水下環(huán)氧樹脂固化劑在水利工程應(yīng)用中的技術(shù)與性能

王衛(wèi)軍

摘要：傳統(tǒng)的固化劑只適用于干燥的粘接物上，隨著我國(guó)固化劑的不斷更新、升級(jí)，水下也可以是用固化劑。本文將主要研究水下環(huán)氧樹脂固化劑應(yīng)用于水利工程中，因?yàn)樗こ痰陌l(fā)展能夠?qū)ξ覈?guó)的經(jīng)濟(jì)、生活起到直接的促進(jìn)作用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法，研究七種不同的水下環(huán)氧樹脂固化劑的黏度、凝膠時(shí)間、拉伸剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，每種固化劑都有其各自的不同性能。研究結(jié)論表明：膠粘劑的黏度與剪切破壞應(yīng)力成正比關(guān)系，所以需要將高黏度和低黏度的固化劑進(jìn)行復(fù)配，制作出黏度小、剪切破壞應(yīng)力大的膠粘劑;凝膠時(shí)間在1h左右是最為合適的，301P固化劑的凝膠時(shí)間正好為1h;301P和810這兩種固化劑的剪切強(qiáng)度最大;膠粘劑的壓縮強(qiáng)度普遍比剪切強(qiáng)度要高。綜合7種固化劑的性能，可以得出301P固化劑較為適合應(yīng)用于水利工程中，能起到很好的粘接性能，而且也有利于施工。

關(guān)鍵詞：水利工程;水下環(huán)氧樹脂固化劑;性能

中圖分類號(hào)：TQ323.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0005-04

水利工程在我國(guó)扮演著越來(lái)越重要的角色，直接對(duì)我國(guó)的人民生活起到直接或間接的影響，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也起到一定的促進(jìn)作用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)水利工程的要求也越來(lái)越高。膠粘劑在建筑行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，但是膠粘劑比較適合應(yīng)用于干燥清潔的物體上，對(duì)于水利工程使用膠粘劑還不夠成熟。一般的環(huán)氧樹脂固化劑也只適合于用在干燥的環(huán)境中，當(dāng)粘接表面遇到水時(shí)就會(huì)對(duì)粘接強(qiáng)度起到很大的降低影響，最糟糕的情況就是無(wú)法進(jìn)行粘接。所以水下施工固化結(jié)構(gòu)膠作為建筑結(jié)構(gòu)膠中特種，能夠在水下進(jìn)行施工，并且能夠起到粘接固化的作用，能夠在水利工程或者其他帶水的粘接工程中使用[1]。

就目前國(guó)內(nèi)外而言，環(huán)氧樹脂固化劑的種類還不是很多，有親水性水下固化劑和憎水性水下固化劑兩大類[2]。其中親水性的有I965，憎水性的比較多，有1363B、810等，對(duì)于每種固化劑而言，都有其不一樣的特性。固化劑的作用就是起到固化的作用，一般情況下是作為添加物加入到其他的膠粘劑、涂料等物質(zhì)中作為固化作用。所以研究環(huán)氧樹脂固化劑的性能是通過(guò)研究膠粘劑進(jìn)行的，因?yàn)槟z粘劑中的一個(gè)主要成分就是固化劑，當(dāng)然還有其他的填料、偶聯(lián)劑等成分。但是水下固化劑基本上是決定了膠粘劑的水下性能。

本文通過(guò)研究7種不同的固化劑，研究它們的黏度、凝膠時(shí)間、剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，比較哪種固化劑更適合應(yīng)用于水利工程

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)所用到的主要材料有：固化劑，環(huán)氧樹脂，增韌劑，偶聯(lián)劑，促進(jìn)劑，填料。本文選擇了幾種固化劑，分別為：JA-IS、Surwet-R、1965、P117、301P、1363B、810。研究這幾種固化劑目的在于檢驗(yàn)不同的固化劑的水下性能。

實(shí)驗(yàn)所用到的主要儀器有：電動(dòng)攪拌機(jī)，用于將材料進(jìn)行均勻攪拌;旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)量固化劑的黏度;電子天平，用來(lái)按照準(zhǔn)確的比例混合材料;秒表，用于計(jì)算固化劑凝膠時(shí)間;萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，用來(lái)測(cè)試膠粘劑的壓縮強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度;研磨機(jī)，用來(lái)將材料進(jìn)行研磨粉碎。通過(guò)對(duì)這些儀器的使用，能夠檢驗(yàn)水下環(huán)氧樹脂固化劑的性能。

1.2實(shí)驗(yàn)制備

由于固化劑是發(fā)生固化的必要添加物，一般不能單獨(dú)進(jìn)行使用，都是加入到膠粘劑、涂料等作為固化作用。所以本文研究環(huán)氧樹脂固化劑也是通過(guò)將其加入到膠粘劑中進(jìn)行分析其性能。膠粘劑的必要組成成分是固化劑，在制備膠粘劑時(shí)首先將環(huán)氧樹脂、填料和增韌劑按照一定的比例用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，然后將其用研磨機(jī)進(jìn)行研磨1h后，作為一組備用材料，也稱為甲組分;再就是將固化劑、填料和促進(jìn)劑等也按照一定的比例進(jìn)行均勻混合，其中每種固化劑分別與其他成分進(jìn)行混合，該為第二組材料，也稱為乙組分。最后按照一定的說(shuō)明將兩組的備用材料按照一定的比例進(jìn)行混合，其中因?yàn)槊拷M固化劑不一樣，所以比例也會(huì)出現(xiàn)不一樣，需要根據(jù)實(shí)際的說(shuō)明進(jìn)行調(diào)配，即可制成七種不同的膠粘劑用于實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1水下環(huán)氧樹脂固化劑的黏度

由于固化劑的類型不一樣，所以制成的膠粘接的黏度也是存在差別的。通過(guò)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的使用，根據(jù)GB/T 2794—1995標(biāo)準(zhǔn)[3]，需要選擇合適的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子，然后測(cè)量七種不同的膠粘劑黏度，其結(jié)果如表1所示。從下表中可以看出來(lái)，含有憎水性固化劑的膠粘劑相對(duì)于親水性固化劑的膠粘劑的黏度較大。所以對(duì)于水利工程，會(huì)長(zhǎng)期的與水進(jìn)行接觸，所以選擇憎水性的固化劑更為適合。

文章假設(shè)膠粘劑時(shí)黏性流體，即以牛頓模型為理論依據(jù)，利用膠粘劑粘接的物體如果受到外力的作用，不會(huì)對(duì)粘接面產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，更不會(huì)對(duì)界面造成直接的破壞，所以剪切破壞應(yīng)力公式如（1）所示[4]。

D為轉(zhuǎn)速梯度;υ：構(gòu)件的移動(dòng)速度;η為膠粘劑的黏度;h為膠粘劑涂層的厚度;t、x為膠粘劑在受到外力的作用下的移動(dòng)時(shí)間和距離;ε為膠層單位厚度的位移。

從公式（1）可以看出，剪切破壞應(yīng)力與構(gòu)件移動(dòng)速度、膠粘劑涂抹厚度和膠粘劑黏度等有著必要的關(guān)系。膠粘劑的黏度與剪切破壞應(yīng)力成正比的關(guān)系，當(dāng)黏度越來(lái)越大時(shí)，應(yīng)力也會(huì)越來(lái)越大。從表1中可以看出固化劑P117、301P、Surwet-R、1363B這4種的黏度是比較大的，所以從公式（1）可以得出這4種的膠粘劑的剪切破壞應(yīng)力也會(huì)比較強(qiáng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因就是在水下進(jìn)行膠粘劑的粘接，這種粘接過(guò)程可以視為2個(gè)過(guò)程，①將膠粘劑附著在粘接物的表面進(jìn)行浸潤(rùn)過(guò)程，②水向膠粘劑擴(kuò)散從而發(fā)生結(jié)合的過(guò)程。當(dāng)黏度越來(lái)越大時(shí)，被粘接物的表面膠粘劑就很那對(duì)其進(jìn)行浸潤(rùn)，當(dāng)粘接面富含有水分時(shí)，就會(huì)更難對(duì)被粘接無(wú)進(jìn)行浸潤(rùn)。從表1中可以看出另外3種固化劑的黏度是比較小的，所以被粘接物的表面用上膠粘劑就容易進(jìn)行浸潤(rùn)，但是其剪切破壞應(yīng)力也較小。所以可以將高黏度和低黏度的固化劑進(jìn)行復(fù)配，制作出合適的黏度，既能夠讓被粘接物的粘接劑能夠很好進(jìn)浸潤(rùn)，又能夠達(dá)到較高的剪切破壞應(yīng)力。這樣的膠粘劑更有利于水利工程的發(fā)展。

2.2環(huán)氧樹脂固化劑的水下凝膠時(shí)間

不同固化劑的膠粘劑固化時(shí)間是不一樣的，當(dāng)膠粘劑在水利工程中應(yīng)用時(shí)，如果固化的時(shí)間比較長(zhǎng)，其粘接環(huán)境又是在水下，所以時(shí)間過(guò)程，其膠粘劑的表面活性劑、固化劑等物質(zhì)將會(huì)與水進(jìn)行融合，而且填料是屬于吸水性也將會(huì)失去其作用，水分也會(huì)進(jìn)入到粘接面處，從而將會(huì)很大程度的影響膠粘劑的粘接強(qiáng)度和其他的性能;如果固化時(shí)間很快，就不利于操作人員施工，還沒(méi)施工完成就已經(jīng)固化，這樣也是不利于工程質(zhì)量的，而且固化時(shí)間太快，有機(jī)胺還沒(méi)有徹底的反應(yīng)完全，也不利于水利工程的后期粘接強(qiáng)度。所以說(shuō)，固化時(shí)間過(guò)快或者過(guò)慢都是不利于膠粘劑的性能，需要制定一個(gè)合適的環(huán)氧樹脂固化劑水下凝膠時(shí)間比較重要。

于是通過(guò)上文中制備的甲組份和乙組份的比例，看其水下凝膠時(shí)間的長(zhǎng)短。甲組份和乙組份的比例是根據(jù)生產(chǎn)廠家推薦的比例進(jìn)行調(diào)配的。表2即為環(huán)氧樹脂固化劑的水下凝膠時(shí)間。

從表2中可以看出，Surwet-R的凝膠時(shí)間為150min，I965的凝膠時(shí)間為180min，這兩種固化劑的凝膠時(shí)間太長(zhǎng)，不利于水利工程進(jìn)行水下膠粘劑的使用，影響膠粘劑的粘接強(qiáng)度。810這種固化劑的凝膠時(shí)間為38min，凝膠時(shí)間又太短，不利于工作人員的水下施工操作。一般情況下，凝膠時(shí)間在1h作用是最為合適的，既能夠滿足施工人員的操作時(shí)間，又能夠粘接面的影響較小，能夠保障膠粘劑粘接物的粘接強(qiáng)度。

2.3環(huán)氧樹脂固化劑的水下拉伸剪切強(qiáng)度

在水利工程中運(yùn)用環(huán)氧樹脂膠粘劑大部分情況下都會(huì)與水進(jìn)行接觸，要想膠粘劑在水下能夠發(fā)揮較好的粘接強(qiáng)度，必須要解決掉被粘接物的表面存在的水膜，因?yàn)檫@種水膜的存在就會(huì)影響環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘接強(qiáng)度，水膜會(huì)讓膠粘劑很難粘貼在膠粘面處，就難以發(fā)揮膠粘的作用，也不利于施工[5]。而且膠粘劑要直接與被膠粘物進(jìn)行直接的接觸才能發(fā)揮粘接作用，兩者之間隔著水膜，就阻止了兩者進(jìn)行直接的接觸，粘接強(qiáng)度就會(huì)大打折扣。解決水膜可以通過(guò)使用憎水性固化劑進(jìn)行排除，然后使用吸水性的填料將粘接面的水膜進(jìn)行吸干，但是這種方式也會(huì)存在一定的問(wèn)題，就是當(dāng)選擇好越強(qiáng)的憎水性的膠粘劑時(shí)，這種膠粘劑就很難在粘接表面進(jìn)行涂抹，對(duì)粘接強(qiáng)度也不利。

通過(guò)使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可以測(cè)得7種環(huán)氧樹脂固化劑的水下拉伸剪切強(qiáng)度。圖1就是其中測(cè)得的結(jié)果。通過(guò)圖1柱狀圖的展示，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)加入301P和810這兩種固化劑的膠粘劑的剪切強(qiáng)度時(shí)非常高的，而P117的膠粘劑的剪切強(qiáng)度時(shí)非常小的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是P117的黏度在這7種膠粘劑中黏度是最大的，憎水性也非常的好，但是也不利于水利工程的水下應(yīng)用，因?yàn)檫@種膠粘劑的施工難度非常的大。810這種固化劑其他方面的性能都不錯(cuò)，就是其凝膠時(shí)間過(guò)短，工作人員沒(méi)有充足的時(shí)間用于施工。301P這種的固化劑比較適合水利工程的水下應(yīng)用，因?yàn)檫@兩種固化劑的剪切強(qiáng)度比較高，而且其凝膠時(shí)間也不長(zhǎng)不短，正好是最優(yōu)的1h，并且本身具有一定的憎水性。

2.4環(huán)氧樹脂固化劑水下壓縮強(qiáng)度

水利工程很容易收到水的壓力，本節(jié)通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹脂固化劑進(jìn)行壓縮強(qiáng)度的測(cè)量，能夠明確知道其中不同固化劑的最大壓縮應(yīng)力。而且壓縮強(qiáng)度是衡量建筑使用膠粘劑的性能的重要方式之一，再加上水利工程的工作環(huán)境比較特殊，很多的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)直接與水進(jìn)行接觸，也會(huì)直接收到水對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力。所以對(duì)環(huán)氧樹脂固化劑的水下壓強(qiáng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)哪種固化劑更合適應(yīng)用于水利工程。圖2即為7種不同固化劑的水下壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的柱狀圖。

將圖1和圖2進(jìn)行對(duì)比，可以看出膠粘劑的水下壓縮強(qiáng)度比剪切強(qiáng)度要高，其中只有I965這種固化劑的膠粘劑的壓縮強(qiáng)度比剪切強(qiáng)度低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于在進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，不會(huì)受到水膜對(duì)粘接面粘接的影響，只需要固化劑的憎水性比較好，就能夠達(dá)到壓縮強(qiáng)度比較大的現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水下環(huán)氧樹脂固化劑是一種能夠加入到膠粘劑中用做水利工程的物質(zhì)，在水下也能夠起到很好的粘接效果，相對(duì)于傳統(tǒng)的固化劑，這種水下環(huán)氧樹脂固化劑的適用范圍更加的廣闊，在水利工程能夠發(fā)揮很好的作用。通過(guò)本文對(duì)七種固化劑的性能研究，可以反應(yīng)出不同的固化劑會(huì)有不同的水下性能，有的固化劑的黏度較小，有的固化劑黏度較大，都不適合于應(yīng)用在水利工程中，但是可以將黏度大的和黏度小的固化劑進(jìn)行配置，從而制出黏度較為適中的固化劑。從實(shí)驗(yàn)中可以看到，Surwet-R和I965的凝膠時(shí)間都太長(zhǎng)，一般最優(yōu)的凝膠時(shí)間在1h作用，所以301P和JA-IS的凝膠時(shí)間是最佳的，但是JA-IS拉伸剪切強(qiáng)度比較小，在水利工程中不能承受較大的剪切強(qiáng)度。所以綜合來(lái)看，在這7種固化劑中，301P這種固化劑的綜合性能比較好，在水利工程中更能起到很好的粘接強(qiáng)度和到達(dá)其他的性能要求。

參考文獻(xiàn)

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