固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠性能的影響研究

周洪芝，羅仕剛，薛雪雪，魏瑩，姚淑芳，陸栩梁

（1.卡本科技集團(tuán)股份有限公司，天津 300385；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.建研院檢測中心有限公司，北京 100013；4.浙江交工高等級公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 311101）

0 前言

預(yù)制節(jié)段拼接工藝是將橋梁的梁體劃分為若干節(jié)段箱粱，在制梁場預(yù)制后運(yùn)到橋位進(jìn)行組拼，通過施加預(yù)應(yīng)力將節(jié)段整體拼接成橋的施工工藝。由于節(jié)段箱梁已在制梁廠提前預(yù)制，這種新型的施工工藝具有施工簡單、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益好、箱梁外觀質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)橋梁工業(yè)化進(jìn)程中被廣泛應(yīng)用[1-4]。

預(yù)制節(jié)段拼接工藝中，接縫的處理是施工的重點(diǎn)。按接縫處理方式的不同，分為以下3種：干接縫、濕接縫和膠接縫。干接縫由于不能為后張預(yù)應(yīng)力筋提供有效的防護(hù)而被禁止使用；濕接縫是指在箱梁之間預(yù)留間隙，重新澆筑混凝土的接縫處理方式；膠接縫是指在2個相鄰箱梁之間涂抹環(huán)氧膠粘劑，施加預(yù)應(yīng)力，待膠粘劑固化后，形成統(tǒng)一整體的接縫處理方式。相比于濕接縫，膠接縫處理方式具有施工簡單，等待周期短，對環(huán)境影響較小等優(yōu)勢，而且膠接縫采用的環(huán)氧膠粘劑具有優(yōu)異的本體強(qiáng)度以及粘結(jié)能力，使得膠接縫在預(yù)制節(jié)段拼裝工藝中被大范圍使用[5-9]。

應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼裝的環(huán)氧類膠粘劑（以下簡稱預(yù)制節(jié)段拼接膠），在節(jié)段施工中，填充拼接縫，密封防水，防止預(yù)應(yīng)力索銹蝕，保證箱梁整體良好的防滲水性能[10-12]。預(yù)制節(jié)段拼接膠是節(jié)段接縫處理的關(guān)鍵粘結(jié)密封材料，其性能的可靠性直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。預(yù)制節(jié)段拼接膠按適用施工現(xiàn)場環(huán)境溫度分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，溫度范圍分別對應(yīng)5～20、15～30、25～40℃。2020年3月，國內(nèi)首部關(guān)于預(yù)制節(jié)段拼接膠的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 10080—2020《預(yù)制節(jié)段拼裝用環(huán)氧膠粘劑》發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)明確了預(yù)制節(jié)段拼接膠的分類及標(biāo)記，規(guī)范了預(yù)制節(jié)段拼接膠的檢驗(yàn)規(guī)則及材料性能指標(biāo)[13-14]。在預(yù)制節(jié)段拼接膠配方設(shè)計中，固化體系一直是膠粘劑配方設(shè)計的核心，直接決定膠粘劑的性能。為此，依據(jù)T/CECS 10080—2020，通過研究不同固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠工藝性能、粘結(jié)性能的影響，確定了滿足3種不同應(yīng)用溫度范圍要求的固化體系。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂：CYD-128，工業(yè)級，中國石油化工股份有限公司巴陵分公司；改性脂肪胺固化劑G1、改性脂環(huán)胺固化劑G2、改性聚酰胺固化劑G3、改性芳香胺固化劑G4：工業(yè)級，市售；觸變劑：疏水型氣相二氧化硅，H-18，工業(yè)級，上海外電國際貿(mào)易有限公司；硅微粉：DG400，工業(yè)級，江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司；稀釋劑：1，4-丁二醇二縮水甘油醚，622，工業(yè)級，安徽新遠(yuǎn)科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH560，工業(yè)級，湖北新藍(lán)天新材料股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

雙行星動力混合機(jī)：5 L，佛山市金銀河智能裝備股份有限公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)：UTM5105SLXY，深圳三思縱橫科技股份有限公司；電子秤：YP3001N，上海力辰儀器科技有限公司；恒溫恒濕箱：HWS-70BX，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 制備方法

1.3.1 預(yù)制節(jié)段拼接膠A組份的制備

按表1配方，將環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、KH-560加入雙行星動力混合機(jī)中，常溫常壓下低速攪拌分散10 min；再加入相應(yīng)數(shù)量的觸變劑，中速攪拌分散30 min；然后再加入相應(yīng)數(shù)量的硅微粉，低速攪拌分散10 min；抽真空脫泡，同步高速攪拌分散30 min，即制得預(yù)制節(jié)段拼接膠A組份。

表1 A組份的配方

1.3.2 預(yù)制節(jié)段拼接膠B組份的制備

胺類固化劑采用復(fù)配方式，不同固化體系的復(fù)配方案見表2。按表3配方，將胺類固化劑加入雙行星攪拌釜中，加入觸變劑，中速攪拌分散30 min；然后加入相應(yīng)數(shù)量的硅微粉，低速攪拌分散10 min；抽真空脫泡，同步高速攪拌分散30 min，即制得預(yù)制節(jié)段拼接膠B組份。

表2 不同胺類固化劑及其復(fù)配方案

1.3.3 預(yù)制節(jié)段拼接膠的制備

將制備好的A組份和B組份按相應(yīng)的質(zhì)量比攪拌混合均勻，即制得預(yù)制節(jié)段拼接膠。

1.4 測試與表征

1.4.1 粘結(jié)性能測試

混凝土與混凝土對粘彎曲性能：按照T/CECS 10080—2020中的6.4.3進(jìn)行測試；混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度：按照T/CECS 10080—2020中的6.4.4進(jìn)行測試；鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度：按照GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定（剛性材料對剛性材料）》進(jìn)行測試。

1.4.2 工藝性能測試

可施膠時間：按照T/CECS 10080—2020中的6.3.2進(jìn)行測試；可粘接時間：按照T/CECS 10080—2020中的6.3.3進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對粘彎曲性能的影響

預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對粘彎曲性能是指以預(yù)制節(jié)段拼接膠為粘結(jié)材料膠結(jié)2個尺寸相同的混凝土試塊，養(yǎng)護(hù)到期后，試件四點(diǎn)彎曲受壓，觀察試件的破壞形式，以此模擬測試預(yù)制節(jié)段拼接膠對兩節(jié)段的膠結(jié)效果。T/CECS 10080—2020規(guī)定，預(yù)制節(jié)段拼接膠的對粘彎曲性能測試的破壞形式應(yīng)為混凝土內(nèi)聚破壞。

經(jīng)測試，1#～10#固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對粘彎曲性能測試的試件破壞形式均為混凝土內(nèi)聚破壞。表明預(yù)制節(jié)段拼接膠對混凝土具有可靠的膠結(jié)效果。這是由于上述預(yù)制節(jié)段拼接膠是環(huán)氧類膠粘劑，是以環(huán)氧樹脂胺類固化劑為膠凝材料的新型加固材料，相比于混凝土這種以水泥為膠凝材料的傳統(tǒng)建筑材料，其自身粘結(jié)能力更高。正拉粘結(jié)測試結(jié)果表明，常見的混凝土本體正拉粘結(jié)強(qiáng)度在1.0～5.0 MPa，而預(yù)制節(jié)段拼接膠的本體正拉粘結(jié)強(qiáng)度均在15 MPa以上，預(yù)制節(jié)段拼接膠的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土。因此，以預(yù)制節(jié)段拼接膠為粘接材料膠接2個混凝土試塊，四點(diǎn)彎曲受壓時，破壞均發(fā)生在混凝土內(nèi)部，這也證明了在預(yù)制節(jié)段施工時，采用膠接縫的接縫處理形式具有明顯的可靠性。

2.2 不同固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度的影響

對預(yù)制節(jié)段拼裝構(gòu)件整體進(jìn)行受力分析，箱梁-預(yù)制節(jié)段拼接膠-箱梁在接縫處受到壓縮剪切應(yīng)力作用，T/CECS 10080—2020規(guī)定，預(yù)制節(jié)段拼接膠的混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度應(yīng)不低于14 MPa。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，制備不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠壓縮剪切膠結(jié)試件，測試膠結(jié)試件的壓縮剪切強(qiáng)度，研究預(yù)制節(jié)段拼接膠的膠結(jié)效果，測試結(jié)果見表4。

表4 不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度

由表4可見，1#～10#固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度均大于14 MPa，均符合T/CECS 10080—2020規(guī)定的壓縮剪切強(qiáng)度要求。這也進(jìn)一步說明采用膠拼工藝的可靠性。

2.3 不同固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度的影響

以上所進(jìn)行的預(yù)制節(jié)段拼接膠粘結(jié)性能研究，無論是預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土對粘彎曲性能測試，還是預(yù)制節(jié)段拼接膠混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度測試，破壞形式均發(fā)生在混凝土內(nèi)部，均表明了預(yù)制節(jié)段膠拼方式的可靠性。為進(jìn)一步測試預(yù)制節(jié)段拼接膠的本體粘結(jié)強(qiáng)度，評價不同固化體系粘結(jié)效果的優(yōu)劣，依據(jù)GB/T 7124—2008制作鋼片單搭接膠接試件，測試膠粘劑鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度。不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度測試結(jié)果見表5。

表5 不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠的鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度

T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)制節(jié)段拼接膠的鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度應(yīng)不低于17 MPa。由表5可知，1#～10#固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠拉伸剪切強(qiáng)度均大于17 MPa，均符合T/CECS 10080—2020的要求。

由表4和表5可知，雖然以上配方體系的壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度均符合T/CECS 10080—2020的要求，但不同固化體系的粘結(jié)強(qiáng)度還是有著明顯的差別，而且不同固化體系的壓縮剪切強(qiáng)度和拉伸抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)有著相同的變化趨勢，整體粘結(jié)效果為：G3（改性聚酰胺）＞G1（改性脂肪胺）＞G2（改性脂環(huán)胺）＞G4（改性芳香胺）。這是因?yàn)椋篏1為改性脂肪胺固化劑，分子中含有脂肪族長鏈，具有較好的柔順性，采用G1固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，具有較好的韌性，進(jìn)行粘結(jié)能力測試時，表現(xiàn)出較好的壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度；G2為改性脂環(huán)胺固化劑，分子中含有環(huán)結(jié)構(gòu)，具有一定的剛性，采用G2固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，材料雖然具有較高的強(qiáng)度，但由于材料自身剛性較大，在進(jìn)行粘結(jié)能力測試時，壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸抗剪強(qiáng)度相比于G1固化體系要低。G3為聚酰胺固化劑，分子中存在酰胺基團(tuán)，具有較好的潤濕性以及柔順性，采用G3固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，材料具有較好的韌性以及粘附力，在進(jìn)行粘結(jié)性測試時，壓縮剪切強(qiáng)度和拉伸剪切強(qiáng)度表現(xiàn)最好。G4為改性芳香胺固化劑，分子中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，具有較大的剛性，采用G4固化劑的預(yù)制節(jié)段拼接膠，材料自身剛性較大且固化不完全，在進(jìn)行粘結(jié)能力測試時，壓縮剪切強(qiáng)度及拉伸剪切強(qiáng)度相對較低。當(dāng)單一的固化體系無法兼顧多方面性能時，可以采用固化劑復(fù)配的方式，達(dá)到需要的性能目標(biāo)。

2.4 不同固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠可施膠時間的影響

預(yù)制節(jié)段拼接膠大多在戶外施工，為保證施工的正常開展，需了解材料在特定溫度范圍內(nèi)的工藝性能，為施工提供可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)?？墒┠z時間和可粘接時間是預(yù)制節(jié)段拼接膠重要的工藝性能。可施膠時間是指在溫度段上限溫度下拌制預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體在特定容器內(nèi)升溫到規(guī)定溫度的時間，Ⅰ型和Ⅱ型需升溫到40℃，Ⅲ型升溫到60℃。T/CECS 10080—2020規(guī)定，用于預(yù)制節(jié)段拼裝施工的環(huán)氧膠粘劑，應(yīng)具有不低于20 min的可施膠時間。不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠在不同溫度段的可施膠時間測試結(jié)果見6。

表6 不同固化體系預(yù)制節(jié)段拼接膠在不同溫度段的可施膠時間

由表6可見：在5～20℃溫度段，1#、5#、6#、7#固化體系可以滿足可施膠時間大于20 min的要求；在15～30℃溫度段，2#、7#固化體系可以滿足可施膠時間大于20 min的要求；在25～40℃溫度段，2#、8#、9#固化體系可以滿足可施膠時間大于20 min的要求。

這是因?yàn)椋海?）G1為改性脂肪胺固化劑，含有多官能度的胺基，由于是長鏈脂肪胺，空間位阻低，所以G1反應(yīng)活性很高，固化速度快，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體放熱迅速，測試的可施膠時間短。（2）G2為改性脂環(huán)胺固化劑，分子中由于脂環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，反應(yīng)活性比脂肪胺低，所以G2反應(yīng)活性比G1低，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，測試可施膠時間比G1長。（3）G3為聚酰胺固化劑，固化劑中由于—CONH—的存在，H原子的反應(yīng)活性較低，固化速度較慢，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體發(fā)熱滿且放熱少，測試可施膠時間長。（4）G4為改性芳香胺固化劑，由于分子中存在的苯環(huán)共軛效應(yīng)以及苯環(huán)空間位阻效應(yīng)，導(dǎo)致改性芳香胺的反應(yīng)活性明顯比脂肪胺小，也正是由于反應(yīng)活性的明顯降低，在常溫下，改性芳香胺大多反應(yīng)不完全[15]，應(yīng)用于預(yù)制節(jié)段拼接膠，膠體放熱慢，可施膠時間很長。

2.5 不同固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠可粘接時間的影響

可粘接時間是指預(yù)制節(jié)段拼接膠在溫度段上限溫度下，被涂抹到混凝土試件上，此時開始計時，晾置一定時間后，將混凝土試件兩兩對接，進(jìn)行混凝土對混凝土對粘彎曲性能試驗(yàn)，破壞形式發(fā)生在混凝土內(nèi)部的的最長晾置時間。T/CECS 10080—2020規(guī)定，用于預(yù)制節(jié)段拼裝施工的環(huán)氧膠粘劑，應(yīng)具有不低于60 min的可粘接時間。優(yōu)選2.4中可施膠時間符合T/CECS 10080—2020要求的固化體系進(jìn)行可粘接時間測試，結(jié)果見表7。

由表6和表7可知，固化體系對預(yù)制節(jié)段拼接膠可施膠時間以及可粘接時間的影響是相同的，這是因?yàn)?，無論是可施膠時間還是可粘接時間，其內(nèi)在決定因素均是預(yù)制節(jié)段拼接膠環(huán)氧固化體系的反應(yīng)活性，可施膠時間測試為拌好的預(yù)制節(jié)段拼接膠可放置時間提供數(shù)據(jù)，可粘接時間測試為涂抹到節(jié)段箱梁上的預(yù)制節(jié)段拼接膠可等待時間提供數(shù)據(jù)，二者均體現(xiàn)了預(yù)制節(jié)段拼接膠的工藝性能，在實(shí)際工程施工中均具有重要意義。

當(dāng)采用單一類型的固化劑，其工藝性能（可施膠時間或可粘接時間）無法滿足T/CECS 10080—2020要求時，可以采用“快+慢”的固化劑復(fù)配方式，調(diào)節(jié)其固化速度，使其工藝性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表4～表7可知，5～20℃時，6#配方（50份G1+50份G3）固化體系的粘結(jié)性能最佳；15～30℃時，2#配方（100份G2）固化體系的粘結(jié)性能最佳；25～40℃時，8#配方（50份G2+50份G3）固化體系的粘結(jié)性能最佳。

3 結(jié)論

（1）采用不同固化體系的預(yù)制節(jié)段拼接膠進(jìn)行粘接性能測試表明，其混凝土與混凝土對粘彎曲性能、混凝土與混凝土壓縮剪切強(qiáng)度、鋼對鋼拉伸剪切強(qiáng)度均符合T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）不同固化體系的粘接性雖然均滿足T/CECS 10080—2020要求，但其粘結(jié)性能存在明顯差異，粘結(jié)性能排序?yàn)椋篏3＞G1＞G2＞G4。

（3）在5～20℃溫度段，采用100份G1、50份G1+50份G2、50份G1+50份G3、50份G1+50份G4固化體系時，預(yù)制節(jié)段拼接膠的可施膠時間、可粘接時間符合T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求；在15～30℃溫度段，采用100份G2、50份G1+50份G4固化體系時，可施膠時間、可粘接時間符合T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求；在25～40℃溫度段，采用100份G2、50份G2+50份G3、50份G2+50份G4固化體系時，施膠時間、可粘接時間滿足T/CECS 10080—2020標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）在5～20℃溫度，50份G1+50份G3復(fù)配固化體系的整體性能最佳；在15～30℃溫度段，100份G2的整體性能最佳；在25～40℃溫度段，50份G2+50份G3復(fù)配固化體系的整體性能最佳。