有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠在水泥地的應(yīng)用研究

摘要：在水泥地中最為常見的破壞為裂縫，一旦出現(xiàn)裂縫后將會影響水泥地的正常使用，于是需要對其進(jìn)行及時的維修處理。環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠具有不錯的性能，然而也存在一些缺陷，比如耐熱性能、抗沖擊韌性等較差，于是文章為了提高該材料在水泥地中的應(yīng)用效果，對環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行了有機(jī)硅改性研究。通過實(shí)驗(yàn)研究，研究了有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠不同方面的性能。研究結(jié)果表明，經(jīng)過改性后的環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠具有更好的抗沖擊強(qiáng)度、耐濕熱老化性能和力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：水泥地;有機(jī)硅;改性;環(huán)氧樹脂;建筑結(jié)構(gòu)膠

中圖分類號：TQ323.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0030-05

水泥地在我國城市道路建設(shè)中占據(jù)重要作用，然而隨著水泥地的使用時間邊長，地面就會出現(xiàn)各種缺陷，而其中最為常見的屬于裂縫損害，屬于眾多損害中占比最高的損害，地面出現(xiàn)裂縫會影響水泥地的正常使用，從而阻礙交通運(yùn)輸，甚至?xí)绊懡煌ò踩鹿实陌l(fā)生，所以為了降低水泥地裂縫對人類生活和生產(chǎn)的影響，需要及時對裂縫進(jìn)行維修處理[1-3]。有機(jī)高分子修補(bǔ)材料具有不錯的性能，在實(shí)際水泥地裂縫修補(bǔ)中能夠起到較好的應(yīng)用效果[4]。有機(jī)高分子修補(bǔ)材料中環(huán)氧漿料具有較好的力學(xué)性能和粘接性能，所以其應(yīng)用也愈發(fā)的廣泛[5-6]。然而在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)其質(zhì)脆、耐熱性、耐疲勞性和抗沖擊韌性比較差，使其不利于水泥地裂縫的修補(bǔ)，于是文章為了提高在水泥地裂縫中應(yīng)用效果，研究了有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠[7-8]。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)中所需要的主要材料如表1所示。實(shí)驗(yàn)所需的儀器主要有：電子天平秤、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、恒壓滴液漏斗。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先需要合成端異氰酸酯有機(jī)硅氧烷，其工藝如圖1所示。然后對環(huán)氧樹脂進(jìn)行除水，其中使用到的除水工藝與合成預(yù)聚體的方式一樣，再對其進(jìn)行冷卻，直至達(dá)到40℃為止。于是解除真空，并且進(jìn)行充氮和攪拌處理，然后將預(yù)聚體慢慢放入到燒瓶中，其中使用的工具為恒壓滴液漏斗，最后對其進(jìn)行升溫處理，直至達(dá)到90℃為止，保溫2h即可出料。

1.3 檢測方法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1有機(jī)硅摻量對吸水率和收縮率的影響

檢驗(yàn)環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的性能時，其吸水率屬于一個重要指標(biāo)，因?yàn)楫?dāng)吸水率比較高時，其材料就會容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，還會降低其耐熱性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，另外還會影響到其老化性能。通過實(shí)驗(yàn)研究獲得如表3所示的結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與純環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠相比，改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的收縮率更大，且當(dāng)有機(jī)硅含量越來越高時，改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的收縮率越大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于在環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠中加入有機(jī)硅時，會使得膠粘劑的交聯(lián)密度不斷增大，就會增加固收縮的效果，所以當(dāng)加入量越多時，加固收縮將會更加明顯，于是收縮率就會越來越大。吸水率的變化趨勢正好與收縮率相反，與純環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠相比，改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠的吸水率更小，且當(dāng)有機(jī)硅含量不斷增加時，吸水率會會不斷降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于有機(jī)硅的表面能比較低，就會發(fā)生較大的變化，比如富集和遷移，于是就會使得環(huán)氧樹脂表面性能發(fā)生變化。另外，由于改性環(huán)氧樹脂建筑膠具有一定的憎水性，所以就會造成如上所述的變化趨勢。

2.2 力學(xué)性能的影響

水泥地裂縫的修補(bǔ)材料需要具備一定的力學(xué)性能，才能使得修補(bǔ)效果更好，所以力學(xué)性能屬于有機(jī)硅環(huán)氧樹脂建筑膠的重要指標(biāo)。于是文章分析了有機(jī)硅含量對4種不同力學(xué)性能的影響，其結(jié)果如圖2～5所示。

首選對圖2和圖3進(jìn)行分析，從圖中可以看出，抗擊強(qiáng)度和斷裂伸長率的變化趨勢為隨著有機(jī)硅含量的不斷提升，其大小先增大后降低。然而兩者的變化趨勢也有所區(qū)別，即當(dāng)有機(jī)硅含量比較少只有5%時，其沖擊強(qiáng)度的增大幅度比較小，能夠說明當(dāng)加入的有機(jī)硅含量比較少時，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠沖擊強(qiáng)度的效果不是很明顯，當(dāng)時斷裂伸長率加入5%的有機(jī)硅時，其值發(fā)生非常明顯的增加增強(qiáng)作用。

然后再對圖4和圖5進(jìn)行分析，拉伸強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度的變化趨勢一致，即當(dāng)有機(jī)硅含量不斷增加時，抗剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都處于降低狀態(tài)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于當(dāng)有機(jī)硅含量增加時，就會增加結(jié)構(gòu)膠的柔順性，于是就會降低拉伸強(qiáng)度。由于環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅之間的兼容性比較差，于是就會導(dǎo)致有機(jī)硅聚集在一起，形成一個明顯的界面，所以就會降低剪切強(qiáng)度。

2.3 耐人工老化性能

表4即為人工老化試驗(yàn)后應(yīng)用于水泥地裂縫修補(bǔ)中的力學(xué)性能，從表中可以看出，經(jīng)過人工老化處理后，剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度有了一定程度的降低，當(dāng)加入有機(jī)硅之后，提高了保留率，于是可以說明，有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑膠能夠提高耐濕熱老化性能。出現(xiàn)這種現(xiàn)象在于有機(jī)硅有助于提高材料耐熱性能和疏水性能，所以應(yīng)用于水泥地裂縫修補(bǔ)中能夠增加耐濕熱老化能力，于是能夠提高應(yīng)用耐久性。

從表4中還可以看出，當(dāng)材料經(jīng)過老化處理后，其力學(xué)性能的變化趨勢為先增高后降低，而且不會一直降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于濕熱環(huán)境，因?yàn)樗肿訒茐牡艋w的化學(xué)鍵，另外，濕熱會提高基體固化程度，于是就會造成這種變化趨勢。但是可以看出總體上力學(xué)性能是下降趨勢，主要由于基體與粘接面存在不可逆的破壞，于是就會降低力學(xué)性能。

2.4 250℃熱失重結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)分析之后得到如表5所示的失重結(jié)果，從中可以看出，與未改性的材料進(jìn)行比較，改性之后的耐熱性能更好。當(dāng)條件為10h時，有機(jī)硅含量增加20%，失重結(jié)果降低了1.88%，因?yàn)榧尤胗袡C(jī)硅之后的材料處于高溫環(huán)境下，會形成二氧化硅，其性能非常溫蒂，可以形成保護(hù)層，于是就會阻礙分解，所以改性后的材料具有更好的耐熱性。

2.5 紅外光譜測試

上述實(shí)驗(yàn)還不能明確了解基團(tuán)已經(jīng)引入到環(huán)氧中，需要進(jìn)行紅外光譜分析，于是通過紅外光譜儀得到圖6到圖8的光譜圖。圖6為異氰酸酯紅外光譜圖，圖7為預(yù)聚體紅外光譜圖，圖8為改性環(huán)氧樹脂建筑膠的紅外光譜圖。

對圖6和圖7進(jìn)行對比分析，Si-OH基團(tuán)和-NCO基團(tuán)的吸收峰有所降低，另外還產(chǎn)生了新C=O基團(tuán)，于是可以證明聚硅氧烷和異氰酸酯發(fā)生了作用。然后將圖8與圖6和圖7進(jìn)行對比分析，能夠發(fā)現(xiàn)227cm^-1處的-NCO基團(tuán)的吸收峰消失，證明該基團(tuán)和-OH基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成了氨基甲酸酯鍵。從而可以證明有機(jī)硅預(yù)聚體能夠增加和環(huán)氧樹脂相結(jié)合后的兼容性。

2.6 掃描電鏡分析

在水泥地裂縫中使用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行修補(bǔ)，需要對其進(jìn)行微觀分析，通過使用掃描電子顯微鏡即可得到相關(guān)結(jié)果，為了凸顯改性后材料的結(jié)構(gòu)變化，對沒有加入有機(jī)硅的材料也進(jìn)行了微觀分析，分別得到如圖9和圖10所示的結(jié)果，其中圖9即為純環(huán)氧樹脂，圖10為改性環(huán)氧樹脂。

從圖9中可以看出，其形態(tài)結(jié)構(gòu)為單相連續(xù)型，因?yàn)椴牧现袥]有有機(jī)硅，于是沒有發(fā)生相分離情況，另外由于樹脂基體處于均勻分布，于是從圖片中可以看出沒有呈現(xiàn)顏色梯度分布，裂紋發(fā)生在同一個方向，然后其長度比較長，屬于脆性斷裂特征。

從圖10中可以看出，與純環(huán)氧樹脂相比，通過改性之后的材料，電子顯微鏡照片存在明顯的區(qū)別，其基體不再均勻分布，裂縫方向沒有規(guī)律，且表面粗糙，屬于一種韌性斷裂，所以可以證明當(dāng)加入有機(jī)硅之后，能夠改善材料的脆性。

通過改性之后獲得的電子顯微圖片中存在一些微小的孔洞，Kinlock對其進(jìn)其進(jìn)行了分析，其中指出有機(jī)硅粒子會受到流體靜力拉力的影響，還會受到負(fù)荷后三向應(yīng)力場的作用，這兩個力就會相互疊加，就會使得界面遭到破壞，于是就形成了如圖所示的孔洞，這些孔洞就會使得塑性體膨脹，并且使得發(fā)生裂紋的位置出現(xiàn)純化現(xiàn)象，于是就會阻止水泥地出現(xiàn)斷裂并且降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以在水泥地中應(yīng)用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠有助于降低裂縫的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

綜上所述，加入有機(jī)硅改性之后，所獲得的有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠提高了收縮率，降低了吸水率、熱失重。另外當(dāng)有機(jī)硅加入量為10%時，能夠增強(qiáng)斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度。經(jīng)過人工老化試驗(yàn)可知，改性后的材料具有更好的耐濕熱老化性能。所以在水泥地中使用有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠能夠提高其使用壽命、降低裂縫的發(fā)生、增強(qiáng)力學(xué)性能等優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]楊清宇.水泥混凝土路面裂縫修補(bǔ)材料研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2013.

[2]李慶華，舒程嵐青，徐世娘，超高韌性水泥基復(fù)合材料的層裂試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2020，37（04）：51-59.

[3]高杰，張暄，韓樂冰，等.超高韌性水泥基復(fù)合材料彎曲韌性研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2020，39（04）：1050-1056.

[4]葉林宏，何泳生，冼安如，等.論化灌漿液與被灌巖土的相互作用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1994（06）：47-55.

[5]張志謙，張春紅，曹海琳，等.環(huán)氧/納米Si02雜化漿料的制備及其對碳纖維復(fù)合材料性能的影響[J].航空材料學(xué)報(bào)，2005，25（2）：44-48.

[6]龍勇.有機(jī)硅異氰酸酯預(yù)聚體改性環(huán)氧樹脂灌漿材料[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[7]劉漢有，陳耀井，徐建祥.環(huán)氧樹脂混凝土開裂原因分析及其在橋梁結(jié)構(gòu)維修中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，007（005）：67-70.

[8]劉旭東.改性環(huán)氧樹脂裂縫修補(bǔ)材料制備及其熱解動力學(xué)研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2019.

1、塑料粘接知識——表面處理：

聚甲醛的特性，聚甲醛一般分為：聚甲醛和均聚甲醛，是一種線型高分子，結(jié)晶度高，密度大，力學(xué)性能優(yōu)良，特別是剛性大，耐沖擊和耐蠕變性優(yōu)良，卓越的耐疲勞性能，突出的自潤滑性，耐磨，耐化學(xué)品腐蝕性，是優(yōu)良的工程塑料。由于其結(jié)晶度高，且耐溶劑性好，無法采用溶劑粘接。而且膠粘劑粘接時，受表面能低的限制，必須進(jìn)行表面處理后方可粘接。

作者簡介：郭銳（1975-），男，漢族，河南陜縣人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：建筑學(xué)及項(xiàng)目管理。