混凝土建筑結構膠耐濕熱性能檢測試驗研究

韋亮

摘要：耐濕熱性能時混凝土建筑結構膠的重要指標，將建筑結構膠中具有代表性的環(huán)氧樹脂作為研究對象，監(jiān)測其耐是熱性能。使用煮沸法分析不同種類固化劑、不同用量的硅微粉、偶聯(lián)劑以及氣象白炭黑對于環(huán)氧樹脂耐濕熱性能的影響，利用固化劑復配方法，獲得性能更好的固化劑吧，提高了環(huán)氧樹脂耐濕熱性能。檢測結果表明，使用低分子聚酰胺與改性脂環(huán)胺復配后的固化劑，用量為環(huán)氧樹脂質量20%，硅微粉用量小于環(huán)氧樹脂質量200%，偶聯(lián)劑用量與氣相白炭黑用量均占環(huán)氧樹脂總質量的3.5%，這種情況下混凝土建筑結構膠環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能最好。

關鍵詞：混凝土建筑;結構膠;環(huán)氧樹脂;耐濕熱;固化劑;硅微粉

中圖分類號：TQ437 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0023-05

0引言

目前在混凝土建筑結構中最長使用的膠粘劑主要為環(huán)氧樹脂結構膠。20世紀50年代環(huán)氧樹脂結構膠初次應用于路面修復，標志著建筑結構膠在混凝土范圍內的突破性使用，隨著時間的推移，技術不斷進步，混凝土建筑結構膠的類別不斷被擴充，所應用的領域越來越廣泛，高層建筑施工、道路橋梁加固修復，都能看到建筑結構膠的身影。我國目前混凝土結構占比巨大，開展大量涵洞、隧道、橋梁建筑工程，由于長期使用或者施工問題，導致建筑與道路出現(xiàn)開裂老化或者結構缺陷，因此需要大量使用性能良好、耐久性強、施工方便的加固施工技術。同時，我國地域遼闊，各地區(qū)溫度氣候差異巨大，北方氣候干燥寒冷，南方氣候潮濕悶熱，因此急需尋找一種混凝土建筑結構膠廣泛使用于各種氣候環(huán)境中。

應用于建筑結構中的膠對于抗彎荷載、拉伸強度與壓縮強度要求較高，在工程安全相關規(guī)定中要求加固材料至少保持50年的耐濕熱耐老化性能。經過研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂具有良好的力學性能與粘接性，但是固化后容易出現(xiàn)脆性較高的情況，所以目前的研究主要集中與研究環(huán)氧樹脂韌性問題而輕視耐久性能相關研究。目前的研究中提高環(huán)氧樹脂耐濕熱性能的方法主要是使用固化劑或者增加填料，但是如果固化劑或填料選擇不當將影響環(huán)氧樹脂的力學性能，因此本文采用分析不同固化劑與調料配置方法，檢測混凝土建筑結構膠耐濕熱性能。

1材料方法

1.1材料

環(huán)氧樹脂：工業(yè)級，河北躍騰防腐材料有限公司;硅微粉：鞍山鞍美國貿實業(yè)開發(fā)有限公司;偶聯(lián)劑：KH550：南京品寧偶聯(lián)劑有限公司;氣象白炭黑：山東弘興白炭黑有限責任公司;固化劑：x1：低分子聚酰胺固化劑：河南水之環(huán)實業(yè)有限公司;X2：改性脂肪胺固化劑：濟南昭合新材料有限公司;x3：改性芳香胺固化劑：廣州市代迅商貿有限公司;X4：改性脂環(huán)胺固化劑：廣州市天脈化學科技有限公司;x5：x1與X4復配。

1.2設備

JB-60D數(shù)顯恒速攪拌機：常州金壇良友儀器有限公司;WE-IOOOB萬能材料試驗機：濟南銳瑪機械設備責任有限公司;OF-22GW烘箱：蘇州臺碩電熱設備制造有限公司;蠕變試驗機;濟南中研試驗機有限公司;變頻高速攪拌機：東莞市科德機械有限公司;GDJS61濕熱老化試驗機：上海還想一起設備廠。

1.3實驗方法

表1為混凝土建筑結構膠環(huán)氧樹脂基礎配合比例。

將烘箱的溫度調至110℃，時間設置為15min，把1000g硅微粉放置到烘箱中。使用15mL乙醇稀釋偶聯(lián)劑，將稀釋后的25g偶聯(lián)劑加入到加熱完成后不斷翻動的硅微粉內，攪拌均勻后仍舊放入烘箱中加熱20min，從烘箱中取出后冷卻至室溫，獲得偶聯(lián)劑改良后的硅微粉。將變頻高速攪拌機轉速設置為1000dmin，將氣相白炭黑與環(huán)氧樹脂充分混合置于變頻高速攪拌機中充分攪拌至分散均勻，重新將攪拌機設置為400r/min，在混合物中加入改性硅微粉，置于調速后的攪拌機中分散均勻，得到A組份。使用式（1）計算B組份各固化劑用量：

在式（1）中，Ⅳ和Km分別表示胺的相對分子質量與氮原子上的活潑氫數(shù)目;F和c分別表示每100g樹脂所需胺的克數(shù)與環(huán)氧樹脂環(huán)氧值。將A組份和B組份按照2：1的質量比充分混合，獲得混凝土建筑結構膠（環(huán)氧樹脂）。

實驗試件的制備：拉伸剪切碳鋼試片粘接時使用GB/T7124-1999作為依據(jù)，在室溫環(huán)境下實行固化處理。剪切試件在做完固化處理后在粘接界面實行防銹處理，將濕熱老化處理機溫度調

50%，濕度控制在95%，對試件實行老化試驗;測定試件未經沸水處理時的剪切強度。將試件先在沸水中處理72h測定各項性能，再將試件在沸水中處理168h測定各項性能。

1）使用萬能材料試驗機測定處理前后試件的剪切強度;

2）依據(jù)GB/T7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強度測定》，檢測試件的拉伸剪切強度。

3）使用蠕變試驗機在溫度24℃和濕度55%的環(huán)境中對試件事假4MPa的剪切應力，持續(xù)作用215d，對試件的蠕變距離實行測量。

4）依據(jù)GT/T2567-2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》測試試件的壓縮強度。

2實驗結果

2.1不同固化劑影響下耐濕熱性能檢測

環(huán)氧樹脂中添加的固化劑類型不同，對于環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能會造成較大影響，表2為使用不同固化劑后對環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能實行檢測的結果。

通過表2能夠看出，使用x3固化劑后的粘接剪切試件在沸水中分別浸泡72h和168h后，被粘接加固的部位發(fā)生斷裂，沒有出現(xiàn)強度變化，證明該試件的耐濕熱性能最差，對斷裂后的試件實行觀察分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)斷裂的粘接面呈現(xiàn)界面破壞形式，環(huán)氧樹脂膠粘劑呈現(xiàn)片狀形態(tài)不斷脫落，沸水浸泡后提高了環(huán)氧樹脂膠層的內聚強度，膠體變得又脆又硬，分析試件斷開的原因，主要是由于高濕高熱環(huán)境下鋼片與膠層之間的粘接被破壞。使用X4固化劑的粘接剪切試件在未經沸水浸泡時剪切強度最低，僅為9.61MPa，但是將該試件在沸水中浸泡168h后剪切強度升至最高，達到27.21MPa，由此可以看出在四組試件中，使用X4固化劑能夠明顯提高環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能，對這種現(xiàn)象實行分析，主要是由于X4固化劑的使用，鋼片表面受到環(huán)氧樹脂良好浸潤，提高了環(huán)氧樹脂在鋼片表面的粘附強度，當膠體自身的內聚強度低于粘附強度時，試件的剪切強度直接由內聚強度決定，在常溫下，X4不能完全固化，導致環(huán)氧樹脂的內聚強度呈現(xiàn)一種較低的狀態(tài)。在高濕高熱條件下X4固化劑持續(xù)固化，提高膠體的內聚強度，膠液對試件充分浸潤，水分不能夠輕易從粘接處進入到界面中，有效提高試件的耐濕熱性能。

2.2復配固化劑影響耐濕熱性能檢測

經過以上實驗檢測出固化劑X4的耐濕熱性能良好，但是未經高溫高濕處理前剪切強度較低，固化劑x1在經過高溫高濕處理后雖然剪切強度較低，但是處理前的剪切強度較高，將x1與X4復配得到固化劑X5，檢測不同用量固化劑對于試件剪切強度的影響。固化溫度分為常溫固化與中溫固化，常溫固化是將恒溫箱的溫度調至23℃，將使用X5固化劑的試件置人其中168h;中溫固化是將恒溫箱的溫度調至85℃，使用X5固化劑的試件在該環(huán)境中固化5h，取出后在室溫條件下繼續(xù)固化168h。不同溫度條件影響下的試件剪切強度變化如圖1所示。

由圖1能夠看出，常溫固化處理后，固化劑用量的增加導致試件的剪切強度出現(xiàn)一個輕微的降低趨勢，固化劑用量為0%時試件剪切強度約為27MPa，當固化劑用量達到50%時，試件的剪切強度約為24MPa。中溫固化處理的試件剪切強度始終高于常溫固化處理的試件剪切強度。通過圖1能夠證明中溫固化環(huán)境下能夠提高環(huán)氧樹脂的固化程度，增大粘接強度。

把常溫固化處理的試件置于沸水中，分別浸泡72h個168h，取出后檢測試件的剪切強度，表3為檢測結果。

從表3能夠看出，對試件使用常溫固化處理后再使用沸水浸泡，試件的剪切強度呈現(xiàn)上升趨勢。未經沸水浸泡的試件，即使固化劑用量增加剪切強度變化也較小;未添加固化劑的試件未經沸水浸泡前剪切強度為28.63MPa，經沸水浸泡168h后剪切強度下降至15.94MPa，當固化劑用量超過15%后沸水浸泡后的試件剪切強度高于浸泡前，當固化劑用量升50%，沸水浸泡168h后試件剪切強度與未經沸水浸泡的試件相比增長迅速。分析原因，主要是由于復配后的固化劑在常溫下不能完全固化，高濕高熱環(huán)境加快了固化劑的固化速度直接提升鋼片和環(huán)氧樹脂之間的界面粘接強度。復配后固化劑比例越大越能明顯搞到粘性的增加。經復配后固化劑體系被改善，提高了環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能和剪切強度。綜合圖1和表2，固化劑用量為20%耐濕熱性能較好。

2.3硅微粉用量影響耐濕熱性能檢測

使用x5固化劑，用量為環(huán)氧樹脂總質量的20%，其他實驗條件不變，硅微粉用量為在環(huán)氧樹脂中所占的質量百分比，對環(huán)氧樹脂耐濕熱性能檢測如表4所示。

從表4來看，硅微粉的用量越大，沸水浸泡后的試件拉伸剪切強度越低，蠕變變形值也逐漸降低。這是由于硅微粉的用量越大，環(huán)氧樹脂的含量變小，導致環(huán)氧樹脂固化后的致密性被降低。作為一種剛性填料，微微分的使用增加了膠體的剛性，導致應力作用下的試件發(fā)生形變，從表3中能夠看出，硅微粉的用量不大于200%的情況下能夠保證試件具有良好的耐濕熱性能。

2.4偶聯(lián)劑用量影響耐濕熱性能檢測

依照基礎配比，按環(huán)氧樹脂質量的200%添加硅微粉，不同用量（偶聯(lián)劑占環(huán)氧樹脂總質量的百分比）偶聯(lián)劑對于環(huán)氧樹脂耐濕熱性能影響如表5所示。

分析表5，沸水處理后，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，拉神剪切強度與蠕變變形值顯示降低，之后出現(xiàn)上升趨勢，這說明環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能先得到有效提高之后轉而降低。偶聯(lián)劑一端是無機填料表面羥基形成化學鍵合，而另一端是有機端，這種有機端能夠與環(huán)氧樹脂之間形成良好的相容性。由于偶聯(lián)劑分子結構的特殊性增加無機硅微粉與環(huán)氧樹脂的相容性，能夠提高環(huán)氧樹脂剛性、阻隔性與微觀體系的均勻性。由此能夠看出，適當增加偶聯(lián)劑用量能夠有效提升環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能，從表5中能夠看出當偶聯(lián)劑用量為3.5%時，硅微粉顆粒表面被偶聯(lián)劑形成的有機膜包裹，完美相溶于環(huán)氧樹脂，此時環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能最好。當偶聯(lián)劑用量超過3.5%時，試件中出現(xiàn)游離分散的偶聯(lián)劑分子，稀釋環(huán)氧樹脂降低致密性與交聯(lián)密度，固化性能也隨之下降。

2.5氣象白炭黑用量影響耐濕熱性能檢測

其他實驗條件依舊，依據(jù)上文結果，偶聯(lián)劑用量為環(huán)氧樹脂質量的3.5%，表6為不同用量氣象白炭黑對于環(huán)氧樹脂耐濕熱性能影響，其中氣象白炭黑用量為在環(huán)氧樹脂中所占的質量百分比。

根據(jù)表6能夠看出，氣象白炭黑持續(xù)增加，蠕變變形值與拉伸剪切強度百分比不斷升高，沸水處理后的試件拉伸剪切強度不斷降低。環(huán)氧樹脂、固化劑與氣相白炭黑不能形成氫鍵結構，分子鏈不能自由運動，降低了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度，影響固化產物形成一個比較有規(guī)律的交聯(lián)網絡結構，氣象白炭黑用量的增加影響了環(huán)氧樹脂的剛性與致密性，耐濕熱性能逐漸降低。氫鍵結構的形成增加了環(huán)氧樹脂的觸變性，降低了膠體的流動性，綜合分析表6后確定氣象白炭黑用量為3.5%時環(huán)氧樹脂耐濕熱效果最好。

3結語

研究混凝土環(huán)氧樹脂建筑結構膠耐濕熱性能，將建筑中最長使用的結構膠：環(huán)氧樹脂作為研究對象分析不通用量硅微粉、偶聯(lián)劑以及氣象白炭黑對于環(huán)氧樹脂固化劑耐濕熱性能的影響，并且分析了不同種類固化劑對于環(huán)氧樹脂耐濕熱性能的影響。從分析結果來看，改性脂環(huán)胺固化劑的使用雖然提高環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能，但是未經高溫高濕處理的時候剪切強度較低，因此將改性脂環(huán)胺固化劑與低分子聚酰胺固化劑復配，改善固化劑的性能，使得進一步提高環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能，復配后固化劑粘度較低，提升了粘接性能;硅微粉的使用能夠有效提升環(huán)氧樹脂的剛性，當硅微粉的用量為環(huán)氧樹脂質量200%時，耐濕熱性能最好;偶聯(lián)劑的使用能夠提高環(huán)氧樹脂剛性與阻隔性，偶聯(lián)劑用量為3.5%時，環(huán)氧樹脂耐濕熱性能最好;氣象白炭黑的使用能夠提高環(huán)氧樹脂的剛性與致密性，用量越高環(huán)氧樹脂耐濕熱性能越低，氣象白炭黑用量為3.5%時環(huán)氧樹脂耐濕熱效果最好。

綜上所述，混凝土建筑結構膠環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能受到各種添加劑與填料用量的影響，良好的配置比例能夠使混凝土建筑結構膠具有更加良好的耐濕熱性能，適合在廣西以及西南山區(qū)使用。在今后的研究中可以從其他方面結構膠展開研究，開發(fā)出更多適用于高溫濕熱環(huán)境的混凝土建筑結構膠。