組合填料對建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能的影響

喬易飛

（新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

建筑結(jié)構(gòu)膠作為一種具有粘接性能好、良好耐疲勞和耐腐蝕等特性的粘接材料，在建筑結(jié)構(gòu)加固和改造工程中有較為廣泛的應(yīng)用，如粘鋼接骨、密封灌縫和植筋錨固等［1-2］，尤其是隨著近年來城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展和老舊社區(qū)的更新改造，建筑結(jié)構(gòu)膠的需求得到了迅速釋放，也給建筑結(jié)構(gòu)膠帶來的巨大的發(fā)展機遇。然而，目前國內(nèi)市場上應(yīng)用較多的建筑結(jié)構(gòu)膠主要依賴于進口，國內(nèi)雖然也有少數(shù)廠家投資進行了建筑結(jié)構(gòu)膠的開發(fā)與生產(chǎn)，但是整體質(zhì)量和穩(wěn)定性與國外進口結(jié)構(gòu)膠還有一定差距［3-5］。較為典型的問題是，國內(nèi)應(yīng)用較多的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠存在脆性較大，無法滿足建筑施工對強塑性的要求等［6-7］，較為可行的方法是對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠進行增韌改性處理，而目前這方面的研究報道較少［8-9］。本文嘗試以碳酸鈣和硅微粉為組合填料，并考察組合填料含量對建筑結(jié)構(gòu)膠抗壓性能和拉伸性能的影響，以期開發(fā)出具有高強塑性的建筑結(jié)構(gòu)膠，并有助于推廣其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步取代進口產(chǎn)品。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

E-44雙酚A型環(huán)氧樹脂（色澤號6、40℃時粘度為2250MPa?s、軟化點16℃、環(huán)氧值0.42eq/100g），上海凱茵化工有限公司；聚酰胺（粘度17500MPa?s、胺值420、可使用時間5h），定遠縣丹寶樹脂有限公司；593型固化劑（粘度100MPa?s、胺值550、可使用時間3h），濟南百進化工科技有限公司；偶聯(lián)劑為 KH-550硅烷偶聯(lián)劑（無色、密度0.96g/cm3、沸點218℃、閃點98℃），濟南英出化工科技有限公司；稀釋劑為501丁基縮水甘油醚（粘度4mPa?s、環(huán)氧值0.4eq/100g、有機氯0.05eq/100g、無機氯0.001eq/100g，初餾點128℃），濟南易盛樹脂有限公司；碳酸鈣（粒徑80nm、比表面積30m2/g、純度99.9%），山東今朝化工有限公司；硅微粉（粒徑2500nm、純度96.8%），山東今朝化工有限公司。

1.2 試驗設(shè)備

AT21型電子天平，梅特勒-托利多集團中國公司；LHTLHT 6/30型烘箱，弗爾德(上海)儀器設(shè)備有限公司；MTS-810型萬能拉伸試驗機，美國MTS公司；YYU-10/50型電子引伸計，鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司。

1.3 試件制備

固化劑為體積比3：2的聚酰胺和593型固化劑經(jīng)過攪拌和消泡后得到的混合物；填料為質(zhì)量比1：1的碳酸鈣和硅微粉混合物；建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能測試試件根據(jù)GB/T 2567-2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行制作，固化劑、偶聯(lián)劑和稀釋劑分別占環(huán)氧樹脂的1/2（1/3）、5%和10%，組合填料含量介于3%~15%之間。結(jié)構(gòu)膠液進行攪拌和消泡后轉(zhuǎn)入定制模具中，60℃/0.5h固化后脫模，然后進行室溫7天固化處理。

1.4 測試與表征

拉伸性能和抗壓性能：根據(jù)GB/T 2567-2008，在拉伸試驗機上進行了抗壓性能和拉伸性能測試，最終結(jié)果取5組試樣的平均值，拉伸和壓縮速率都設(shè)定為2mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1為7%組合填料的建筑結(jié)構(gòu)膠的壓應(yīng)力-橫梁位移曲線。典型抗壓過程中的壓應(yīng)力-橫梁位移曲線可分為OA、AB和BC三個階段：（1）OA階段的壓應(yīng)力-橫梁位移曲線下凸，其曲線變化主要與結(jié)構(gòu)膠的彈性變形有關(guān)，此時結(jié)構(gòu)膠表面會呈現(xiàn)逐漸有表面鼓面的現(xiàn)象；（2）AB階段的壓應(yīng)力-橫梁位移曲線上凸，這個過程中的彈性變形和塑性變形同時存在［10］，結(jié)構(gòu)膠試件表面會逐漸鼓起，并在B點時達到抗壓強度最大值，局部會出現(xiàn)細小裂縫；（3）BC階段對應(yīng)結(jié)構(gòu)膠試件的壓應(yīng)力減小階段，這個過程中，結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部裂紋等逐漸增多，抗壓強度逐漸減小，待抗壓強度降幅較快、內(nèi)部裂縫較多時（位置C處）停止加載。

圖1 7%組合填料的建筑結(jié)構(gòu)膠的壓應(yīng)力-橫梁位移曲線（固化劑占1/2）Fig. 1 Compressive stress beam displacement curve of building structural adhesive with 7% composite filler (curing agent accounts for half)

圖2為不同組合填料占比的建筑結(jié)構(gòu)膠的抗壓強度測試結(jié)果。對于未添加組合填料的結(jié)構(gòu)膠試件，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為63.48MPa和62.24MPa；當組合填料占比為3%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為77.46MPa和76.36MPa；當組合填料占比為5%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為83.32MPa和79.49MPa；當組合填料占比為7%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為79.03MPa和80.92MPa；當組合填料占比為10%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為75.74MPa和78.07MPa；當組合填料占比為15%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為74.32MPa和76.54MPa。可見，隨著組合填料占比從0%增加至15%，固化劑占1/2和固化劑占1/3的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度都呈現(xiàn)先增加后減小的特征，相應(yīng)的抗壓強度最大值分別出現(xiàn)在組合填料占比為5%和7.5%時，組合填料占比5%、固化劑占1/2的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度最大，而組合填料占比達到7.5%及以上時，相同組合填料占比且固化劑占1/3的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度要大于固化劑占1/2的結(jié)構(gòu)膠試件。此外，添加有組合填料的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度都高于未添加組合填料的試件。圖3為不同組合填料含量的建筑結(jié)構(gòu)膠的拉應(yīng)力-橫梁位移曲線，分別列出了組合填料為5%和15%時的加載曲線，固化劑占1/2。當組合填料占比為5%時［圖3(a)］，建筑結(jié)構(gòu)膠的拉應(yīng)力-橫梁位移曲線中也可見典型的三階段特征，分別為OA階段的彈性變形階段、AB階段的彈性變形和塑性變形共存階段，以及BC階段的拉應(yīng)力降低階段，在加載進行到位置C時，結(jié)構(gòu)膠試件發(fā)生斷裂。當組合填料占比為15%時［圖3(b)］，結(jié)構(gòu)膠試件的拉應(yīng)力-橫梁位移只有前兩個階段，即在開始階段拉應(yīng)力隨著橫梁位移增加而增大，結(jié)構(gòu)膠試件表現(xiàn)為彈性變形特征；第二個階段的拉應(yīng)力會隨著位移增加而持續(xù)增大，結(jié)構(gòu)膠試件同時發(fā)生彈性變形和塑性變形，當達到抗拉強度最大值時突然斷裂，拉伸試驗結(jié)束；當組合填料占比為15%時的拉應(yīng)力-橫梁位移曲線中未見載荷降低的第三個階段，這主要是因為此時組合填料較多，結(jié)構(gòu)膠試件制備過程中會形成較多的氣泡等缺陷［11］，從而在結(jié)構(gòu)膠試件內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，在加載過程中應(yīng)力集中處易于萌生裂紋并快速擴展直至斷裂［12］，這也是不同組合填料占比時結(jié)構(gòu)膠試件的加載過程的不同之處。

圖2 不同組合填料占比的建筑結(jié)構(gòu)膠的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of building structural adhesive with different proportions of composite fillers

圖3 不同組合填料含量的建筑結(jié)構(gòu)膠的拉應(yīng)力-橫梁位移曲線Fig. 3 Tensile stress beam displacement curve of building structural adhesive with different composite filler content

圖4為不同固化劑占比的建筑結(jié)構(gòu)膠的抗拉強度-組合填料含量曲線，表1中同時列出了不同組合填料含量和固化劑占比的結(jié)構(gòu)膠試件的抗拉強度和斷后伸長率測試結(jié)果?？梢?，固化劑占比1/2和1/3時，結(jié)構(gòu)膠試件抗拉強度都在組合填料含量為3%時取得最大值；在結(jié)構(gòu)膠中添加3%~15%的組合填料，試件的抗拉強度和斷后伸長率可以得到不同程度提高，即在結(jié)構(gòu)膠中添加組合填料有助于提升結(jié)構(gòu)膠試件的強塑性。

圖4 不同固化劑占比的建筑結(jié)構(gòu)膠的抗拉強度-組合填料含量曲線Fig. 4 The curve of tensile strength and composite filler content of building structural adhesive with different curing agent proportion

表1 建筑結(jié)構(gòu)膠的抗拉強度和斷后伸長率Table 1 Tensile strength and elongation of building structural adhesive

圖5為不同固化劑占比的建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸彈性模量和組合填料含量關(guān)系曲線?？梢姡敼袒瘎┱?/2時，結(jié)構(gòu)膠試件的拉伸彈性模量整體呈現(xiàn)隨著組合填料增加而先增大后減小的特征，在組合填料含量為7%時取得拉伸彈性模量最大值；當固化劑占1/3時，結(jié)構(gòu)膠試件的拉伸彈性模量整體呈現(xiàn)隨著組合填料增加而先增大后減小的特征，在組合填料含量為5%時取得拉伸彈性模量最大值。在相同組合填料含量時，固化劑占1/3的結(jié)構(gòu)膠試件的拉伸彈性模量都要高于固化劑占1/2的結(jié)構(gòu)膠試件，這也就說明，固化劑占環(huán)氧樹脂比例越大則結(jié)構(gòu)膠試件的彈性模量相對越小，剛度和抵抗變形的能力相對較??；此外，在結(jié)構(gòu)膠試件中添加3%的組合填料就可以使得結(jié)構(gòu)膠的彈性模量大幅提升，即少量組合填料的添加就可以明顯提升結(jié)構(gòu)膠試件抵抗變形的能力。

圖5 不同固化劑占比的建筑結(jié)構(gòu)膠的拉伸彈性模量和組合填料含量關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curve between tensile modulus and composite filler content of building structural adhesive with different curing agent proportion

綜合而言，在結(jié)構(gòu)膠中添加碳酸鈣和硅微粉組成的組合填料，可以明顯提升建筑結(jié)構(gòu)膠的抗壓強度、抗拉強度、斷后伸長率和彈性模量，更加有利于建筑結(jié)構(gòu)膠在實際建筑工程中的應(yīng)用，這主要是因為結(jié)構(gòu)膠彈性模量等的提高有助于粘接試件力的均勻傳播，提高整體構(gòu)件的協(xié)調(diào)變形作用［13］。

3 結(jié)論

（1）隨著組合填料占比從0%增加至15%，固化劑占1/2和1/3的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度先增加后減小，最大值分別出現(xiàn)在組合填料占比為5%和7.5%時，組合填料占比5%、固化劑占1/2的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度最大，而組合填料占比達到7.5%及以上時，相同組合填料占比且固化劑占1/3的結(jié)構(gòu)膠試件的抗壓強度要大于固化劑占1/2的結(jié)構(gòu)膠試件。

（2）固化劑占比1/2和1/3時，結(jié)構(gòu)膠試件都在組合填料含量為3%時取得抗拉強度最大值；在結(jié)構(gòu)膠中添加3%~15%的組合填料，試件的抗拉強度和斷后伸長率可以得到不同程度提高。

（3）當固化劑占1/2和1/3時，結(jié)構(gòu)膠試件的拉伸彈性模量整體隨著組合填料增加而先增大后減小，在組合填料含量分別為7%和5%時取得最大值。