建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能研究

文/ 金衛(wèi)民 常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司 江蘇常州 213000

建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能研究

文/ 金衛(wèi)民 常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司 江蘇常州 213000

耐濕熱老化性能作為建筑結(jié)構(gòu)膠，特別是用于承重結(jié)構(gòu)加固改造的粘鋼膠、植筋膠、碳纖維膠的重要性能，對膠粘劑的耐久性和使用壽命都有重要的影響。本文對建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并采用自制的固化劑，較好地解決了國產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性差的問題。

建筑結(jié)構(gòu)膠；耐濕熱；老化性能研究

1、前言

建筑結(jié)構(gòu)膠已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固、維修與改造方面。特別是近十年來，國內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)膠無論是品種，還是產(chǎn)銷量都呈快速發(fā)展的勢頭，但市售及工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)膠，良莠不齊，給工程質(zhì)量和安全帶來極大的隱患。因此，對建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2、實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料及設(shè)備

液體雙酚A型環(huán)氧樹脂，工業(yè)品；環(huán)氧樹脂增韌劑，工業(yè)品；無機(jī)填料，工業(yè)品；低分子聚酰胺類固化劑，工業(yè)品；改性脂肪胺類、脂環(huán)胺類、芳香胺類、CP-05等固化劑，自制；助劑，工業(yè)品；萬能材料試驗(yàn)機(jī)；濕熱老化試驗(yàn)箱。

2.2 配膠

將環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂增韌劑、無機(jī)填料和助劑充分混合均勻?yàn)榧捉M分，將各類固化劑(或其混合物)、無機(jī)填料和助劑充分混合均勻?yàn)橐医M分。

2.3 耐濕熱老化性能測試

(1)將甲乙組分按一定的質(zhì)量比混合均勻后，按GB/T7124-1986粘接拉伸剪切碳鋼試片后，在室溫下固化。

(2)將固化完全后的剪切試片做防銹處理(露出粘接部位)，放入濕熱老化試驗(yàn)箱，在(50±2)℃，95%以上濕度的環(huán)境中進(jìn)行老化試驗(yàn)。

(3)按GB/T7124-1986測定老化后的試片常溫下的剪切強(qiáng)度，并與老化前的試片比較。

3、結(jié)果與討論——建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能研究

3.1 固化劑的性能概述

環(huán)氧樹脂的固化劑種類很多，但適用于建筑結(jié)構(gòu)膠的固化劑以胺類(一般是改性胺類)為主。由于固化劑的性能對膠粘劑的性能(例如粘接性能、膠本體性能、耐老化性能、耐溫性、耐介質(zhì)性能、施工工藝性能等)起著決定作用，選擇不同的固化劑所配制的建筑結(jié)構(gòu)膠性能也不盡相同。改性脂肪胺類固化劑粘度小，毒性低，能在常溫下固化環(huán)氧樹脂，固化物的韌性較好，但耐溫性不足；低分子聚酞胺與環(huán)氧樹脂配比范圍較寬，常溫適用期長，固化物收縮小、抗沖擊性好，但耐熱、耐溶劑性能差；芳香胺類固化劑適用期長，耐熱性良好，但一般需要加溫才能固化完全，由于一般是固體狀態(tài)，用做建筑結(jié)構(gòu)膠時(shí)需改性變成液態(tài)后才能被使用；脂環(huán)胺類固化劑粘度低，揮發(fā)性小，耐熱性佳，但常溫固化不完全。

3.2 固化劑對濕熱老化性能的影響

分別以A、B、C、D代表所選用的固化劑，A為低分子聚酞胺；B為改性脂肪胺；C為芳香胺；D為脂環(huán)胺。用混合環(huán)氧樹脂與不同種類固化劑配合后，所得膠粘劑濕熱老化性能如下表1所示。

其中，增韌劑1和增韌劑2是聚合物多元醇類，增韌劑3是丁腈橡膠。加入增韌劑后，膠粘劑的耐濕熱老化性能均有所下降。由于增韌劑1的分子結(jié)構(gòu)中含有不耐水解的酯基，所以在高溫高濕條件下，剪切強(qiáng)度下降幅度最大；增韌劑2中含有耐水解的醚鍵，在一定程度上改善了膠粘劑的耐濕熱性。在所選擇的三種增韌劑中，丁腈橡膠的耐濕熱性能最好，但是丁腈橡膠與環(huán)氧樹脂相容性差，所配制的膠粘劑易分層，造成施工工藝性能欠佳。

3.4 無機(jī)填料對濕熱老化性能的影響

建筑結(jié)構(gòu)膠的種類較多，按用途可分為粘鋼膠、植筋膠、碳纖維膠等。粘鋼膠和植筋膠中均含有大量的無機(jī)填料，無機(jī)填料對膠粘劑的濕熱老化性能的影響不容忽視。無機(jī)填料的種類、粒徑大小、粒度分布、顆粒形狀都會影響到膠粘劑的耐濕熱性能。

表1 固化劑對濕熱老化性能的影響

由于分子結(jié)構(gòu)本身的原因，低分子聚酞胺的耐濕熱老化存在“先天不足”，關(guān)于這一點(diǎn)，已有文獻(xiàn)詳細(xì)論述。為改善低分子聚酞胺的耐濕熱性能，本文采用了復(fù)配方法。從表1可以看出:聚酞胺分別與芳香胺和脂環(huán)胺復(fù)配后，耐濕熱性能有所改善，但并不理想，而與芳香胺和脂環(huán)胺同時(shí)復(fù)配后，耐濕熱性得到明顯提高，這可能是所謂“協(xié)同作用”的結(jié)果。改性脂肪胺單獨(dú)做固化劑時(shí)，濕熱老化性能一般，但與芳香胺或脂環(huán)胺復(fù)配后有大幅度提高，主要是因?yàn)榉枷惆坊蛑h(huán)胺的加入而提高了膠粘劑的耐溫性。脂肪胺與芳香胺和脂環(huán)胺一起復(fù)配后，耐濕熱老化性能良好，但老化前的室溫剪切強(qiáng)度偏低，這進(jìn)一步說明:1)芳香胺或脂環(huán)胺在室溫下固化不完全，而在老化條件的高溫環(huán)境下繼續(xù)固化；2)芳香胺和脂環(huán)胺復(fù)配后的固化劑具有優(yōu)良的耐濕熱性。CP-05也是一種復(fù)配固化劑，其中含有自制的促進(jìn)劑，使膠粘劑的耐濕和耐熱性同步加強(qiáng)，同時(shí)在室溫固化時(shí)亦有較高的粘接強(qiáng)度，能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.3 增韌劑對濕熱老化性能的影響

增韌劑不僅能改善環(huán)氧樹脂膠粘劑的脆性，有時(shí)還能提高膠粘劑的彈性模量。增韌劑的加入與否和增韌劑的種類都影響到膠粘劑的濕熱老化性能，以CP-05做固化劑，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表 2 增韌荊對濕熱老化性能的影響

酸性填料的耐濕熱性能最差，原因可能是由于在高溫高濕的作用下，固化后的環(huán)氧樹脂在酸性環(huán)境中會慢慢降解。實(shí)驗(yàn)表明，粒徑小的填料對提高膠粘劑的粘接剪切強(qiáng)度有利，因此在一定目數(shù)范圍內(nèi)，細(xì)顆粒填料的耐濕熱性占明顯優(yōu)勢。片狀結(jié)構(gòu)的填料可能會增加膠粘劑固化后的內(nèi)應(yīng)力，所以其耐濕熱性能低于球形填料。

3.5 助劑對濕熱老化性能的影響

建筑結(jié)構(gòu)膠的配方中一般會加入少量助劑，例如:加入觸變劑，增加膠粘劑的抗流掛性；加入固化促進(jìn)劑，能加快膠粘劑的固化速度并能使膠粘劑固化更完全；加入偶聯(lián)劑，提高膠粘劑的粘接性等。實(shí)驗(yàn)表明，助劑的加入對膠粘劑的濕熱老化性能幾乎沒有影響，加入合適的助劑不會影響膠粘劑的耐濕熱老化性能。

結(jié)論：

綜上所述，固化劑對建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能有決定性的影響。低分子聚酰胺固化劑耐濕熱老化性最差，芳香胺和脂環(huán)胺復(fù)配能顯著提高建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能。增韌劑的加入會降低建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性。宜選用中性、球形、粒度小的無機(jī)填料。加入合適的助劑不會影響建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能。

[1]王文軍，李紅旭，張首文.建筑結(jié)構(gòu)膠的耐濕熱老化性能研究[J].粘接，2006(1)：10-11.

[2]王德中.環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.198.