建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑的研究現(xiàn)狀與展望

劉知習(xí)，張安佶，李勝偉，高云龍

(四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

在現(xiàn)代建筑工程中粘接技術(shù)被大量的運用，從而粘接所用的建筑膠粘劑得到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的機械連接方式相比，使用膠粘劑有以下優(yōu)點：具有良好的力學(xué)性和耐候性，可以確保粘結(jié)界面的穩(wěn)定性能；可以使不同厚度、不同材質(zhì)(如：混凝土-鋼，鋼-木等)的被粘結(jié)物穩(wěn)固的結(jié)合在一起；粘接界面處受力分布均勻，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)；所連接的材料無需修整，使用過程不會對材料本身造成傷害；在預(yù)制構(gòu)件中可以無間隙地填充其由制造公差所產(chǎn)生的尺寸間隙；自身重量輕，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載、應(yīng)力影響；可以節(jié)約施工成本。因此，膠粘劑被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)之中。

隨著城市發(fā)展進(jìn)入新的階段，人們對老舊建筑進(jìn)行加固維修的需求不斷擴大。作為必不可少的加固材料-結(jié)構(gòu)型膠粘劑，利用其特性粘接其他材料或植筋等方法對不滿足力學(xué)性能的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，使其達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求，保障了建筑物在接下來的預(yù)期服役周期內(nèi)穩(wěn)固、安全。根據(jù)當(dāng)前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑主要是以酚類、聚氨酯類、三聚氰胺類、環(huán)氧樹脂類等傳統(tǒng)石油基化合物為原料。但在中國2060年實現(xiàn)碳中和的背景下，近年來膠粘劑的原材料也開始從高能耗、高污染的化工產(chǎn)品向環(huán)保型生物基改性天然高分子材料進(jìn)行拓展。

由于同種原料以不同工藝生產(chǎn)的膠粘劑性能可能完全不同，而同類建筑結(jié)構(gòu)類型對所使用的建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑性能要求又基本一致，因此為更適應(yīng)建筑工程中應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠粘劑，可以按照混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型對使用的建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑進(jìn)行分類。

1 混凝土結(jié)構(gòu)加固維修膠粘劑

經(jīng)過不斷的研究與探索，目前的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法主要有外粘鋼板加固法、增大截面積加固法、置換混凝土加固法、外加預(yù)應(yīng)力加固法、繞絲加固法等，可適應(yīng)不同的加固場景。在混凝土結(jié)構(gòu)加固改造工程中，出于成本、施工周期、施工后整體質(zhì)量等原因綜合考慮，建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑得到了廣泛的應(yīng)用。其中，環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑因其微觀結(jié)構(gòu)是從非晶態(tài)向高交聯(lián)狀態(tài)聚集，故不僅其本身具有良好的力學(xué)性能，同時也提高了連接基材的粘接強度。此外，環(huán)氧樹脂膠粘劑還具有固化方法多樣、固化收縮率低、潤濕性好、耐腐蝕、耐熱、耐化學(xué)性能等優(yōu)點，因此成為了混凝土結(jié)構(gòu)加固用膠粘劑的首選材料。同時，由于長期存在工作荷載，建筑結(jié)構(gòu)材料宏觀發(fā)生形變、微觀發(fā)生蠕變的現(xiàn)象不可避免。從而在加固工程的研究中，對所使用的膠粘劑蠕變特性也需要重點分析。

肖俊[1]通過分析以丁腈橡膠、糠醛/丙酮和聚氨酯接枝改性環(huán)氧樹脂膠粘劑對不同修復(fù)材料試樣的基本力學(xué)性能、抗壓強度等特性，得到了改性環(huán)氧樹脂膠粘劑修復(fù)混凝土裂縫的最佳配合比例。使用該配合比膠粘劑能夠有效提升混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能以及使用功能。

姚未來等[2]通過文獻(xiàn)調(diào)研，分別從材料和結(jié)構(gòu)的角度對混凝土加固工程中所面臨的蠕變問題開展論述。首先從材料層次上對混凝土、纖維增強復(fù)合材料(FRP)及環(huán)氧樹脂膠組分的蠕變性質(zhì)進(jìn)行分析，然后從試驗方法結(jié)果和有限元計算理論兩個角度對結(jié)構(gòu)層次上的加固建筑混凝土梁的蠕變性質(zhì)進(jìn)行分析?？隙薋RP的抗蠕變性能及其改進(jìn)的方向，并討論了現(xiàn)有計算混凝土收縮、受壓模型的優(yōu)缺點和本構(gòu)模型的影響。

HOUHOU等[3]提出了環(huán)氧膠粘劑蠕變的影響因素，并通過試驗擬合曲線得到了適用于環(huán)氧樹脂膠粘劑非線性蠕變的本構(gòu)模型。然后基于此模型對持續(xù)拉伸荷載作用下FRP-混凝土雙剪試件進(jìn)行了試驗驗證和有限元分析。證實了蠕變改變了沿搭接接頭的應(yīng)力分布情況，以及蠕變所造成的有效載荷傳遞長度略有增加結(jié)果。

黃朗寧[4]利用淀粉為主要原料，通過磷酸酯化的方法制備膠粘劑和膩子，并比較淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膠粘劑性能的影響，得到在混凝土梁加固中，滿足粘接強度規(guī)定的環(huán)保型建筑加固膠粘劑。

2 木結(jié)構(gòu)成型膠粘劑

木結(jié)構(gòu)成型膠粘劑主要運用于膠合木結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)人造板木結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)復(fù)合木材木結(jié)構(gòu)和工字梁木結(jié)構(gòu)等。其基礎(chǔ)材料是以一種新型木制人造板為主，也叫膠合木。該材料通過對短小木條或木塊在長度、寬度和厚度的方向上膠合而得到的大規(guī)格或大幅面板材，生產(chǎn)工藝對木材原料要求較低，不僅能提高木材的綜合利用率，還可以較好地利用木材的優(yōu)點和克服其缺點，使木材在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用更為合理。其中膠粘劑作為木結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的核心組成部分，不僅對木材之間的膠合起到重要作用，也極大地影響木制品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本等。因此，對木結(jié)構(gòu)膠粘劑的研究成為了當(dāng)前木結(jié)構(gòu)工程技術(shù)領(lǐng)域探討的重點之一。

柳婷等[5]通過力學(xué)性能、紅外光譜和掃描電鏡的測試結(jié)果分析了木結(jié)構(gòu)工程材料用間苯二酚甲醛(PRF)樹脂膠粘劑的最佳制備工藝條件是n(間苯二酚)∶n(苯酚)=1∶(3～7)、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶1.5、反應(yīng)體系pH=10.0、反應(yīng)溫度65℃、反應(yīng)時間1h。在改條件下制備的PRF膠粘劑性能可滿足《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50708—2012)標(biāo)準(zhǔn)要求。

席雪冬等[6]分析了以聚乙烯醇為改性劑的三聚氰胺-尿素-甲醛共縮聚樹脂(MUF)的初粘性及力學(xué)性能，其結(jié)果表明該種膠粘劑可以滿足集成材的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；通過對不同固化劑的分析，發(fā)現(xiàn)以過硫酸銨為主要成分的混合固化劑的MUF樹脂性能最佳，可以明顯降低固化溫度。在此基礎(chǔ)上，提高甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)至50%合成冷固型MUF樹脂膠粘劑，有效提高了膠粘劑的固體含量和黏度，并縮短了固化時間。通過力學(xué)試驗，測得該膠粘劑制備的膠合木干狀剪切強度達(dá)8.18MPa，相對于以常規(guī)甲醛含量制備的MUF樹脂性能提高了60%，同時其耐水性和剝離率皆能滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

席雪冬等[7]通過分析不同種類、不同添加量和在“堿-酸-堿”工藝中的不同階段單寧的影響，發(fā)現(xiàn)在合成工藝的第一堿性階段添加7%的楊梅單寧得到的MUF樹脂性能較優(yōu)，粘度適宜，游離甲醛含量低，且使用其制備的膠合木干、濕狀剪切強度均滿足國家結(jié)構(gòu)集成材用膠標(biāo)準(zhǔn)。而采用大豆蛋白為改性劑時，使用相同方法分析得到在第一合成階段添加9%的改性大豆蛋白效果最佳，不僅膠合強度同樣滿足要求，還較未改性樹脂能降低52%游離甲醛含量[8]。

KONG等[9]選用菜籽油為原料，與二苯甲胺二異氰酸酯(MDI)聚合得到了一種低成本的新型生物基聚醚酯多元醇。并通過剪切試驗和耐化學(xué)性結(jié)果討論了NCO/OH和溫度對木材粘接的影響，發(fā)現(xiàn)相比商用聚氨酯膠粘劑，該膠粘劑具有更佳的耐熱性、耐酸堿性和粘接性能。

王學(xué)川等[10]從廢棄皮革中提取工業(yè)明膠作為膠粘劑原料，再選擇用甲乙酮肟制備封閉型水性聚氨酯為交聯(lián)劑，制得高溫致活的封閉型工業(yè)明膠木材膠粘劑，其最大解封溫度為126℃。當(dāng)自制聚氨酯占明膠水溶液質(zhì)量的20%時，膠粘劑的濕剪切強度達(dá)0.97 MPa，滿足國家II類膠合板的使用要求。

3 鋼結(jié)構(gòu)加固膠粘劑

在現(xiàn)代化建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)已成為重要的組成部分。目前對鋼結(jié)構(gòu)加固，主要采用改變荷載傳遞途徑法、加強原有構(gòu)件截面和連接節(jié)點法，當(dāng)前國內(nèi)外的研究重點集中在后者，其本質(zhì)是討論如何更有效地加固構(gòu)件之間的連接。其中，碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)因輕質(zhì)、耐腐蝕、高強度、低成本等優(yōu)點，在鋼結(jié)構(gòu)加固的領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。該方法是將CFRP與鋼材粘接成一體共同受力，避免了對鋼材開孔或焊接，從而不會受到焊接連接引起的焊接殘余應(yīng)力或栓接連接導(dǎo)致的截面削弱的影響。

徐佰順等[11]采用有限元分析方法研究了膠粘劑黏彈性對CFRP-鋼界面應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)膠粘劑黏彈性會使黏結(jié)截面應(yīng)力重分布，界面剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力隨時間增加而減小，膠層厚度與CFRP彈性模量正相關(guān)，而CFRP的厚度與其彈性模量負(fù)相關(guān)。之后開展不同拉伸荷載作用下CFRP-鋼雙剪試件的長期應(yīng)力加載試驗，分析CFRP的應(yīng)變分布規(guī)律及其隨加載時間變化特點，得到了一種適用于使用碳纖維增強復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)中的膠粘劑的蠕變本構(gòu)模型[12]。

毛穎等[13]分析了兩種不同的膠粘劑在不同施膠厚度和采用不同種類碳纖維增強復(fù)合板加固鋼結(jié)構(gòu)基材時的粘接性能以及界面破壞模式，為研究鋼結(jié)構(gòu)加固工程中膠粘劑厚度對界面承載力的影響及破壞模式的變化提供了理論依據(jù)。

由于很多鋼結(jié)構(gòu)建筑有機會處于高溫工作環(huán)境，如夏季鋼橋的內(nèi)部溫度最高可達(dá)60℃左右，因此，對受損鋼結(jié)構(gòu)加固用的膠粘劑必須考慮耐高溫性能。Feng等[14]研究溫度對CFRP布加固含裂紋鋼板疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)盡管CFRP層數(shù)的增加可以延長疲勞的壽命，但膠粘劑對其影響更加明顯。由于溫度的升高，會使樹脂的彈性模量和壓縮能力降低。尤其是在達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)之后，變化就更加明顯。如E2500S膠粘劑的Tg為45℃，該膠粘劑在60℃時的彈性模量只有其在20℃時的2%。從而導(dǎo)致該膠粘劑在溫度超過Tg時使用會使疲勞壽命會大幅降低。

為適應(yīng)某些膠粘劑在高溫工作的要求，李傳習(xí)等[15]找到了一種新型環(huán)氧載體膠膜。首先運用動態(tài)熱機械分析，從獲得的動態(tài)力學(xué)性能溫度譜中可知，該膠膜的Tg為69.5℃。之后在3種不同環(huán)境溫度下對3組CFRP板/鋼雙搭接接頭試件的破壞模式、承載力及傳力規(guī)律等進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在同等荷載作用下，雖然試件的極限承載力隨著溫度的升高而降低、有效粘結(jié)長度變長、界面的剝離程度越大，但Tg以上的溫度對膠粘劑性能的影響明顯降低。如在70℃時試件的極限承載力相對于40℃時的只下降了8.4%。

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)不斷實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑已廣泛應(yīng)用于建設(shè)工程領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)。盡管當(dāng)前對膠粘劑的研究進(jìn)展一直有所突破，但以現(xiàn)階段的研究狀況而言，單一種類的膠粘劑仍然難以滿足建筑結(jié)構(gòu)的全方位需求。因此，對建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑的后續(xù)研究首先應(yīng)探討不同種類膠粘劑組合使用時對建筑結(jié)構(gòu)的維護(hù)效果；其次是把握好建筑工程的發(fā)展方向和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更新的內(nèi)容，不斷完善膠粘劑的各方面性能，以適宜人民生活水平提升為新時代建筑工程帶來的新的挑戰(zhàn)。

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