建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中環(huán)氧樹脂膠黏劑運用分析

羅昆

（海南華磊建筑設(shè)計咨詢有限公司貴州分公司，貴陽 550000）

1 引言

當(dāng)前時期的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，對質(zhì)量、強度以及黏結(jié)性都提出了更為嚴(yán)格的要求，環(huán)氧樹脂膠黏劑具有良好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性以及耐老化性能，對各類建筑材料都具備高度黏結(jié)力，所以應(yīng)用愈發(fā)廣泛，尤其是其常溫固化能力和高彈性高強度能力，對于推動建設(shè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量提升有著十分顯著的作用。

2 環(huán)氧樹脂膠黏劑的主要原理

2.1 浸潤原理

相較于金屬材料，環(huán)氧樹脂的表面張力較小，易被浸潤打濕，且構(gòu)成類型多樣，既有親水的羥基基團，又有疏水的碳氫鏈段，使環(huán)氧樹脂膠黏劑表面具有良好的活化作用，能在金屬或非金屬表面形成單分子膜，可被完全浸潤。

2.2 黏附原理

由于環(huán)氧樹脂分子中的結(jié)構(gòu)組成較多樣，同時具有環(huán)氧基、羥基和醚鍵等極性基團，即使被應(yīng)用于某些極性物質(zhì)表面也可產(chǎn)生次價鍵，不會受到干擾，并且還能在此基礎(chǔ)上形成氫鍵，可以進一步提高產(chǎn)生的物理黏附性和化學(xué)黏附性，界面張力也能有效降低，凸顯優(yōu)秀的黏結(jié)性能，所形成的黏結(jié)界面十分穩(wěn)定。環(huán)氧樹脂黏結(jié)在金屬表面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 環(huán)氧樹脂黏結(jié)在金屬表面結(jié)構(gòu)

2.3 固化成型原理

環(huán)氧樹脂材料屬于一種大分子小質(zhì)量的預(yù)聚體，通過對固化劑的催化反應(yīng)、開環(huán)加成聚合反應(yīng)與交聯(lián)反應(yīng)，共同組成一組龐大的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分子，要想把這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合方式的環(huán)氧樹脂分子從黏結(jié)的固體中完全剝離，需耗費大量熱量，一般來說熱量需維持在16.75 kJ/mol 才可全面破壞其結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定力與內(nèi)聚力[1]。

3 環(huán)氧樹脂膠黏劑的特點與基本類型

3.1 特點

環(huán)氧樹脂膠黏劑種類豐富，可在各種類型和場合的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用相對應(yīng)的環(huán)氧樹脂、改性劑及固化劑。環(huán)氧樹脂膠黏劑的固化體系范圍廣泛，固化劑種類較成熟，可固化的溫度范圍跨度較大，由此決定了環(huán)氧樹脂體系的選擇空間具有一定的自由度。環(huán)氧樹脂膠黏劑還具有良好的黏結(jié)力，在固化過程中不會產(chǎn)生具有負(fù)面影響的產(chǎn)物，固化物收縮率和體系殘余應(yīng)力較小。與此同時，環(huán)氧樹脂膠黏劑還具有優(yōu)良的力學(xué)性能，整個體系內(nèi)部的凝聚力較強，其宏觀上展現(xiàn)的力學(xué)性能更適用于結(jié)構(gòu)材料。環(huán)氧樹脂膠黏劑能在較寬頻率范圍內(nèi)，長時間維持高質(zhì)量介電性能，除可被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還可作為通信材料和絕緣材料使用。環(huán)氧樹脂膠黏劑如圖2 所示。

圖2 環(huán)氧樹脂膠黏劑

3.2 基本類型

環(huán)氧樹脂膠黏劑的品種豐富，現(xiàn)階段未明確分類方法和分類指標(biāo)，簡單總結(jié)如下：從膠黏劑的形態(tài)層面看，可分為有機溶膠型膠黏劑、膏狀膠黏劑和水性膠黏劑；從固化條件層面看，可分為冷固化膠、熱固化膠和潮濕面水中固化膠等；從膠結(jié)強度層面看，可分為結(jié)構(gòu)膠、非結(jié)構(gòu)膠和次受力結(jié)構(gòu)膠；從用途層面看，可分為通用型膠黏劑和特種膠黏劑。

4 環(huán)氧樹脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢

環(huán)氧樹脂膠黏劑是一類合成樹脂，用于連接、加固建筑構(gòu)件時，相較于一般的鉚接法、焊接法，構(gòu)件的黏結(jié)受力均勻程度更高，材料出現(xiàn)某處集中承受應(yīng)力現(xiàn)象的概率較低（如采用焊接法連接構(gòu)件時，熱應(yīng)力可能會在短期內(nèi)集中在構(gòu)件的某一個位置，使該處承受較大應(yīng)力），從而使材料、構(gòu)件的耐疲勞性更強，可以更好地保證構(gòu)件的整體性，進而提高抗裂性，使構(gòu)件在投入應(yīng)用后，具有更好的承載能力和穩(wěn)定性。此外，環(huán)氧樹脂膠黏劑具有將不同性質(zhì)材料有效、牢固黏結(jié)的能力。這種特性的優(yōu)勢在于：當(dāng)前建材多樣化程度較高，一個建筑體中可能存在多種類型的材料。采用傳統(tǒng)方法對不同類型材料進行黏結(jié)時，結(jié)構(gòu)整體牢固度無法得到保證，而是用環(huán)氧樹脂膠黏劑之后可以有效解決這一問題。在傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，設(shè)計人員無法獲得準(zhǔn)確的建筑構(gòu)件加固與黏結(jié)作業(yè)時間，導(dǎo)致設(shè)計方案的某些環(huán)節(jié)不夠詳細。此外，一些傳統(tǒng)的加固方法也難以使構(gòu)件加固效果達到預(yù)期水平。使用環(huán)氧樹脂膠黏劑時，不僅工藝簡便，還能大幅度縮短工期（一般在1～2 d 便可完成），有助于提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。不僅如此，一些具有軍事用途的建筑、交通設(shè)施等對外表耐老化性能有較高的要求，使用環(huán)氧樹脂膠黏劑可在低成本、高效率的情況下滿足這一要求。

5 環(huán)氧樹脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

5.1 混凝土整體工程黏結(jié)運用

現(xiàn)階段，大型鋼筋混凝土工程在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計層面上要求各部分混凝土構(gòu)件通過連接，使整個建筑結(jié)構(gòu)工程成為有機整體，以此實現(xiàn)力學(xué)層面的最大化穩(wěn)定。大型鋼筋混凝土工程包括高層建筑、大壩及橋梁工程等，在工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，構(gòu)件皆采用預(yù)制方式制作，現(xiàn)澆方式無法一次性實現(xiàn)整體澆筑要求和膠黏要求。環(huán)氧樹脂膠黏劑能在已達到設(shè)計強度的混凝土表面完成黏結(jié)工作，通過黏結(jié)強度測試和抗拉強度測試，在遭受破壞性的外部受力作用時，即使混凝土體被拉裂破壞，環(huán)氧樹脂黏結(jié)面也不會被拉斷。這表明環(huán)氧樹脂膠黏劑所具備的抗拉強度已遠超混凝土材料本身的抗拉強度。同時可有效解決混凝土黏結(jié)不牢的問題，使建筑結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，推動了建筑工程的整體發(fā)展。環(huán)氧樹脂膠黏劑的主要材料以改性雙酚A 型環(huán)氧樹脂為主，所有構(gòu)成配方組分材料皆可實現(xiàn)國產(chǎn)量化[2]。

5.2 港工混凝土潮差和水下部位設(shè)計

鋼筋混凝土建筑物在使用過程中受外界自然條件、施工操作和超載作業(yè)行為等影響，使建筑物的部分構(gòu)件出現(xiàn)局部損毀情況，若不能及時修復(fù)，易影響人們的正常生活。修補鋼筋混凝土建筑物的潮差位置和水下部位時，環(huán)氧樹脂膠黏劑接觸水體，產(chǎn)生乳化反應(yīng)，胺類固化劑遇水即融所造成的損失值得關(guān)注。瀝青和焦油是常見的憎水材料種類，將其加入環(huán)氧樹脂膠黏劑中可有效保護環(huán)氧樹脂的極性基團，同時還能盡量規(guī)避固化劑溶出問題，即使是已經(jīng)產(chǎn)生固化反應(yīng)的環(huán)氧樹脂膠黏劑，仍對建筑物的潮濕位置和水下部位具備一定程度的黏結(jié)能力。所以，針對港工混凝土潮差和水下部位應(yīng)用環(huán)氧樹脂膠黏劑的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，需優(yōu)先使用環(huán)氧樹脂瀝青膠黏劑，其具有良好的抗凍性能，即使經(jīng)受300 次凍融循環(huán)，依然可保證黏結(jié)功能。

5.3 水利工程用潮濕面積水下修補設(shè)計

水利工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大，需綜合考慮到水利工程中渠道渡槽混凝土構(gòu)件的磨損開裂及大壩閘門的滲漏問題，對其進行無水干燥修復(fù)的難度指數(shù)較大。因此，在水利工程的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中運用環(huán)氧樹脂膠黏劑不應(yīng)采用傳統(tǒng)模式，需對其進行優(yōu)化改良，配方構(gòu)成也相應(yīng)變動，需選擇使用相對分子質(zhì)量為100 的E51 環(huán)氧樹脂，相對分子質(zhì)量為1 000的聚硫橡膠25 份，固化劑選擇順丁烯二酸酐9 份，二甲氨基甲基苯酚4 份，填料控制在300～600 mL。調(diào)配出的環(huán)氧樹脂膠黏劑在拉伸強度方面具有較大提升，潮濕和水下狀態(tài)可保持在3 MPa，干燥狀態(tài)下可達4～5 MPa。為進一步優(yōu)化環(huán)氧樹脂膠黏劑品質(zhì)，還需生產(chǎn)低溫狀態(tài)下迅速固化的環(huán)氧樹脂膠黏劑，將雙酚A 型環(huán)氧樹脂和雙酚F 型環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比限制在1∶1，選擇應(yīng)用混合脂肪胺作為主要的固化劑種類，聚丙二醇作為基礎(chǔ)的增韌劑原料，二者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在4%最為適宜，此時的膠黏劑具有非常良好的低溫固化性能，表面的風(fēng)干時間在30 min 左右，在4 h 之內(nèi)就可以實現(xiàn)完全硬化。與此同時，經(jīng)過2 h 的固化反應(yīng)后，環(huán)氧樹脂膠黏劑的抗沖擊強度為10.084 kJ/m2，拉伸強度為25.3 MPa，拉伸剪切強度為12.7 MPa，皆在原有基礎(chǔ)上實現(xiàn)了極大提升。雙酚F型環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙酚F 型環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)

5.4 建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑是指能作為承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的黏結(jié)物質(zhì)，具有良好的長時間承受能力，可被應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計類型中。通過對固化劑加強控制，改進固化劑在環(huán)氧樹脂中的占比，優(yōu)化環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠填種類，采用斷裂伸長率穩(wěn)定且彈性模量較高的配比方式。當(dāng)保持固化劑和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為1∶1 時，需加入7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米碳酸鈣，此時抗壓強度可達72 MPa，基體抗壓強度也在原有基礎(chǔ)上提高了13%。應(yīng)用觸變劑可改良環(huán)氧樹脂膠黏劑的施工工藝性能和基礎(chǔ)力學(xué)性能，還能實現(xiàn)對黏結(jié)性能的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，此時環(huán)氧樹脂膠黏劑黏度處于較低狀態(tài)，更適合被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)觸變劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上漲至3%時，觸變指數(shù)可達最大峰值[3]。

為保證環(huán)氧樹脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中保持良好的流動性，可選擇將環(huán)氧樹脂作為主要原材料，并注入適當(dāng)?shù)牡宛ざ雀呋钚怨袒瘎x擇水泥和石棉纖維作為增稠劑，以此達到高壓縮強度，進而提升流淌性能和力學(xué)性能，即使在-5 ℃的低溫條件下，也不會對環(huán)氧樹脂膠黏劑的性能造成影響。其還可在室溫下進行固化反應(yīng)，且呈現(xiàn)高強度厚膠層特點，膠層厚度可長期維持在0.10～0.66 mm 范圍內(nèi)，剪切強度同步保持穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段我國建筑行業(yè)快速發(fā)展，需加大環(huán)氧樹脂膠黏劑在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，不斷提升環(huán)氧樹脂用量，進一步開辟高分子材料市場，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全穩(wěn)定。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用環(huán)氧樹脂膠黏劑需著重考慮混凝土整體工程黏結(jié)應(yīng)用、港工混凝土潮差與水下部位設(shè)計、水利工程用潮濕面積水下修補設(shè)計以及建筑結(jié)構(gòu)膠黏劑設(shè)計。未來，環(huán)氧樹脂膠黏劑將朝著高強度、低黏度方向發(fā)展，具備更強的耐沖擊力、耐磨力、抗腐蝕力和阻燃力。