環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響因素研究

陳梅紅，吳玉生，秦憲明，彭鵬飛，楊宗強(qiáng)，黃舟

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)廈門宏業(yè)有限公司，福建廈門 361028）

環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響因素研究

陳梅紅，吳玉生，秦憲明，彭鵬飛，楊宗強(qiáng)，黃舟

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)廈門宏業(yè)有限公司，福建廈門 361028）

為研究粘貼纖維復(fù)合材加固用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對關(guān)鍵組分進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：稀釋劑對結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度影響最大，固化劑對結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度影響最顯著；當(dāng)環(huán)氧樹脂EP1為70份、EP2為30份、活性稀釋劑BGE為15份、硅微粉為120份、增韌劑為7.5份、固化劑為30份（質(zhì)量份）時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的斷裂伸長率最優(yōu)，達(dá)1.72%，抗拉強(qiáng)度達(dá)44.1 MPa，抗壓強(qiáng)度102.8 MPa，抗彎強(qiáng)度76.8 MPa，鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度31.4 MPa，滿足粘貼纖維復(fù)合材加固用結(jié)構(gòu)膠的使用要求。

粘貼纖維復(fù)合材；結(jié)構(gòu)膠；力學(xué)性能；正交試驗(yàn)；活性稀釋劑

0 引言

隨著使用年限的增加，建筑物表面出現(xiàn)裂紋和裂縫破壞，導(dǎo)致建筑物力學(xué)性能變差、壽命縮短，更有甚者隨時(shí)有坍塌的危險(xiǎn)。我國20世紀(jì)七八十年代修建的建筑物大多面臨這一嚴(yán)峻問題。如果全部推倒重建，太耗費(fèi)人力物力財(cái)力。為解決這一難題，衍生出一種新型技術(shù)——建筑加固技術(shù)[1]。

建筑加固是利用粘貼纖維布復(fù)合材、粘貼鋼材、高壓灌漿、錨固植筋等方法對建筑裂縫進(jìn)行加固改造，最常見的建筑結(jié)構(gòu)膠是環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠[2-4]。在結(jié)構(gòu)膠的使用中，首先應(yīng)保證其使用的力學(xué)性能，再考慮其它特性，如長期使用性能、耐介質(zhì)腐蝕性等。GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》對Ⅰ類A級(jí)粘貼纖維復(fù)合材加固用結(jié)構(gòu)膠的性能要求為：抗拉強(qiáng)度≥38 MPa，斷裂伸長率≥1.5%，抗壓強(qiáng)度≥70 MPa，抗彎強(qiáng)度≥50 MPa，鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度≥14 MPa。本文通過正交設(shè)計(jì)，研究稀釋劑、增韌劑、固化劑、填料對粘貼纖維復(fù)合材加固用結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響以及作用機(jī)制，以期獲得較高力學(xué)強(qiáng)度的粘貼纖維復(fù)合材加固用結(jié)構(gòu)膠。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

環(huán)氧樹脂（EP1）：CYD-128，工業(yè)級(jí)；環(huán)氧樹脂（EP2）：6101，工業(yè)級(jí)；稀釋劑：丁基縮水甘油醚（BGE），501，工業(yè)級(jí)，岳陽巴陵華興石化有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-560，工業(yè)級(jí)，浙江沸點(diǎn)化工有限公司；增韌劑：端環(huán)氧醚，工業(yè)級(jí)；固化劑：改性酚醛胺，工業(yè)級(jí)；填料：400目硅微粉，工業(yè)級(jí)；消泡劑：市售。

1.2 試驗(yàn)儀器

UTM6503電子萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫科技股份有限公司；WDW-100E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司。

1.3 試驗(yàn)制備

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于影響結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的因素較多，為全面有效考查各因素的影響，本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別對活性稀釋劑501、端環(huán)氧醚增韌劑、改性酚醛胺固化劑、填料硅微粉用量（質(zhì)量份）4個(gè)因素進(jìn)行考查，其中每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，具體因素和水平見表1。采用正交表L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)，暫不考慮各因素間的交互作用。本試驗(yàn)所涉及的配方中，環(huán)氧樹脂的質(zhì)量總量均是100份，其中EP1和EP2分別為70份、30份，這樣的環(huán)氧配比，既能避免過于規(guī)整的環(huán)氧樹脂發(fā)生低溫結(jié)晶，又能保持較高的反應(yīng)活性和強(qiáng)度。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3.2 結(jié)構(gòu)膠的制備

結(jié)構(gòu)膠的制備工藝流程見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)膠的制備工藝流程

試驗(yàn)?zāi)＞咧苽洌耗＞咝螤詈统叽绨碐B/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》和GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》規(guī)定，采用45#鋼自制。

1.4 測試或表征

（1）抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度按GB/T 2567—2008采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測定，抗拉、抗壓、抗彎試驗(yàn)速度為2 mm/min。

（2）鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度：按GB/T 7124—2008標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，拉伸抗剪試驗(yàn)速率為8 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測試結(jié)果見表2。結(jié)合表2可知，在本試驗(yàn)研究因素范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于Ⅰ類A級(jí)結(jié)構(gòu)膠的要求，只有斷裂伸長率不能全部達(dá)標(biāo)。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測試結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

從表3可以看出：

（1）各因素對抗拉強(qiáng)度的影響順序是：A＞B＞C＞D，即活性稀釋劑BGE對抗拉強(qiáng)度影響最大，其次是增韌劑和固化劑，填料硅微粉作用不顯著。最優(yōu)組合為A3B2C1D2，即當(dāng)BGE為15份、增韌劑為5份、固化劑為25份、硅微粉為140份時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)。這是因?yàn)樵诜钦婵諚l件下制備黏稠的結(jié)構(gòu)膠時(shí)，各組分混合攪拌會(huì)將空氣卷入膠體中，產(chǎn)生氣泡，形成缺陷。而活性稀釋劑BGE和增韌劑的黏度很小，特別是BGE的黏度小于5 mPa·s（接近水的黏度），二者能有效降低結(jié)構(gòu)膠的黏度，有利于氣泡在發(fā)生固化反應(yīng)前逸散出來，使結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度提高。

（2）各因素對斷裂伸長率的影響順序是：A≈D＞B＞C，即活性稀釋劑和填料對斷裂伸長率影響最大，其次是增韌劑，固化劑作用不顯著。最優(yōu)組合為A3D1B3C2，即當(dāng)BGE為15份、硅微粉為120份、增韌劑為7.5份、固化劑為30份（9#試樣）時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的斷裂伸長率最優(yōu)。這是由于當(dāng)BGE摻量最大、硅微粉摻量最低時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的黏度最低，結(jié)構(gòu)膠中的氣泡能很快的逸散出去，此時(shí)作為分散相的填料摻量較少，能均勻地分散在連續(xù)相樹脂基體中，結(jié)構(gòu)膠的結(jié)構(gòu)完善，斷裂伸長率高。當(dāng)BGE摻量減少、硅微粉摻量增加時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的黏度增大，氣泡逸散慢，在氣泡全部逸散出結(jié)構(gòu)膠前就已經(jīng)發(fā)生固化反應(yīng)，氣泡被永久地留在結(jié)構(gòu)膠中，產(chǎn)生孔洞；而且填料越多，樹脂基體就越少，破壞基體樹脂的連續(xù)性，使結(jié)構(gòu)膠的斷裂伸長率下降。

（3）各因素對抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度的影響順序分別為：C＞B＞D＞A、C＞B＞A＞D，即固化劑對抗壓、抗彎強(qiáng)度影響最大，增韌劑次之?？箟簭?qiáng)度的最優(yōu)組合為C1B1D2A1，即當(dāng)固化劑為25份、增韌劑為2.5份、硅微粉為140份、BGE為10份時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)；抗彎強(qiáng)度的最優(yōu)組合為C3B2A3D3，即當(dāng)固化劑為35份、增韌劑為5份，BGE為15份，硅微粉為160份時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的抗彎強(qiáng)度最優(yōu)。

（4）各因素對鋼對鋼拉伸抗剪強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋篈＞B≈D＞C，即稀釋劑對拉伸抗剪強(qiáng)度影響最大，增韌劑、填料、固化劑作用依次減弱。最優(yōu)組合為A3B1D3C2，即當(dāng)BGE為15份、增韌劑為2.5份、硅微粉為160份、固化劑為30份時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的拉伸剪切強(qiáng)度最優(yōu)。當(dāng)BGE摻量較多時(shí)，能有效降低結(jié)構(gòu)膠的黏度，有利于消除結(jié)構(gòu)膠氣泡，使結(jié)構(gòu)膠的結(jié)構(gòu)更加完善，因此拉伸剪切強(qiáng)度高。

圖2是結(jié)構(gòu)膠固化物的簡易模型，其中長鏈代表的是環(huán)氧樹脂，短鏈表示固化劑，長短鏈連接點(diǎn)代表化學(xué)硬質(zhì)交聯(lián)點(diǎn)[5]，這也是結(jié)構(gòu)膠在宏觀上力學(xué)強(qiáng)度的來源。

圖2 結(jié)構(gòu)膠固化物模型

圖2（a）中短鏈和交聯(lián)點(diǎn)比較少，是當(dāng)固化劑摻量較少時(shí)的模型，此時(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有較大的柔性，受拉或受壓時(shí)均能產(chǎn)生較大的變形。圖2（b）中短鏈和交聯(lián)點(diǎn)多，是固化劑摻量較多時(shí)的模型，此時(shí)交聯(lián)點(diǎn)密集，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)牢固，需受較大的拉力或壓力才能產(chǎn)生一定的變形?？箟簭?qiáng)度是用受到的最大壓應(yīng)力和截面積的比值來表示的，此截面積是受力之前的截面積。當(dāng)添加較少固化劑的結(jié)構(gòu)膠受到壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，即橫截面積會(huì)變大，要使構(gòu)膠發(fā)生破壞，需施加比原始截面積破壞力更大的壓力，所以抗壓強(qiáng)度會(huì)較大。而抗彎強(qiáng)度的一側(cè)受到壓應(yīng)力作用，另一側(cè)受到拉應(yīng)力作用，當(dāng)固化劑含量較多時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，需要較大的力才能發(fā)生破壞，因此抗彎強(qiáng)度較大。

3 結(jié)語

（1）在試驗(yàn)選定體系下，活性稀釋劑BGE對結(jié)構(gòu)膠抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸抗剪強(qiáng)度影響最大，固化劑對結(jié)構(gòu)膠的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度影響最顯著。

（2）在試驗(yàn)研究因素范圍內(nèi)，當(dāng)EP1為70份、EP2為30份、BGE為15份、硅微粉為120份、端環(huán)氧醚增韌劑為7.5份、改性酚醛胺固化劑為30份時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的斷裂伸長率最優(yōu)，為1.72%，抗拉強(qiáng)度達(dá)44.1 MPa，抗壓強(qiáng)度102.8 MPa，抗彎強(qiáng)度76.8 MPa，拉伸剪切強(qiáng)度31.4 MPa，優(yōu)于GB 50728—2011對Ⅰ類A級(jí)粘貼纖維加固用結(jié)構(gòu)膠的性能要求。

[1]陳君君，龍玉輝.對建筑加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（2）：195-196.

[2]張春雪，張忠武，于浩.環(huán)氧樹脂膠粘劑在建筑加固領(lǐng)域中的應(yīng)用[C]//中國環(huán)氧樹脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)會(huì).第十次全國環(huán)氧樹脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，天津，2003：36-41.

[3]曾兵，馬鳳淑，張仁瑜，等.結(jié)構(gòu)加固用膠粘劑測試技術(shù)的評價(jià)與探討[J].中國膠粘劑，2015，24（1）：39-44

[4]Cunha J，Chaves L P.The use of topology optimization in disposingcarbonfiberreinforcementforconcretestructures[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2014，49：1009-1023.

[5]羅筑，陳梅紅，涂興文，等.PP/PP-g-MAH/Talc/EP復(fù)合材料的性能[J].高分子材料科學(xué)與工程，2012，28（5）：73-76.

Study on the effect factors of the mechanical performance of epoxy building structural adhesive

CHEN Meihong，WU Yusheng，QIN Xianming，PENG Pengfei，YANG Zongqiang，HUANG Zhou
（China Building Material Test&Certification Group Xiamen Hongye Co.Ltd.，Xiamen 361028，China）

In order to study on the mechanical performance of the epoxy structural adhesive for strengthening bonded fiber-reinforced polymer（FRP），the key ingredients have been optimized by orthogonal design.The result shows that，the diluent was the most important factor for tensile strength，elongation at break，tensile shear strength of structural adhesive，and the curing agent was the most important factor for compressive strength，bending strength of structural adhesive.When the EP1 was 70，the EP2 was 30，the BGE content was 15，silica powder was 120，toughener was 7.5，curing was 30（Wt），the structural adhesive had the best elongation at break，and could meet standard request of the structural adhesive for strengthening bonded FRP，the elongation at break，tensile strength，compressive strength，bending strength and tensile shear strength was 1.72%，44.1MPa，102.8MPa，76.8MPa，31.4MPa.

fiber-reinforced polymer（FRP），structural adhesive，mechanical performance，orthogonal test，reactive diluent

TU58+1.21

A

1001-702X（2016）07-0014-03

廈門市建設(shè)局科技計(jì)劃項(xiàng)目（XJK2015-1-7）；

廈門市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20150055）

2016-01-21；

2016-03-21

陳梅紅，女，1986年生，福建莆田人，工程師，主要從事建筑加固材料、密封材料的研究。