韋亮

摘要：耐濕熱性能時(shí)混凝土建筑結(jié)構(gòu)膠的重要指標(biāo)，將建筑結(jié)構(gòu)膠中具有代表性的環(huán)氧樹脂作為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)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(duì)于環(huán)氧樹脂耐濕熱性能的影響，利用固化劑復(fù)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(cè)結(jié)果表明，使用低分子聚酰胺與改性脂環(huán)胺復(fù)配后的固化劑，用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量20%，硅微粉用量小于環(huán)氧樹脂質(zhì)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(zhì)量的3.5%，這種情況下混凝土建筑結(jié)構(gòu)膠環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能最好。

關(guān)鍵詞：混凝土建筑;結(jié)構(gòu)膠;環(huán)氧樹脂;耐濕熱;固化劑;硅微粉

中圖分類號(hào)：TQ437 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0023-05

0引言

目前在混凝土建筑結(jié)構(gòu)中最長(zhǎng)使用的膠粘劑主要為環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠。20世紀(jì)50年代環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠初次應(yīng)用于路面修復(fù)，標(biāo)志著建筑結(jié)構(gòu)膠在混凝土范圍內(nèi)的突破性使用，隨著時(shí)間的推移，技術(shù)不斷進(jìn)步，混凝土建筑結(jié)構(gòu)膠的類別不斷被擴(kuò)充，所應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，高層建筑施工、道路橋梁加固修復(fù)，都能看到建筑結(jié)構(gòu)膠的身影。我國(guó)目前混凝土結(jié)構(gòu)占比巨大，開展大量涵洞、隧道、橋梁建筑工程，由于長(zhǎng)期使用或者施工問(wèn)題，導(dǎo)致建筑與道路出現(xiàn)開裂老化或者結(jié)構(gòu)缺陷，因此需要大量使用性能良好、耐久性強(qiáng)、施工方便的加固施工技術(shù)。同時(shí)，我國(guó)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(jié)構(gòu)膠廣泛使用于各種氣候環(huán)境中。

應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的膠對(duì)于抗彎荷載、拉伸強(qiáng)度與壓縮強(qiáng)度要求較高，在工程安全相關(guān)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(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)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(wèn)題而輕視耐久性能相關(guān)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(dāng)將影響環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能，因此本文采用分析不同固化劑與調(diào)料配置方法，檢測(cè)混凝土建筑結(jié)構(gòu)膠耐濕熱性能。

1材料方法

1.1材料

環(huán)氧樹脂：工業(yè)級(jí)，河北躍騰防腐材料有限公司;硅微粉：鞍山鞍美國(guó)貿(mào)實(shí)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(zé)任公司;固化劑：x1：低分子聚酰胺固化劑：河南水之環(huán)實(shí)業(yè)有限公司;X2：改性脂肪胺固化劑：濟(jì)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(mào)有限公司;X4：改性脂環(huán)胺固化劑：廣州市天脈化學(xué)科技有限公司;x5：x1與X4復(fù)配。

1.2設(shè)備

JB-60D數(shù)顯恒速攪拌機(jī)：常州金壇良友儀器有限公司;WE-IOOOB萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南銳瑪機(jī)械設(shè)備責(zé)任有限公司;OF-22GW烘箱：蘇州臺(tái)碩電熱設(shè)備制造有限公司;蠕變?cè)囼?yàn)機(jī);濟(jì)南中研試驗(yàn)機(jī)有限公司;變頻高速攪拌機(jī)：東莞市科德機(jī)械有限公司;GDJS61濕熱老化試驗(yàn)機(jī)：上海還想一起設(shè)備廠。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

表1為混凝土建筑結(jié)構(gòu)膠環(huán)氧樹脂基礎(chǔ)配合比例。

將烘箱的溫度調(diào)至110℃，時(shí)間設(shè)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(dòng)的硅微粉內(nèi)，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(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)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(jī)中充分?jǐn)嚢柚练稚⒕鶆?，重新將攪拌機(jī)設(shè)置為400r/min，在混合物中加入改性硅微粉，置于調(diào)速后的攪拌機(jī)中分散均勻，得到A組份。使用式（1）計(jì)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(duì)分子質(zhì)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(zhì)量比充分混合，獲得混凝土建筑結(jié)構(gòu)膠（環(huán)氧樹脂）。

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

50%，濕度控制在95%，對(duì)試件實(shí)行老化試驗(yàn);測(cè)定試件未經(jīng)沸水處理時(shí)的剪切強(qiáng)度。將試件先在沸水中處理72h測(cè)定各項(xiàng)性能，再將試件在沸水中處理168h測(cè)定各項(xiàng)性能。

1）使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定處理前后試件的剪切強(qiáng)度;

2）依據(jù)GB/T7124-2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定》，檢測(cè)試件的拉伸剪切強(qiáng)度。

3）使用蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)在溫度24℃和濕度55%的環(huán)境中對(duì)試件事假4MPa的剪切應(yīng)力，持續(xù)作用215d，對(duì)試件的蠕變距離實(shí)行測(cè)量。

4）依據(jù)GT/T2567-2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》測(cè)試試件的壓縮強(qiáng)度。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1不同固化劑影響下耐濕熱性能檢測(cè)

環(huán)氧樹脂中添加的固化劑類型不同，對(duì)于環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能會(huì)造成較大影響，表2為使用不同固化劑后對(duì)環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能實(shí)行檢測(cè)的結(jié)果。

通過(guò)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(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度變化，證明該試件的耐濕熱性能最差，對(duì)斷裂后的試件實(shí)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(nèi)聚強(qiáng)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(jīng)沸水浸泡時(shí)剪切強(qiáng)度最低，僅為9.61MPa，但是將該試件在沸水中浸泡168h后剪切強(qiáng)度升至最高，達(dá)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(duì)這種現(xiàn)象實(shí)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(rùn)，提高了環(huán)氧樹脂在鋼片表面的粘附強(qiáng)度，當(dāng)膠體自身的內(nèi)聚強(qiáng)度低于粘附強(qiáng)度時(shí)，試件的剪切強(qiáng)度直接由內(nèi)聚強(qiáng)度決定，在常溫下，X4不能完全固化，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的內(nèi)聚強(qiáng)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(nèi)聚強(qiáng)度，膠液對(duì)試件充分浸潤(rùn)，水分不能夠輕易從粘接處進(jìn)入到界面中，有效提高試件的耐濕熱性能。

2.2復(fù)配固化劑影響耐濕熱性能檢測(cè)

經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出固化劑X4的耐濕熱性能良好，但是未經(jīng)高溫高濕處理前剪切強(qiáng)度較低，固化劑x1在經(jīng)過(guò)高溫高濕處理后雖然剪切強(qiáng)度較低，但是處理前的剪切強(qiáng)度較高，將x1與X4復(fù)配得到固化劑X5，檢測(cè)不同用量固化劑對(duì)于試件剪切強(qiáng)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(diào)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(diào)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(qiáng)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(dǎo)致試件的剪切強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)輕微的降低趨勢(shì)，固化劑用量為0%時(shí)試件剪切強(qiáng)度約為27MPa，當(dāng)固化劑用量達(dá)到50%時(shí)，試件的剪切強(qiáng)度約為24MPa。中溫固化處理的試件剪切強(qiáng)度始終高于常溫固化處理的試件剪切強(qiáng)度。通過(guò)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(qiáng)度。

把常溫固化處理的試件置于沸水中，分別浸泡72h個(gè)168h，取出后檢測(cè)試件的剪切強(qiáng)度，表3為檢測(cè)結(jié)果。

從表3能夠看出，對(duì)試件使用常溫固化處理后再使用沸水浸泡，試件的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。未經(jīng)沸水浸泡的試件，即使固化劑用量增加剪切強(qiáng)度變化也較小;未添加固化劑的試件未經(jīng)沸水浸泡前剪切強(qiáng)度為28.63MPa，經(jīng)沸水浸泡168h后剪切強(qiáng)度下降至15.94MPa，當(dāng)固化劑用量超過(guò)15%后沸水浸泡后的試件剪切強(qiáng)度高于浸泡前，當(dāng)固化劑用量升50%，沸水浸泡168h后試件剪切強(qiáng)度與未經(jīng)沸水浸泡的試件相比增長(zhǎng)迅速。分析原因，主要是由于復(fù)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(qiáng)度。復(fù)配后固化劑比例越大越能明顯搞到粘性的增加。經(jīng)復(fù)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(qiáng)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(cè)

使用x5固化劑，用量為環(huán)氧樹脂總質(zhì)量的20%，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，硅微粉用量為在環(huán)氧樹脂中所占的質(zhì)量百分比，對(duì)環(huán)氧樹脂耐濕熱性能檢測(cè)如表4所示。

從表4來(lái)看，硅微粉的用量越大，沸水浸泡后的試件拉伸剪切強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)致應(yīng)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(cè)

依照基礎(chǔ)配比，按環(huán)氧樹脂質(zhì)量的200%添加硅微粉，不同用量（偶聯(lián)劑占環(huán)氧樹脂總質(zhì)量的百分比）偶聯(lián)劑對(duì)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(qiáng)度與蠕變變形值顯示降低，之后出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這說(shuō)明環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能先得到有效提高之后轉(zhuǎn)而降低。偶聯(lián)劑一端是無(wú)機(jī)填料表面羥基形成化學(xué)鍵合，而另一端是有機(jī)端，這種有機(jī)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(jié)構(gòu)的特殊性增加無(wú)機(jī)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(dāng)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(dāng)偶聯(lián)劑用量為3.5%時(shí)，硅微粉顆粒表面被偶聯(lián)劑形成的有機(jī)膜包裹，完美相溶于環(huán)氧樹脂，此時(shí)環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能最好。當(dāng)偶聯(lián)劑用量超過(guò)3.5%時(shí)，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(cè)

其他實(shí)驗(yàn)條件依舊，依據(jù)上文結(jié)果，偶聯(lián)劑用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的3.5%，表6為不同用量氣象白炭黑對(duì)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(zhì)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(qiáng)度百分比不斷升高，沸水處理后的試件拉伸剪切強(qiáng)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(jié)構(gòu)，分子鏈不能自由運(yùn)動(dòng)，降低了環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度，影響固化產(chǎn)物形成一個(gè)比較有規(guī)律的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的形成增加了環(huán)氧樹脂的觸變性，降低了膠體的流動(dòng)性，綜合分析表6后確定氣象白炭黑用量為3.5%時(shí)環(huán)氧樹脂耐濕熱效果最好。

3結(jié)語(yǔ)

研究混凝土環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠耐濕熱性能，將建筑中最長(zhǎng)使用的結(jié)構(gòu)膠：環(huán)氧樹脂作為研究對(duì)象分析不通用量硅微粉、偶聯(lián)劑以及氣象白炭黑對(duì)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(duì)于環(huán)氧樹脂耐濕熱性能的影響。從分析結(jié)果來(lái)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(jīng)高溫高濕處理的時(shí)候剪切強(qiáng)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(fù)配，改善固化劑的性能，使得進(jìn)一步提高環(huán)氧樹脂的耐濕熱性能，復(fù)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(dāng)硅微粉的用量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量200%時(shí)，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(shí)，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(shí)環(huán)氧樹脂耐濕熱效果最好。

綜上所述，混凝土建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠。