建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑運(yùn)用分析

羅昆

（海南華磊建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司貴州分公司，貴陽(yáng) 550000）

1 引言

當(dāng)前時(shí)期的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)質(zhì)量、強(qiáng)度以及黏結(jié)性都提出了更為嚴(yán)格的要求，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑具有良好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性以及耐老化性能，對(duì)各類(lèi)建筑材料都具備高度黏結(jié)力，所以應(yīng)用愈發(fā)廣泛，尤其是其常溫固化能力和高彈性高強(qiáng)度能力，對(duì)于推動(dòng)建設(shè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量提升有著十分顯著的作用。

2 環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的主要原理

2.1 浸潤(rùn)原理

相較于金屬材料，環(huán)氧樹(shù)脂的表面張力較小，易被浸潤(rùn)打濕，且構(gòu)成類(lèi)型多樣，既有親水的羥基基團(tuán)，又有疏水的碳?xì)滏湺危弓h(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑表面具有良好的活化作用，能在金屬或非金屬表面形成單分子膜，可被完全浸潤(rùn)。

2.2 黏附原理

由于環(huán)氧樹(shù)脂分子中的結(jié)構(gòu)組成較多樣，同時(shí)具有環(huán)氧基、羥基和醚鍵等極性基團(tuán)，即使被應(yīng)用于某些極性物質(zhì)表面也可產(chǎn)生次價(jià)鍵，不會(huì)受到干擾，并且還能在此基礎(chǔ)上形成氫鍵，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)生的物理黏附性和化學(xué)黏附性，界面張力也能有效降低，凸顯優(yōu)秀的黏結(jié)性能，所形成的黏結(jié)界面十分穩(wěn)定。環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)在金屬表面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)在金屬表面結(jié)構(gòu)

2.3 固化成型原理

環(huán)氧樹(shù)脂材料屬于一種大分子小質(zhì)量的預(yù)聚體，通過(guò)對(duì)固化劑的催化反應(yīng)、開(kāi)環(huán)加成聚合反應(yīng)與交聯(lián)反應(yīng)，共同組成一組龐大的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分子，要想把這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合方式的環(huán)氧樹(shù)脂分子從黏結(jié)的固體中完全剝離，需耗費(fèi)大量熱量，一般來(lái)說(shuō)熱量需維持在16.75 kJ/mol 才可全面破壞其結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定力與內(nèi)聚力[1]。

3 環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的特點(diǎn)與基本類(lèi)型

3.1 特點(diǎn)

環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑種類(lèi)豐富，可在各種類(lèi)型和場(chǎng)合的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的環(huán)氧樹(shù)脂、改性劑及固化劑。環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的固化體系范圍廣泛，固化劑種類(lèi)較成熟，可固化的溫度范圍跨度較大，由此決定了環(huán)氧樹(shù)脂體系的選擇空間具有一定的自由度。環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑還具有良好的黏結(jié)力，在固化過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生具有負(fù)面影響的產(chǎn)物，固化物收縮率和體系殘余應(yīng)力較小。與此同時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑還具有優(yōu)良的力學(xué)性能，整個(gè)體系內(nèi)部的凝聚力較強(qiáng)，其宏觀上展現(xiàn)的力學(xué)性能更適用于結(jié)構(gòu)材料。環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑能在較寬頻率范圍內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間維持高質(zhì)量介電性能，除可被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還可作為通信材料和絕緣材料使用。環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑如圖2 所示。

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑

3.2 基本類(lèi)型

環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的品種豐富，現(xiàn)階段未明確分類(lèi)方法和分類(lèi)指標(biāo)，簡(jiǎn)單總結(jié)如下：從膠黏劑的形態(tài)層面看，可分為有機(jī)溶膠型膠黏劑、膏狀膠黏劑和水性膠黏劑；從固化條件層面看，可分為冷固化膠、熱固化膠和潮濕面水中固化膠等；從膠結(jié)強(qiáng)度層面看，可分為結(jié)構(gòu)膠、非結(jié)構(gòu)膠和次受力結(jié)構(gòu)膠；從用途層面看，可分為通用型膠黏劑和特種膠黏劑。

4 環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑是一類(lèi)合成樹(shù)脂，用于連接、加固建筑構(gòu)件時(shí)，相較于一般的鉚接法、焊接法，構(gòu)件的黏結(jié)受力均勻程度更高，材料出現(xiàn)某處集中承受應(yīng)力現(xiàn)象的概率較低（如采用焊接法連接構(gòu)件時(shí)，熱應(yīng)力可能會(huì)在短期內(nèi)集中在構(gòu)件的某一個(gè)位置，使該處承受較大應(yīng)力），從而使材料、構(gòu)件的耐疲勞性更強(qiáng)，可以更好地保證構(gòu)件的整體性，進(jìn)而提高抗裂性，使構(gòu)件在投入應(yīng)用后，具有更好的承載能力和穩(wěn)定性。此外，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑具有將不同性質(zhì)材料有效、牢固黏結(jié)的能力。這種特性的優(yōu)勢(shì)在于：當(dāng)前建材多樣化程度較高，一個(gè)建筑體中可能存在多種類(lèi)型的材料。采用傳統(tǒng)方法對(duì)不同類(lèi)型材料進(jìn)行黏結(jié)時(shí)，結(jié)構(gòu)整體牢固度無(wú)法得到保證，而是用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑之后可以有效解決這一問(wèn)題。在傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)人員無(wú)法獲得準(zhǔn)確的建筑構(gòu)件加固與黏結(jié)作業(yè)時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案的某些環(huán)節(jié)不夠詳細(xì)。此外，一些傳統(tǒng)的加固方法也難以使構(gòu)件加固效果達(dá)到預(yù)期水平。使用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑時(shí)，不僅工藝簡(jiǎn)便，還能大幅度縮短工期（一般在1～2 d 便可完成），有助于提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。不僅如此，一些具有軍事用途的建筑、交通設(shè)施等對(duì)外表耐老化性能有較高的要求，使用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑可在低成本、高效率的情況下滿足這一要求。

5 環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

5.1 混凝土整體工程黏結(jié)運(yùn)用

現(xiàn)階段，大型鋼筋混凝土工程在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上要求各部分混凝土構(gòu)件通過(guò)連接，使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)工程成為有機(jī)整體，以此實(shí)現(xiàn)力學(xué)層面的最大化穩(wěn)定。大型鋼筋混凝土工程包括高層建筑、大壩及橋梁工程等，在工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)件皆采用預(yù)制方式制作，現(xiàn)澆方式無(wú)法一次性實(shí)現(xiàn)整體澆筑要求和膠黏要求。環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑能在已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土表面完成黏結(jié)工作，通過(guò)黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試和抗拉強(qiáng)度測(cè)試，在遭受破壞性的外部受力作用時(shí)，即使混凝土體被拉裂破壞，環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)面也不會(huì)被拉斷。這表明環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑所具備的抗拉強(qiáng)度已遠(yuǎn)超混凝土材料本身的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)可有效解決混凝土黏結(jié)不牢的問(wèn)題，使建筑結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，推動(dòng)了建筑工程的整體發(fā)展。環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的主要材料以改性雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂為主，所有構(gòu)成配方組分材料皆可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)量化[2]。

5.2 港工混凝土潮差和水下部位設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土建筑物在使用過(guò)程中受外界自然條件、施工操作和超載作業(yè)行為等影響，使建筑物的部分構(gòu)件出現(xiàn)局部損毀情況，若不能及時(shí)修復(fù)，易影響人們的正常生活。修補(bǔ)鋼筋混凝土建筑物的潮差位置和水下部位時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑接觸水體，產(chǎn)生乳化反應(yīng)，胺類(lèi)固化劑遇水即融所造成的損失值得關(guān)注。瀝青和焦油是常見(jiàn)的憎水材料種類(lèi)，將其加入環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑中可有效保護(hù)環(huán)氧樹(shù)脂的極性基團(tuán)，同時(shí)還能盡量規(guī)避固化劑溶出問(wèn)題，即使是已經(jīng)產(chǎn)生固化反應(yīng)的環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑，仍對(duì)建筑物的潮濕位置和水下部位具備一定程度的黏結(jié)能力。所以，針對(duì)港工混凝土潮差和水下部位應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需優(yōu)先使用環(huán)氧樹(shù)脂瀝青膠黏劑，其具有良好的抗凍性能，即使經(jīng)受300 次凍融循環(huán)，依然可保證黏結(jié)功能。

5.3 水利工程用潮濕面積水下修補(bǔ)設(shè)計(jì)

水利工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，需綜合考慮到水利工程中渠道渡槽混凝土構(gòu)件的磨損開(kāi)裂及大壩閘門(mén)的滲漏問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行無(wú)水干燥修復(fù)的難度指數(shù)較大。因此，在水利工程的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑不應(yīng)采用傳統(tǒng)模式，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改良，配方構(gòu)成也相應(yīng)變動(dòng)，需選擇使用相對(duì)分子質(zhì)量為100 的E51 環(huán)氧樹(shù)脂，相對(duì)分子質(zhì)量為1 000的聚硫橡膠25 份，固化劑選擇順丁烯二酸酐9 份，二甲氨基甲基苯酚4 份，填料控制在300～600 mL。調(diào)配出的環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑在拉伸強(qiáng)度方面具有較大提升，潮濕和水下?tīng)顟B(tài)可保持在3 MPa，干燥狀態(tài)下可達(dá)4～5 MPa。為進(jìn)一步優(yōu)化環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑品質(zhì)，還需生產(chǎn)低溫狀態(tài)下迅速固化的環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑，將雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂和雙酚F 型環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量比限制在1∶1，選擇應(yīng)用混合脂肪胺作為主要的固化劑種類(lèi)，聚丙二醇作為基礎(chǔ)的增韌劑原料，二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在4%最為適宜，此時(shí)的膠黏劑具有非常良好的低溫固化性能，表面的風(fēng)干時(shí)間在30 min 左右，在4 h 之內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)完全硬化。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)2 h 的固化反應(yīng)后，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的抗沖擊強(qiáng)度為10.084 kJ/m2，拉伸強(qiáng)度為25.3 MPa，拉伸剪切強(qiáng)度為12.7 MPa，皆在原有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了極大提升。雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙酚F 型環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)

5.4 建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑是指能作為承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的黏結(jié)物質(zhì)，具有良好的長(zhǎng)時(shí)間承受能力，可被應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型中。通過(guò)對(duì)固化劑加強(qiáng)控制，改進(jìn)固化劑在環(huán)氧樹(shù)脂中的占比，優(yōu)化環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠填種類(lèi)，采用斷裂伸長(zhǎng)率穩(wěn)定且彈性模量較高的配比方式。當(dāng)保持固化劑和環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量比為1∶1 時(shí)，需加入7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米碳酸鈣，此時(shí)抗壓強(qiáng)度可達(dá)72 MPa，基體抗壓強(qiáng)度也在原有基礎(chǔ)上提高了13%。應(yīng)用觸變劑可改良環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的施工工藝性能和基礎(chǔ)力學(xué)性能，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)黏結(jié)性能的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑黏度處于較低狀態(tài)，更適合被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)觸變劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上漲至3%時(shí)，觸變指數(shù)可達(dá)最大峰值[3]。

為保證環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保持良好的流動(dòng)性，可選擇將環(huán)氧樹(shù)脂作為主要原材料，并注入適當(dāng)?shù)牡宛ざ雀呋钚怨袒瘎x擇水泥和石棉纖維作為增稠劑，以此達(dá)到高壓縮強(qiáng)度，進(jìn)而提升流淌性能和力學(xué)性能，即使在-5 ℃的低溫條件下，也不會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑的性能造成影響。其還可在室溫下進(jìn)行固化反應(yīng)，且呈現(xiàn)高強(qiáng)度厚膠層特點(diǎn)，膠層厚度可長(zhǎng)期維持在0.10～0.66 mm 范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度同步保持穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段我國(guó)建筑行業(yè)快速發(fā)展，需加大環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不斷提升環(huán)氧樹(shù)脂用量，進(jìn)一步開(kāi)辟高分子材料市場(chǎng)，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑需著重考慮混凝土整體工程黏結(jié)應(yīng)用、港工混凝土潮差與水下部位設(shè)計(jì)、水利工程用潮濕面積水下修補(bǔ)設(shè)計(jì)以及建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑設(shè)計(jì)。未來(lái)，環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑將朝著高強(qiáng)度、低黏度方向發(fā)展，具備更強(qiáng)的耐沖擊力、耐磨力、抗腐蝕力和阻燃力。