使用，使用时须充分混合均匀。

实施例2

组分配比筛选实施例

1、实验原材料和设备

实验原材料：

A组分：环氧树脂E44，溶剂(活性稀释剂AGE、环氧专用非活性稀释剂邻苯二甲酸二丁酯、丙酮)，助剂(硅烷偶联剂KH560、消泡剂BYK-A530、流平剂BYK-354、增韧剂WD-204、促进剂EC-7100)等。

B组分：改性酮亚胺固化剂DA-134，酚醛胺固化剂T-31，溶剂(丙酮及环氧专用非活性稀释剂邻苯二甲酸二丁酯)。

混凝土试块参照标准《素混凝土力学性能实验方法标准》GB50081中的规定进行制备，试块尺寸为100mm×100mm×100mm。

实验设备：数显恒温磁力搅拌器、数显拉开法附着力测试仪BGD500、万能试验机WAW-1000D等。

2、防护材料的制备

采用实施例1的方法进行防护材料制备，并对产品性能进行测试。

2.1性能指标

常规混凝土防护材料往往在混凝土干燥条件下方可施工(混凝土表面含水率须低于6％)，混凝土潮湿基面含水率较高，为保证湿固化效果，本设计防护材料技术目标为：在混凝土水饱和状态下固化(表面不得有浮水)，初凝时间不超过12h。

目前行业标准没有对渗透深度做作明确规定，但渗透深度对于材料能够良好地附着于混凝土表面起着重要作用，影响着防护材料的粘接强度和耐久性，相关地标和团标对渗透结晶型防水材料的渗透深度要求是大于2mm，为使材料获得较长使用期限，更好的增强与混凝土基层的附着力，同时对混凝土基层产生一定增强作用，本设计防护材料技术目标为在混凝土湿表面渗透深度在2mm以上。

行业标准对环氧树脂防水涂料潮湿基面的粘结强度要求为大于2.5MPa，更好的粘结强度可以抵抗或承受混凝土内水压的增高，也可以更好抑制材料防护后的起泡、起皮、脱落等。本设计防护材料在混凝土湿表面附着力28天后不低于4MPa。

2.2涂覆制备

选取符合要求的混凝土试块，清除表面浮层、油污后放入水中浸泡不低于48h。取出混泥土试块，擦拭表面浮水备用。

按照实施例1的制备方法将A组分与B组分按照A：B＝3：1的质量比例混合并搅拌均匀，制备出本发明渗透型固化防护材料。将制备好的材料用毛刷均匀地涂刷在试块表面，间隔15分钟再均匀的涂刷一遍，确保涂层厚度分布均匀，并形成一层薄薄的涂膜，如图1所示。最后，将样品试块放入恒温恒湿箱中进行养护，并对相关性能进行检测。

3、各组分的选取

3.1环氧树脂

环氧树脂具有良好的附着力、突出的抗化学品性能，与不同的固化剂搭配使可以获得不同性能要求的涂料，并且环氧树脂与聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷等多种类型面漆均都具有良好的适配性。中低分子量环氧树脂具有较低的黏度，也更容易渗透进混凝土表面微裂纹中。

3.2固化剂

在潮湿的环境下，环氧树脂的固化需要特殊的固化剂。酮亚胺是由酮类和多元伯胺反应制得的缩聚物，该反应是可逆的，当酮亚胺遇到湿气或水就解离出多元胺及相应的酮类，该多元胺就可以和环氧树脂起固化反应，适宜于潮湿环境下固化。酚醛胺T31可用作环氧树脂在低温、潮湿环境下的固化剂，因其含有酚羟基、伯氨基和仲胺基等活性基团，所以环氧树脂固化之后，改善了环氧树脂的耐热性和耐腐蚀性。

3.3助剂

当防涂料中加入少量硅烷偶联溶剂，完成涂覆后硅烷会迁移到涂料与混凝土基面的界面，与其表面上的水分反应，水解生成硅醇基，并在基体表面形成氢键或缩合成-Si-M(M为无机表面)，同时硅烷各分子间的硅醇基又相互缩聚形成网状结构。

4、各组分配比对产品性能的影响

4.1固化时间的影响因素

涂覆后的干燥过程实际为材料的固化反应的过程，整个过程进程的快慢会受到温度及促进剂等因素的影响。在其他条件不变(选择A/B组分的质量比为3:1，A组分中低分子量环氧树脂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增韧剂、丙酮、环氧专用非活性稀释剂及活性稀释剂的掺量分别为25份、1份、1份、1份、10份、10份、15份、25份，B组分中改性酮亚胺固化剂DA-134、酚醛胺固化剂T-31、溶剂的掺量分别为2.5份、15份、25份)的情况下，向防护材料中添加1.5％促进剂及不添加促进剂进行性能对比，观察温度和促进剂分别对材料涂覆潮湿基面混凝土试块后表干的影响，结果如图2所示。

从图2可知，其他条件不变的情况下，随着环境温度升高，固化反应速度会相应加快，膜层表干时间随之缩短。当加入1.5w％促进剂时，同一温度下的固化速度加快，缩短表干时间。因此，温度和促进剂都会促进其固化，缩短固化时间。

4.2附着力的影响因素

活性稀释剂的加入不仅能够稀释环氧树脂，降低环氧树脂的黏度，有利于提高组分的流动性，促进环氧树脂的交联固化反应。在其他条件不变(选择A/B组分的质量比为3:1，A组分中低分子量环氧树脂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增韧剂、溶剂的掺量分别为25份、1份、1份、1份、10份、50份，促进剂1.5％掺量；B组分中改性酮亚胺固化剂DA-134、酚醛胺固化剂T-31、溶剂的掺量分别为2.5份、15份、25份。其中A组分中溶剂总量不变，只改变活性稀释剂在防护材料中的掺量比例)，通过控制活性稀释剂的用量研究了其对涂层附着力的影响。结果如图3所示。

由图3可知，在其他条件不变的情况下，随着活性稀释剂用量的增加，涂层的附着力呈现先增大后减小的趋势。主要是因为活性稀释剂能够降低环氧树脂的黏度，提高环氧树脂的流动性，促进其发生交联固化反应，但是随着活性稀释剂用量的继续增加，反而会影响其固化反应。因此综合考虑降低环氧树脂的黏度和保证涂层的附着力，本发明配方设计的活性稀释剂最佳掺量在20％左右。

除了活性稀释剂的用量之外，固化剂的含量同样对涂层的附着力有着较为明显的影响。在其他条件不变的情况下，通过改变固化剂T31的用量研究其与涂层粘接强度的关系。

由图4可知，在其他条件不变(选择A/B组分的质量比为3:1，A组分中低分子量环氧树脂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增韧剂、溶剂的掺量分别为25份、1份、1份、1份、10份、50份，促进剂在防护材料中的1.5％掺量，其中A组分中活性稀释剂在防护材料中的掺量为20％；B组分中改性酮亚胺固化剂DA-134、溶剂的掺量分别为2.5份、25份，其中固化剂T31的掺量为变量)的情况下，随着固化剂T31的掺量不断增加，涂层与混凝土表层之间的粘接强度随之增大。当固化剂T31掺量在15％以上时，涂层的粘接强度基本趋于稳定。随着固化剂T31的掺量继续增加，涂层的粘接强度有略微降低。说明固化剂T31的最佳掺量为15％～25％之间。

4.3渗透深度的影响因素

渗透深度是渗透防护材料与混凝土结合的重要指标之一，涂层的渗透深度越深，说明其与混凝土的结合力越强。目前行业内没有相关标准对渗透深度作明确要求，因此没有一个标准测试方法对涂层渗透深度进行表征。因此这里在涂刷之前，先将染色剂将入混合组分之中，使得防护材料带有明显的颜色。

影响涂层渗透深度的因素有很多，本发明经研究发现，非活性稀释剂的用量及流平剂BYK-354的用量对本发明防护材料渗透深度的影响较大。稀释剂的掺量影响着环氧树脂的浓度，浓度越低，其黏度越小，渗透能力越强。另外，流平剂的加入提升混合溶液的流动性和分散性，最终可以提升其渗透能力。从表3中可以看出，固定其它组分的用量(选择A/B组分的质量比为3:1，A组分中低分子量环氧树脂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增韧剂、丙酮、及活性稀释剂的掺量分别为25份、1份、1份、1份、10份、10份、25份；B组分中改性酮亚胺固化剂DA-134、酚醛胺固化剂T-31、丙酮的掺量分别为2.5份、15份、10份。其中非活性稀释剂掺量为变量)随着非活性稀释剂的用量不断增加，涂层的渗透深度也逐渐增大。其他条件不变，在没有流平剂的情况下，非活性稀释剂掺量为10％和15％时，涂层渗透深度约为1mm。非活性稀释剂掺量为20％和25％时，涂层的透深度约为1.5mm。非活性稀释剂掺量为30％时，涂层的透深度约为1.7mm。从表4中可以看出，其他条件不变，固定非活性稀释剂的掺量为30％，逐渐将流平剂的掺量从0增加至1.5％，涂层的渗透深度随之从1.7mm增加至2.3mm。显然，流平剂的加入可以适当提升涂层的渗透深度，随着流平剂的继续增加，涂层的渗透深度趋于平稳。因此，流平剂的的最佳掺量为1％～2％之间。

表3非活性稀释剂对渗透深度的影响

表4助剂对渗透深度的影响

4.4力学性能的影响因素

混凝土防护材料除了前面提到的固化时间、附着力及渗透深度之外，材料自身的力学性能也是考量材料性能是否优越的重要因素。其中主要力学性能为其固化后的抗拉强度和断裂伸长率。

在其他条件不变(选择A/B组分的质量比为3:1，A组分中低分子量环氧树脂、偶联剂、消泡剂、流平剂、溶剂的掺量分别为25份、1份、1份、1份、50份，促进剂1.5％掺量；B组分中改性酮亚胺固化剂DA-134、酚醛胺固化剂T-31、溶剂的掺量分别为2.5份、15份、25份。增韧剂的掺量为变量)的情况下，设定三组实验分别为Ⅰ组、Ⅱ组及Ⅲ组。Ⅰ组的配方中不加增韧剂，Ⅱ组的配方中加入5％的环氧树脂增韧剂，Ⅲ组的配方中加入10％的环氧树脂增韧剂，并且按照规范要求制备250mm*10mm*2mm哑铃状试样条，每组有效样条5个，并在模具中固化7天后进行测试，如图5所示。测试设备采用万能试验机进行测试，结果见表5。

表5材料的抗拉强度和断裂伸长率

由表5可见，在没有增韧剂的Ⅰ组中，其平均拉伸强度为2.42MPa，断裂伸长率为4.564％；在Ⅱ组中，配方中加入5％的增韧剂，其平均拉伸强度为4.18MPa，断裂伸长率为7.574％；在Ⅲ组中，配方中加入10％的增韧剂，其平均拉伸强度为5.16MPa，断裂伸长率为10.722％。由此可见，在没有增韧剂的情况下，材料的任性不足，容易发生脆断。随着增韧剂的加入，其任性增强，抗拉强度和断裂伸长率都有显著提升，涂层在受到外力作用下不容易发生断裂现象。

5、施工

本文所研究产品已试用在隧道混凝土湿表面修补工程中，其施工应遵循以下步骤：

(1)将基层表面的水渍、浮灰、水泥渣、脱模剂等污染物用砂轮片打磨干净。局部受油污污染的表面用相应的溶剂(如二甲苯)擦洗，以保证涂层附着力。以碗状金刚磨片将模板痕迹和错台打平，错台较高部位应尽量打低(但不要打出钢筋)，以形成平滑过渡区。

(2)按产品要求，将渗透固化材料配好，均匀刷涂在处理干净的混凝土基材表面，按固化要求充分保证固化所需时间；涂装时要保证封闭漆充分涂覆到所有需涂装的表面。涂装作业完成后，进行自检，漆膜应形成均匀、完整的连续膜。对漆膜存在漏涂、裂纹、气泡等影响防护质量的缺陷的部位，进行重涂作业。

(3)对于混凝土基面坑洞、裂纹等缺陷部位，首先将混凝土基面清洗干净，然后经行渗透湿固化防护材料涂覆，固化后，采用环氧体系砂浆对混凝土表面裂缝进行修补，当裂缝影响到混凝土结构的性能时，拟采取加固法对混凝土结构进行处理如贴玄武岩纤维布等。环氧砂浆施工时要求涂层均匀色泽一致，不得有流挂、漏涂、气泡等现象。

渗透及修补完成后，最外层以喷涂耐候型面漆(如氟碳面漆)来对防护结构进行防尘、防老化保护，提高防护结构的美观效果与耐紫外线、耐老化能力，进一步隔绝外界腐蚀环境。

实施例3

本发明一种隧道混凝土湿表面渗透固化防护材料，配制步骤如下：

A组分配制方法：称取环氧树脂(E44)25份置于容器中，分别称取活性环氧稀释剂(AGE)25份，环氧专用非活性稀释剂15份及丙酮10份与环氧树脂进行混合，并不断搅拌至完全溶解，溶液清澈透明。再将1份偶联剂KH-560，1份消泡剂BYK-A530和1份流平剂BYK-354、10份环氧增韧剂WD-204和2份促进剂EC-7100加入到上述配制的溶液，并不断搅拌充分混合。搅拌速速1200r/min；搅拌时间不低于30min。

B组分配制方法：分别称取主固化剂酚醛胺固化剂(T31)15份，改性酮亚胺(DA-134)2.5份置于容器中，分别称取环氧专用非活性稀释剂及丙酮15份和10份与固化剂充分混合搅拌至固化剂完全溶解。

使用时，将A组分和B组分按照质量比3：1的配比混合使用，使用时须充分混合均匀。

按照实施例2的方法进行性能测试，测试结果：涂膜表干时间不超4h，涂层平均附着力6.5MPa，渗透深度约2mm，材料平均拉伸强度5.16MPa，平均断裂伸长率10.72％。