地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的制備與性能

趙華，黃麗華

（恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 前言

地下綜合管廊是埋于城市地下用于集中布設(shè)電力、通信、給排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道，是一種現(xiàn)代化、科學(xué)化、集約化的城市基礎(chǔ)設(shè)施[1]?！笆濉币?guī)劃期間，我國大力發(fā)展裝配式建筑施工技術(shù)，地下綜合管廊預(yù)制拼裝技術(shù)成為綜合管廊未來重要的發(fā)展趨勢(shì)，地下綜合管廊預(yù)制拼裝能夠大幅降低施工成本，提高施工質(zhì)量，節(jié)約施工工期。預(yù)制拼裝地下綜合管廊由預(yù)制鋼筋混凝土管廊節(jié)段通過膠粘劑拼接、預(yù)應(yīng)力張拉而成，膠粘劑除了起到粘結(jié)作用外，還起到填充、密封、抗?jié)B和找平等作用[2]。由于管廊拼接完成之后，需要承受高強(qiáng)的張拉預(yù)應(yīng)力作用，所以采用的粘結(jié)劑必須具有較高的抗壓、抗剪、抗拉強(qiáng)度以及較高的粘結(jié)強(qiáng)度，以使膠接接頭在長時(shí)間內(nèi)能承受高強(qiáng)的抗壓及抗剪荷載。地下綜合管廊面臨復(fù)雜的地下腐蝕環(huán)境，為防止接頭腐蝕，對(duì)粘結(jié)劑的耐久性也具有較高的要求[3]。傳統(tǒng)的環(huán)氧建筑結(jié)構(gòu)膠粘劑不能滿足綜合管廊節(jié)段拼接的特殊要求，因此，需要針對(duì)這一需求，開發(fā)新型的地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑，以滿足地下綜合管廊日益發(fā)展的需求。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂：E-51，環(huán)氧值為0.48～0.54 mol/100 g，粘度為10～11 Pa·s），工業(yè)級(jí)，南通星辰合成材料有限公司；固化劑：593（二亞乙烯三胺與丁基縮水甘油醚加成物，活潑氫當(dāng)量為54.3，粘度為100～150 mPa·s，工業(yè)級(jí)，廣州市業(yè)增化工有限公司；液體丁腈橡膠（端環(huán)氧基）：環(huán)氧值為0.0625mol/100g，粘度為500Pa·s，工業(yè)級(jí)，北京德沃特化工科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-560，工業(yè)級(jí)，湖北楚盛威化工有限公司；水泥：P·O 42.5，上海金山水泥廠；石英粉：2000目，工業(yè)級(jí)，梧州市穎豐礦業(yè)有限責(zé)任公司；碳纖維：平均長度3 mm，工業(yè)級(jí)，南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

JB90-SH型數(shù)顯恒速攪拌器，上海標(biāo)本模型廠；ZWICK ZO 20/TN25型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，德國ZWICK/ROELL集團(tuán)公司；RSW-10KN蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，長春市智能儀器設(shè)備有限公司。

1.3 膠粘劑的制備

1.3.1 基本配合比（見表1）。

表1 環(huán)氧膠粘劑的基本配合比 g

1.3.2 膠粘劑的制備方法

（1）A組分的制備：將環(huán)氧樹脂、液體丁腈橡膠按設(shè)計(jì)配合比在攪拌機(jī)（設(shè)置轉(zhuǎn)速為800r/min）上分散均勻，制得A組分。

（2）C組分的制備：將125 g水泥和150 g石英粉混合均勻，在105℃的烘箱中加熱10 min，取出，邊翻動(dòng)邊用霧狀噴壺噴入4 g經(jīng)5 ml甲醇稀釋的硅烷偶聯(lián)劑KH-560，加完后，繼續(xù)在烘箱中加熱15 min，關(guān)掉烘箱冷卻至室溫，然后按設(shè)計(jì)配合比加入碳纖維，混合均勻，制得C組分。

（3）膠粘劑的制備：將 A、B、C 三組分按（100～110）∶28∶（125～325）的質(zhì)量比在攪拌機(jī)（設(shè)置轉(zhuǎn)速為400 r/min）上分散均勻，即制得所述膠粘劑。

1.4 性能測(cè)試方法

（1）抗流淌性：在干凈光滑的玻璃板表面涂刷一寬高尺寸為5 cm×5 cm，厚度為1.6 mm的膠層，垂直放置30 min后，測(cè)試膠粘劑的流淌距離，作為抗流淌性指標(biāo)。

（2）適用期：參照GB/T 7123.1—2015《多組分膠粘劑可操作時(shí)間的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

（3）抗壓、抗拉及抗彎強(qiáng)度：參照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

（4）拉伸抗剪強(qiáng)度：參照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》進(jìn)行測(cè)試。

（5）正拉粘結(jié)強(qiáng)度：參照GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中附錄G《粘結(jié)材料粘合加固材與基材的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)室測(cè)定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，粘結(jié)基材為C40混凝土。

（6）耐濕熱老化性能試驗(yàn)：將拉伸抗剪試樣在50℃、相對(duì)溫度95%的恒溫恒濕箱中老化90 d后，冷卻至室溫進(jìn)行拉伸抗剪強(qiáng)度測(cè)試，并計(jì)算老化后拉伸抗剪強(qiáng)度降低的百分比。

（7）耐長期應(yīng)力作用能力試驗(yàn)：在（23±2）℃、（50±5）%RH環(huán)境中，采用蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)拉伸抗剪試件施加4.0 MPa剪應(yīng)力持續(xù)作用210 d，測(cè)量蠕變變形值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 填料用量對(duì)膠粘劑性能的影響

固定E-51環(huán)氧樹脂的用量為100 g、593固化劑的用量為28 g（由環(huán)氧值和活潑氫當(dāng)量計(jì)算得的理論用量），其它試驗(yàn)條件不變，填料水泥和石英粉用量對(duì)膠粘劑性能的影響見表2。

表2 填料用量對(duì)膠粘劑性能的影響

從表2可以看出，隨著水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的流掛距離不斷縮短，抗壓強(qiáng)度和拉伸抗剪強(qiáng)度先升高后下降，蠕變變形值先減小后增大，當(dāng)水泥和石英粉的用量分別為125 g、150g時(shí)，膠粘劑的抗壓強(qiáng)度和拉伸抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，蠕變變形最小。這是因?yàn)椋?/p>

（1）水泥和石英粉具有較大的比表面積，與環(huán)氧樹脂分子鏈間的接觸面積大、界面作用力強(qiáng)，隨著水泥和石英粉用量增加，環(huán)氧樹脂分子鏈間的內(nèi)摩擦力不斷增加，從而導(dǎo)致膠粘劑體系的粘度不斷提高，流掛距離不斷縮短。填料的細(xì)度越大，增稠效果越好，石英粉的細(xì)度較水泥大得多，具有更大的表面積，增稠效果也更好。

（2）水泥和石英粉都為剛性顆粒狀填料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂固化物的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)水泥和石英粉顆粒均勻分散于環(huán)氧樹脂基體中時(shí)，起到增強(qiáng)骨料的作用，從而顯著提高環(huán)氧膠粘劑的抗壓強(qiáng)度[4]。所以，隨水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的抗壓強(qiáng)度不斷提高。但當(dāng)水泥和石英粉的用量分別大于125 g、150 g時(shí)，超過填料的飽和用量，過量的填料顆粒無法被環(huán)氧樹脂充分浸潤，在固化后的膠粘劑體系中形成缺陷，從而導(dǎo)致膠粘劑的抗壓強(qiáng)度下降。

（3）水泥和石英粉能顯著提高環(huán)氧樹脂分子鏈間的內(nèi)摩擦力，在承受剪切作用力時(shí)，分子鏈間的層間相對(duì)滑移力增加。所以，隨水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的拉伸抗剪強(qiáng)度不斷升高。但當(dāng)水泥和石英粉的用量分別大于125 g、150 g時(shí)，膠粘劑的粘度增加較多，對(duì)粘結(jié)基材的浸潤能力變差，從而導(dǎo)致膠粘劑的拉伸抗剪強(qiáng)度下降。

（4）水泥和石英粉能顯著提高環(huán)氧膠粘劑固化產(chǎn)物的剛性，從而降低膠粘劑在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形[5]。所以，隨水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的蠕變變形值不斷減小，耐長期應(yīng)力作用能力不斷提高。但當(dāng)水泥和石英粉的用量分別大于125 g、150 g時(shí)，超過填料的飽和用量，膠粘劑體系的均勻性變差，耐長期應(yīng)力作用能力下降，蠕變變形值開始增加。

2.2 KH-560用量對(duì)膠粘劑性能的影響

固定水泥和石英粉用量分別為125 g、150 g，其它試驗(yàn)條件不變，偶聯(lián)劑KH-560的用量對(duì)膠粘劑性能的影響見表3。

表3 KH-560用量對(duì)膠粘劑性能的影響

從表3可以看出，隨著偶聯(lián)劑KH-560用量增加，膠粘劑的適用期不斷延長，抗壓強(qiáng)度及正拉粘結(jié)強(qiáng)度先升高后下降。當(dāng)KH-560用量為3 g時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高；而當(dāng)KH-560用量為4 g時(shí)，正拉粘結(jié)強(qiáng)度最大。這是因?yàn)椋?/p>

（1）偶聯(lián)劑KH-560與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，加入環(huán)氧樹脂后，環(huán)氧樹脂被稀釋，固化反應(yīng)速率降低；偶聯(lián)劑KH-560的分子結(jié)構(gòu)中還含有醚鍵，對(duì)環(huán)氧基團(tuán)的固化具有抑制作用[6]。所以，隨偶聯(lián)劑KH-560用量增加，膠粘劑的固化反應(yīng)速率下降，適用期不斷延長。

（2）偶聯(lián)劑的分子特點(diǎn)是在有機(jī)環(huán)氧樹脂與無機(jī)填料界面間起相容劑作用，提高有機(jī)環(huán)氧樹脂與無機(jī)填料界面間的作用力，從而提高環(huán)氧膠粘劑微觀體系的均勻性。所以，隨偶聯(lián)劑用量增加，無機(jī)填料與環(huán)氧樹脂間的相容性不斷增加，膠粘劑的抗壓強(qiáng)度不斷升高。當(dāng)偶聯(lián)劑用量為3 g時(shí)，在無機(jī)填料顆粒表面形成一層均勻的有機(jī)膜層，與環(huán)氧樹脂的相容性最好，抗壓強(qiáng)度取得最大值。當(dāng)偶聯(lián)劑用量超過3 g時(shí)，過量的偶聯(lián)劑分子游離分散于環(huán)氧樹脂基體中，破壞了膠粘劑固化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)整性，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。

（3）當(dāng)偶聯(lián)劑用量為4 g時(shí)，正拉粘結(jié)強(qiáng)度取得最大值，這表明過量的偶聯(lián)劑分子能夠遷移到粘結(jié)基材界面與混凝土表面的羥基發(fā)生水解、交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)鍵合，從而提高膠粘劑與混凝土界面間的粘結(jié)強(qiáng)度[7]。當(dāng)偶聯(lián)劑用量超過4 g時(shí)，過量的偶聯(lián)劑分子在粘結(jié)界面形成應(yīng)力薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致正拉粘結(jié)強(qiáng)度開始下降。

綜合考慮正拉粘結(jié)界面的破壞形式，偶聯(lián)劑KH-560的最佳用量為4 g。

2.3 液體丁腈橡膠用量對(duì)膠粘劑抗彎性能的影響

固定水泥和石英粉的用量分別為125 g、150 g，偶聯(lián)劑KH-560的用量為4 g，其它試驗(yàn)條件不變，液體丁腈橡膠用量對(duì)膠粘劑抗彎性能的影響見表4。

表4 液體丁腈橡膠用量對(duì)膠粘劑抗彎性能的影響

從表4可以看出，隨著液體丁腈橡膠用量增加，膠粘劑的抗彎強(qiáng)度先升高后下降，抗彎試樣的破壞形式由碎裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榉撬榱哑茐模?dāng)液體丁腈橡膠的用量為8 g時(shí)，抗彎強(qiáng)度取得最大值，抗彎試樣呈非碎裂破壞狀態(tài)，抗彎性能最優(yōu)。因?yàn)椋谁h(huán)氧基液體丁腈橡膠與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，能均勻分散于環(huán)氧樹脂中，在固化過程中，液體丁腈橡膠的端環(huán)氧基和環(huán)氧樹脂中其它的環(huán)氧基一樣在固化劑的作用下發(fā)生開環(huán)加成反應(yīng)，成為環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一部分，固化結(jié)束后，彈性的橡膠鏈段析出，形成以剛性的環(huán)氧樹脂固化物為連續(xù)相，彈性橡膠粒子為分散相的“海島結(jié)構(gòu)”，承受應(yīng)力作用時(shí)，“海島結(jié)構(gòu)”能有效誘導(dǎo)試樣變形的產(chǎn)生，從而顯著提高固化后的環(huán)氧膠粘劑的韌性[8]。所以，隨液體丁腈橡膠用量增加，膠粘劑的韌性不斷提高，抗彎強(qiáng)度不斷增加，抗彎試樣發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變。但由于液體丁腈橡膠的剛性較小，當(dāng)液體丁腈橡膠用量超過8 g時(shí)，膠粘劑體系的剛性下降較多，抗彎強(qiáng)度開始下降。所以，液體丁腈橡膠的最佳用量為8 g。

2.4 碳纖維用量對(duì)膠粘劑性能的影響

固定液體丁腈橡膠的用量為8 g，其它試驗(yàn)條件不變，碳纖維用量對(duì)膠粘劑性能的影響見表5。

表5 碳纖維用量對(duì)膠粘劑性能的影響

從表5可以看出，隨著碳纖維用量增加，膠粘劑的流掛距離不斷縮短，抗拉強(qiáng)度先升高后降低，拉伸抗剪強(qiáng)度降低百分比先降低后升高，當(dāng)碳纖維用量為6 g時(shí)，膠粘劑的流掛距離為0，抗拉強(qiáng)度取得最大值，拉伸抗剪強(qiáng)度降低百分比最小，耐濕熱老化性能最好。這是因?yàn)椋?/p>

（1）碳纖維與環(huán)氧樹脂相容性好、尺寸長，表面能吸附大量的環(huán)氧樹脂分子鏈，起到“加筋抗流淌”作用，從而顯著縮短膠粘劑的流掛距離[5]。所以，隨碳纖維用量增加，膠粘劑的流掛距離不斷縮短。

（2）碳纖維的尺寸較長，且具有極高的抗拉強(qiáng)度，均勻分散于環(huán)氧樹脂中時(shí)，形成以環(huán)氧樹脂為連續(xù)相、碳纖維為分散相的增強(qiáng)體系，從而顯著提高膠粘劑的抗拉強(qiáng)度[9]。所以，隨碳纖維用量增加，膠粘劑的抗拉強(qiáng)度不斷升高。但當(dāng)碳纖維用量超過6 g時(shí)，用量過多，碳纖維在粘稠的膠粘劑體系中無法完全伸展，形成蜷曲結(jié)構(gòu)，分散應(yīng)力作用的能力大大降低，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度開始下降。

（3）碳纖維的表面能低，與水的潤濕性差，呈現(xiàn)出疏水特性，因此能顯著提高環(huán)氧膠粘劑的疏水性[10]。所以，隨碳纖維用量增加，膠粘劑的耐濕熱老化能力增加，拉伸抗剪強(qiáng)度降低百分比不斷降低。但當(dāng)碳纖維用量超過6 g時(shí)，膠粘劑體系中環(huán)氧樹脂相對(duì)含量下降較多，阻隔性能開始下降，所以，當(dāng)碳纖維用量超過6 g時(shí)，隨碳纖維用量繼續(xù)增加，膠粘劑的耐濕熱老化能力開始下降（拉伸抗剪強(qiáng)度降低百分比升高）。所以，碳纖維的最佳用量為6 g。

2.5 膠粘劑的最優(yōu)配合比及性能

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，制備的環(huán)氧膠粘劑的最優(yōu)配合比為m（E-51環(huán)氧樹脂）∶m（593固化劑）∶m（KH-550）∶m（液體丁腈橡膠）∶m（水泥）∶m（石英粉）∶m（碳纖維）=100∶28∶4∶8∶125∶150∶6。最優(yōu)配合比時(shí)，膠粘劑的性能測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的性能

從表6可以看出，制備的環(huán)氧膠粘劑各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的要求。

3 結(jié)論

（1）水泥和石英粉為剛性顆粒狀填料，能顯著提高環(huán)氧膠粘劑的剛性，從而提高環(huán)氧膠粘劑的抗壓強(qiáng)度、拉伸抗剪強(qiáng)度和耐長期應(yīng)力作用能力。水泥和石英粉的最佳用量分別為125 g、150 g。

（2）彈性的液體丁腈橡膠鏈段從固化后的膠粘劑體系中析出，形成“海島結(jié)構(gòu)”，能有效誘導(dǎo)膠粘劑試樣產(chǎn)生變形，從而顯著提高固化后的環(huán)氧膠粘劑的韌性。液體丁腈橡的最佳用量為8 g。

（3）制備的環(huán)氧膠粘劑的最優(yōu)配合比為m（E-51環(huán)氧樹脂）∶m（593固化劑）∶m（KH-550）∶m（液體丁腈橡膠）∶m（水泥）∶m（石英粉）∶m（碳纖維）=100∶28∶4∶8∶125∶150∶6。制備的環(huán)氧膠粘劑涂膠層厚≥1.6 mm時(shí)不流掛，施工適用期為50 min，抗拉強(qiáng)度為34 MPa，抗彎強(qiáng)度為50 MPa（呈非碎裂破壞狀態(tài)），抗壓強(qiáng)度為88 MPa，拉伸抗剪強(qiáng)度為16 MPa，正拉粘結(jié)強(qiáng)度為4.0 MPa（為混凝土內(nèi)聚破壞），濕熱老化拉伸抗剪強(qiáng)度降低百分比為8.2%，耐長期應(yīng)力蠕變變形值為0.3 mm，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的要求。

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