摘  要：以E-51环氧树脂为主体树脂，通过添加活性增韧剂、柔韧性环氧树脂、柔性固化剂及纳米材料 4 种方法制备弹性环氧灌浆材料，比较了采用不同改性方法的环氧灌浆材料的性能及工艺特点，并在上海地铁隧道工程进行了试点应用。

关键词：弹性环氧灌浆材料；柔韧性；化学灌浆；地铁隧道

 

      地铁整体渗漏情况极端恶劣，是轨道周边的城市安全及轨道交通安全不容忽视的隐患，引起了有关部门的高度重视。对渗漏治理技术和防水堵漏灌浆材料提出了更高更苛刻的要求，其中 40%以上的灌浆材料都涉及到环氧材料，特别是在隧道伸缩缝止水和混凝土活缝、变形缝补强防渗处理中都需要特别使用具有弹性的环氧灌浆材料，而目前国内弹性环氧灌浆的研究还处于起步阶段，几乎没有类似产品出现^[1-3]。

      我们采用添加增韧剂、柔性树脂、弹性固化剂及纳米材料4种方法制备了弹性环氧灌浆材料，在降低浆液黏度使其具有可灌性的前提下，保证固化物力学性能达到使用要求的同时赋予其一定的弹性。本文对 4 种不同制备途径进行了研究，并对其工艺特点和材料性能进行了比较分析和工程应用^[4-6]。

 

      在基体树脂中加入稀释剂、增韧剂、纳米材料等作为 A组分；固化剂作为 B 组分，将 A、B 组分按比例混合，在模具中浇铸成型。环氧树脂浆液的组成及配比见表 1。

           注：B 组分固化剂占 A 组分的 20%～45%。

      环氧树脂灌浆流程见图 1。

      本实验采用添加 XY207 活性增韧剂的方法增加环氧灌浆固化物的弹性，研究了不同增韧剂用量对浆液黏度和固化物性能的影响，结果见表 2。

      从表 2 可以看出，随着增韧剂用量增加，体系的黏度有所下降，但降幅不大，当添加量大于40%时体系黏度才符合化灌标准要求（≤200 mPa·s）。抗拉性能和抗压性能均有不同程度的下降，用量从 40%增加到 45%时，抗压强度下降明显，从 77.5 MPa 下降到 64.4 MPa。固化物的断裂延伸率基本呈上升趋势，且上升幅度非常明显。这是因为 XY207 稀释剂是双官能团的缩水甘油醚，其分子结构上有富有挠性的结构，因此，其固化物表现出优良的柔性，但固化物强度会有所下降。

      本实验采用添加一种低黏度柔性环氧树脂来增加环氧灌浆固化物的弹性，研究了不同柔性树脂用量对浆液黏度和固化物性能的影响，结果见表 3。

      从表3 可以看出，0211 柔韧性树脂对体系黏度有明显的稀释作用，对固化物也有明显的增韧效果。但抗压强度和抗拉强度却随着 0211 用量先增大后减小，断裂延伸率先减小后增大。分析其原因，当 0211 用量小于 25%时，由于固化剂的用量相对变小，使得固化物固化不完全，导致其抗压和抗拉强度降低，而断裂伸长率却相应变大。但当 0211 用量大于 25%时，随着 0211 用量增加，断裂延伸率呈上升趋势，固化物表现出更加好的弹性，而抗压强度和抗拉强度却显著下降。说明加入0211 柔韧性树脂使固化物柔韧性增大的同时对抗压强度和抗拉强度有一定的影响。

      采用实验室自制的柔韧性固化剂 X1 来增加环氧灌浆固化物的弹性，研究了不同固化剂用量对浆液黏度和固化物性能的影响，结果见表 4。

      由于 X1 固化剂本身的黏度很低，因此对整个体系的黏度影响较大。从表 4 可以看出，随着固化剂用量的增加，环氧树脂固化物的性能总体出现先增大后减小的趋势，其原因是因为随着固化剂用量的不断提高，固化剂和环氧树脂的反应更加完全，而当固化剂用量大于其完全反应的量时，会有多余的固化剂残留在体系中，影响固化物的性能。因此，X1 的最佳添加量为 40%。

      本文采用聚合物级纳米蒙脱土（OMMT）添加到环氧树脂体系中来增加环氧灌浆固化物的弹性，研究了不同 OMMT 用量对浆液黏度和固化物性能的影响，结果见表 5。

      从表 5 可以看出，有机蒙脱土的加入对体系的黏度有影响，当用量为1%的时候，由于用量少，且纳米材料被剥离，所以对体系黏度影响不是很大，此时黏度约为 140 mPa·s。随着用量的增加，黏度也有所上升，当添加量为4%～5%时，黏度均为180 mPa·s，因此可操作时间降低到 60 min。从强度方面分析，随着蒙脱土用量的增加，强度先提高后降低，M^#配方的抗拉强度和抗压强度分别为35.2 MPa 和 85.3 MPa。当添加量为2%时，强度分别上升到 38.4 MPa 和 87.5 MPa，同时断裂伸长率从 M^#配方的 14%下降到 12%，但是影响较小；而从 O^#配方开始，强度又开始下降，在 Q^#配方中，抗拉和抗压强度分别只有 25.7 MPa 和 65.0 MPa，但是断裂伸长率上升到 25.5%。由此可以看出，有机纳米蒙脱土用量为 2%时，各项性能较为合适。分析其原因，有机纳米蒙脱土为层状硅酸盐矿物，层间距为1.2～1.5 nm，少量的蒙脱土加入到环氧树脂中，通过原位聚合使纳米蒙脱土片层被插层或剥离，此时片状纳米蒙脱土分散在环氧树脂体系中，此时分散相和树脂基体之间牢固的界面粘结能产生良好的应力传递，也可以有效地促进机体树脂发生屈服和应力传递，达到增韧的效果；另一方面，由于分散相粒子与树脂机体的泊松比不同，容易产生应力集中效应，引发分散相周围的树脂基体屈服，从而吸收能量，提高韧性。但是当纳米蒙脱土用量增大时，纳米材料本身会发生团聚，不能很好地分散在环氧树脂中，导致固化物的机械性能有所下降。

      本研究主要采用了增韧剂、柔韧性树脂、柔性固化剂和有机纳米蒙脱土 4 种方法来提高环氧树脂灌浆材料的性能，选取每种方法综合性能最好的一组数据进行比较（见表 6）。

            注：Ⅰ—使用增韧剂的环氧树脂体系；Ⅱ—使用柔性环氧树脂的体系；Ⅲ—使用柔性固化剂的体系；Ⅳ—使用纳米蒙脱土的体系。

 

      本实验所制得的产品主要用于地铁隧道管片的渗水修复，由于其特殊的环境，此产品必须具有较好的韧性，以保证在地铁日常运营过程中管片发生的微小位移得以修复，从而达到修复防水的效果。由于地下环境较为潮湿，因此，必须保证产品的亲水性以及产品的湿粘结性能。

      本次试点工程是上海的地铁隧道 9 号线，其中主要是区间隧道与车站端头接缝部位的渗漏，由于地铁日常运营，每天都会发生很多的微小震动，导致中间产生微小裂缝，最终导致有漏水现象，如果不及时修复，随着震动的继续，裂缝会慢慢变大，渗水现象会越来越严重，因此必须及时修复。

      裂缝有漏水现象，因此，在灌浆之前先用油溶性的聚氨酯浆液在隧道管片和车站端头接缝处进行灌注，在渗漏水被阻止之后，再采用骑缝灌注亲水性环氧浆液。如果在渗水甚至漏水的裂缝中直接灌注环氧树脂浆液，势必会造成低黏度的灌浆料随着渗漏水流走，因此必须先将渗漏的水堵住。环氧树脂灌浆采用低压、慢速、多次灌注，具体堵漏构造见图 2。

      灌浆过程中，灌浆料现场配制，并且每次的配制量不大于5 kg，以保证浆液不会在灌浆机中固化而导致灌浆机损坏。由于灌浆料黏度较低，可灌性较好，未发生在灌浆机中瞬间固化的情况；灌浆结束 3～4 h 后，裂缝的表面未发生浆液渗漏的现象，表面较平滑。6 h 后，地铁开始正常运营，到灌浆结束 24、48、72 h后，继续观察裂缝表面是否有渗水现象。具体试验结果评价见表 7。

           注：所选区段裂缝间隙为 0.3～0.5 mm。Ⅰ—使用增韧剂的环氧树脂体系；Ⅱ—使用柔性环氧树脂的体系；Ⅲ—使用柔性固化剂的体系；Ⅳ—使用纳米蒙脱土的体系。