建筑用改性雙酚A型環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠的制備及性能研究

李文輝

(甘肅省靜寧縣建設(shè)工程服務(wù)中心,甘肅 平?jīng)?743400)

環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠憑借其優(yōu)良的抗?jié)B耐久性、粘接密實性和防水防腐蝕性能,在工程建設(shè)中的應(yīng)用不斷增加,主要用于混凝土結(jié)構(gòu)二次結(jié)構(gòu)植筋、砼孔洞蜂窩露筋等損壞修補、裂縫修復,以及鋼結(jié)構(gòu)的粘接與地下管道壩基等接口的修補加固及密封防腐,水池、建筑內(nèi)外墻防滲、防水、防腐、防潮等修復工作。由于環(huán)氧樹脂的使用越來越廣泛,很多建筑物的植筋加固項目對它的綜合特性有了更高的需求。但環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠具有低強度性、高脆性、低 彈性模量、容易開裂和拉伸強度低等缺陷,特別是高溫情況下,結(jié)構(gòu)膠固化速率較快且凝固時間較短,整個過程不超過 30 min,正是由于該過程所經(jīng)歷時間 較短會造成工程施工困難[1]。為了進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)膠整體力學性能,需要對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠進行改性處理[2]?；诖?在結(jié)構(gòu)膠中添加納米碳酸鈣和硅微粉,通過對摻入不同原料環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠進行抗壓、抗拉、流 淌性分析,提高結(jié)構(gòu)膠抗拉、抗壓、流淌性能。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

主要材料:雙酚A型環(huán)氧樹脂,河南馳奧商貿(mào);低分子聚酸胺,上海艾研生物科技;固化劑,上海凱茵化工;偶聯(lián)劑,南京向前化工;丁基縮水甘油醚,武漢曙爾生物科技;水泥,華新水泥股份;納米碳酸鈣,上海緣江化工;硅微粉,江西宸鑫新材料。

1.2 試驗儀器及結(jié)構(gòu)膠制備

主要試驗儀器:XWB-300A型溫度測試儀,北京鑫生卓銳科技;WDW100型萬能電子實驗儀,上海五久自動化設(shè)備;JZ-A型高速分散攪拌機,北京九州晟欣科技;HCTJ-10型粘接檢測儀,深圳市沃霖電子;MTS-810型萬能拉伸機,山東萬辰試驗機;EK-i2000電子天平,杭州朗多檢測儀器;SB100燒杯,寧波金馳塑料;GG-17玻璃棒,臺州市椒江環(huán)光玻璃儀器;500X電子顯微鏡,深圳市酷凌科技。

按GB/T 2567—2008規(guī)范制備結(jié)構(gòu)膠,納米碳酸鈣、硅微粉配比為1∶1;固化劑占環(huán)氧樹脂用量的1/3和1/4,稀釋劑、偶聯(lián)劑各占環(huán)氧樹脂用量的12%和5%[3-5]。將攪拌好的膠水倒入模具中,在60 ℃下進行30 min的固化,凝固后脫模,并置于室溫下進行一星期的硬化[6]。

1.3 測定標準

通過上述獲取的改性后的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠和準備好的試驗儀器,對其進行抗拉抗壓和流淌性測定。

1.3.1抗壓抗拉性能

使用電子萬能試驗儀對結(jié)構(gòu)膠進行7 d的抗壓強度、抗拉強度和彈性模數(shù)測定,試驗測試所用裝置[7]。

結(jié)構(gòu)膠拉伸彈性模量,計算公式為:

(1)

式中:Δp表示裝置對結(jié)構(gòu)膠加載變化量;s、Δs分別表示結(jié)構(gòu)膠被拉伸量和變化量,將初始直線段斜率作為膠體拉伸彈性模量,計算結(jié)構(gòu)膠拉伸強度:

(2)

式中:q表示結(jié)構(gòu)膠被拉伸時所能承受的最大拉力荷載;h表示結(jié)構(gòu)膠長度;d表示結(jié)構(gòu)膠厚度,將結(jié)構(gòu)膠拉伸強度數(shù)值作為結(jié)構(gòu)膠最終拉伸強度測定標準值[8]。

結(jié)構(gòu)膠壓縮強度,計算公式為:

(3)

式中:p表示屈服荷載,將結(jié)構(gòu)膠抗壓強度作為結(jié)構(gòu)膠最終抗壓強度測定標準值。

1.3.2流淌性能

在測定建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠流淌性時,選擇一片光滑潔凈的150×50 mm的玻璃纖維板,并在試驗時將(40×40)mm、3 mm厚的建筑用改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠涂于模板上。在涂布完畢后,將玻璃板豎直放置30 min,以測定其流淌性。

2 試驗結(jié)果與分析

在保證工程使用期限之內(nèi)建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠不出現(xiàn)固化情況,必須保證在使用完畢后及時進行硬化,以最大速度達到所需固化強度。以垂直方式涂膠,防止結(jié)構(gòu)膠流掛,并保證涂層厚度。固化后結(jié)構(gòu)膠需要具備良好接合能力,防止接縫脫落,并具有強壓縮和拉伸能力,以保證結(jié)構(gòu)膠承受足夠強的應(yīng)力。

2.1 結(jié)構(gòu)膠抗拉抗壓試驗

2.1.1納米碳酸鈣對結(jié)構(gòu)膠抗拉強度影響

通過對結(jié)構(gòu)膠拉伸加載,得到的位移-抗拉曲線如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)膠拉伸加載曲線

由圖1可知,3%納米碳酸鈣曲線的加載過程,將試驗分為3個階段:第1階段從 O點向A1點,位移-應(yīng)力曲線呈線性變化,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出顯著彈性特性;第2階段曲線的傾斜度逐漸變小,在達到峰值以前,建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠塑性會日益顯著;第3階段加載曲線達到最高點以后,該曲線開始下降,拉伸強度逐漸減小,直到斷裂為止;第3階段曲線下降的主要原因是建筑用改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠拉伸到達最大強度時,結(jié)構(gòu)膠發(fā)生了縮頸現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)膠接觸面逐漸減小,直至斷裂為止。由圖1還可知,7%納米碳酸鈣曲線的加載過程,與大部分結(jié)構(gòu)膠不同,這一類型的加載過程可分成2個階段,與3%納米碳酸鈣曲線加載過程前2個階段類似。第1階段在OA2的初始加載作用下,位移-應(yīng)力曲線呈線性變化,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出顯著彈性特性。超過A2點后該曲線的傾斜度減小,在傾斜度由0達到B2點時,抗拉強度達到最大,結(jié)構(gòu)膠突然斷裂,第2階段加載試驗結(jié)束;7%納米碳酸鈣曲線加載過程沒有第3階段,不會出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)膠突然發(fā)生斷裂。

2.1.2硅微粉對結(jié)構(gòu)膠抗壓強度影響

通過對結(jié)構(gòu)膠壓縮加載,得到的位移-抗壓曲線如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)膠壓縮加載曲線

圖2所示硅微粉摻量為3%的結(jié)構(gòu)膠壓縮加載曲線,不同摻量硅微粉加入的建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠在加載曲線上表現(xiàn)出相似之處。將結(jié)構(gòu)膠黏接的施工工藝分成3個階段:第1階段OA1,該過程結(jié)構(gòu)膠抗壓應(yīng)力迅速升高,加載向下凸起,壓應(yīng)力比橫梁更大,而結(jié)構(gòu)膠橫梁位移則是由材料和填充物的彈性而決定的,結(jié)構(gòu)膠外觀沒有發(fā)生顯著改變。第2階段的加載曲線是凸起的,壓應(yīng)力的變化速率開始減小,結(jié)構(gòu)膠形成速率升高,壓應(yīng)力持續(xù)增大,這是一個塑性和彈性同時發(fā)生的階段,在該階段結(jié)構(gòu)膠內(nèi)有細小的氣泡沒有被充分地排放出來。該曲線上B1不光滑部分是指在結(jié)構(gòu)膠中未完全排出的空氣氣泡,在C1處,是一條具有較強彈性的構(gòu)造膠鼓,在受拉過程中,會出現(xiàn)一些微小的裂縫,這些裂縫會隨壓力而增加,直至應(yīng)力完全消失,停止加載,此為第3階段。

圖2所示硅微粉摻量為5%的結(jié)構(gòu)膠壓縮加載曲線,添加了硅微粉可以提高其抗壓性能。當結(jié)構(gòu)膠位移小于3 mm時,5%的硅微粉加入比3%的硅微粉加入的結(jié)構(gòu)膠抗壓強度高;當結(jié)構(gòu)膠位移大于3 mm時,5%的硅微粉加入比3%的硅微粉加入的結(jié)構(gòu)膠抗壓強度低,但強度仍整體高于基體抗壓強度。

硅微粉建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠抗壓破壞過程,如圖3所示。

(a)加載前

從圖3可以看出,將結(jié)構(gòu)膠的兩個末端都磨平,然后放到電子萬能試驗機的夾頭中心,在最初施壓過程中,結(jié)構(gòu)膠與試驗機夾具的接觸表面會逐漸變成鼓狀,鼓狀相對不顯著,此時沒有裂紋出現(xiàn)。受力結(jié)構(gòu)膠受力后,整個受壓致密,鼓形顯著,此時仍未出現(xiàn)裂紋。在連續(xù)的受力作用下,結(jié)構(gòu)膠表面出現(xiàn)了微小裂紋,隨后裂紋不斷擴展直到被壓碎。

2.2 納米碳酸鈣、硅微粉對結(jié)構(gòu)膠流淌性試驗分析

在對建筑用改性環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠流淌性進行分析時,由于不同填料用量和質(zhì)量比例直接影響結(jié)構(gòu)膠改性力學性能,所以在結(jié)構(gòu)膠流淌性分析過程中,保證納米碳酸鈣、硅微粉配比1∶1不變,加入雙氧水進行試驗分析。此時結(jié)構(gòu)膠中存在大量H+,它能與結(jié)構(gòu)膠中的氫鍵發(fā)生反應(yīng),從而使其在垂直方向上的流掛距離變小。

由于水泥與建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠的接觸面較大,使得結(jié)構(gòu)膠的黏度隨著環(huán)氧樹脂分子鏈的相對移動產(chǎn)生的摩擦而變得更大,從而縮短了垂直流掛距離。與水泥相比,納米碳酸鈣、硅微粉具有較大的接觸面,因此,在縮短垂直流掛距離作用上,其作用優(yōu)于水泥。

通過上述分析可知,在不同納米碳酸鈣、硅微粉中加入的比例下,其對流淌性的影響如表1所示。

表1 不同摻量比例比對結(jié)構(gòu)膠垂直流掛距離影響

由表1可知,在建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠中,垂直流掛距離與填充物的用量呈反比例關(guān)系,當水泥:納米碳酸鈣:硅微粉=17∶10∶3.2時,建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠不再出現(xiàn)流淌現(xiàn)象。在這種情況下,建筑用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠具有最佳流淌性,改性后的環(huán)氧樹脂建筑結(jié)構(gòu)膠持久性較高。

3 房屋建筑工程結(jié)構(gòu)膠植筋使用案例

甘肅靜寧某住宅建設(shè)項目4棟住宅樓及地下車庫,總建筑面積44 628.79 m2,18層框架剪力墻結(jié)構(gòu),設(shè)計使用年限為70年。采用填充墻砌體拉結(jié)筋、GZ和框架梁柱、剪力墻二次結(jié)構(gòu)鋼筋的植筋錨固。

3.1 施工流程與操作要點

定位:按設(shè)計要求標示鉆孔位置;鉆孔清孔:鉆孔孔徑及鉆孔深度如表2所示。鋼筋處理:鋼材表面的浮銹污漬清除干凈,用棉紗蘸丙酮擦洗鋼筋錨固區(qū)段,直至露出金屬光澤;制膠:取干凈容器,嚴格按說明調(diào)制攪拌;注膠:注膠時保證孔洞內(nèi)膠體飽滿;插筋:用旋轉(zhuǎn)法將鋼筋邊旋轉(zhuǎn)邊插入至孔底,迅速植入鋼筋,防止膠液流出;鋼筋定位及密封處理:鋼筋在植入的過程中位置會有所偏轉(zhuǎn),膠液也會有流淌,批量植筋完成后進行檢查,將流淌的膠液重新填回,同時對偏轉(zhuǎn)的鋼筋進行定位處理,膠固化后再進行鋼筋的定位;固化保護:在固化完成之前,應(yīng)按照結(jié)構(gòu)膠養(yǎng)護條件進行固化養(yǎng)護,固化期間禁止擾動;質(zhì)量檢驗。

表2 鉆孔孔徑及鉆孔深度

3.2 結(jié)構(gòu)膠植筋抗拔承載力現(xiàn)場非破損檢測與驗收

施工完畢后,抽樣做拉拔試驗,檢驗拉拔力結(jié)果如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)膠植筋現(xiàn)場拉拔力檢測結(jié)果

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ 145—2013,使用ZY-20數(shù)顯式錨桿拉力計檢測,混凝土無裂縫、植筋未滑移,結(jié)構(gòu)膠植筋靜力拉拔試驗符合要求。

4 結(jié)語

(1)通過對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠抗拉改性,發(fā)現(xiàn)低摻量的納米碳酸鈣可以顯著地改善其抗拉性能,而高摻量的納米碳酸鈣對結(jié)構(gòu)膠拉伸強度改善作用不大;

(2)通過對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠抗壓改性,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠位移小于3 mm時,5%的硅微粉摻量比3%的硅微粉摻量的結(jié)構(gòu)膠抗壓強度高,反之則較低;

(3)通過對環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠流淌改性,發(fā)現(xiàn)當水泥:納米碳酸鈣:硅微粉=17∶10∶3.2時,改性后環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠無流淌。