高溫環(huán)境下建筑加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘接性能分析

摘 要：研究高溫環(huán)境下建筑加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑粘接性能。采用環(huán)氧樹脂、低分子聚酰胺、丁基縮水甘油醚以及不同摻量的KH-550硅烷偶聯(lián)劑，制備3種建筑加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠試件。結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，偶聯(lián)劑添加量分別為4%與6%的試件拉剪強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度更好。添加2%偶聯(lián)劑試件在較高溫度下粘接性能下降幅度相對較大；添加4%偶聯(lián)劑試件的導(dǎo)熱性能較強(qiáng)，說明環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑在添加4%偶聯(lián)劑時(shí)粘接性能最佳。

關(guān)鍵詞：高溫環(huán)境；建筑加固；環(huán)氧樹脂；膠粘劑；粘接性能；偶聯(lián)劑

中圖分類號(hào)：TQ433.4+37" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）07-0001-04

Analysis of adhesive properties of epoxy resin structural

adhesive used for building reinforcement

in high temperature environment

WANG Liyan1， ZHAO Yuhang2

（1.Jinan Housing and Urban-Rural Development Bureau，Jinan 251400，China；

2.Beijing Jiaotong University，Beijing 100091，China）

Abstract： The bonding properties of epoxy resin structural adhesive used for building reinforcement in high temperature environment were studied. Three sets of epoxy resin structural adhesive specimens for building reinforcement were prepared by using epoxy resin， low molecular weight polyamide， butyl glycidyl ether and KH-550 silane coupling agent. The test showed that the tensile shear strength， peeling strength and bonding strength of the specimens with 4% and 6% coupling agent addition were better in high temperature environment. The adhesive properties of the specimen with 2% coupling agent decreased significantly at higher temperature. The thermal conductivity of the test specimen with 4% coupling agent was strong， indicating that the adhesion of epoxy resin structural adhesive had the best bonding performance when 4% coupling agent was added.

Key words：high temperature environment；building reinforcement；epoxy resin；adhesive；adhesive property；" " " " " "coupling agent

高溫導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠中的溶劑揮發(fā)速度加快［1］，膠粘劑的流動(dòng)性和粘接性能受到破壞［2］。當(dāng)膠粘劑流動(dòng)性增加時(shí)，膠接面的滲透性下降，降低膠接的強(qiáng)度和耐久性同時(shí)，高溫會(huì)加速結(jié)構(gòu)膠的老化，使其變硬、變脆。膠粘劑的老化會(huì)導(dǎo)致膠接性能下降，從而降低結(jié)構(gòu)膠的抗剪強(qiáng)度。

為了應(yīng)對高溫環(huán)境對結(jié)構(gòu)膠的影響，制備耐熱性較高的結(jié)構(gòu)膠粘劑，以確保建筑的持久性和安全性。有較多學(xué)者對膠粘劑進(jìn)行了研究，如在膠體中摻入了混合固化劑，制備出用于鋼板材料的膠粘劑，并測試了材料的耐熱性與承載力［3］；研究低溫環(huán)境下低黏度裂縫修復(fù)環(huán)氧膠粘劑，制備了用于混凝土裂縫修復(fù)的膠粘劑，雖然膠體試件的抗剪、抗壓縮強(qiáng)度較高，但該材料在高溫環(huán)境下的粘合性能較弱［4］。

環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑是一種常用于建筑加固的膠粘劑。主要通過環(huán)氧樹脂、固化劑和填料等組成，其具有良好的流動(dòng)性和滲透性。通過這一材料可以填充微小的間隙和裂縫，形成緊密的粘接。從而提高加固結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1" "實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1" "實(shí)驗(yàn)材料及指標(biāo)

制備過程中采用的主要材料：

（1）環(huán)氧樹脂。采用雙酚A型環(huán)氧樹脂作為試驗(yàn)材料［5］；

（2）固化劑。在材料制備過程中采用2種固化劑：一種是低分子聚酰胺；另一種為593環(huán)氧樹脂固化劑，通過這2種固化劑，可以增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的韌性［6］，改善環(huán)氧樹脂的抗剪能力。按照3∶2比例混合，將2種固化劑放入燒杯中，攪拌5 min至2種液體混合，構(gòu)成混合固化劑材料；

（3）偶聯(lián)劑。采用KH-550硅烷偶聯(lián)劑作為試驗(yàn)材料，該材料密度為0.95 g/cm3，具體性狀為無色低黏度透明狀態(tài)；

（4）稀釋劑。采用501丁基縮水甘油醚（BGE）材料作為材料制備過程中的稀釋劑，該材料可以與環(huán)氧樹脂產(chǎn)生固化反應(yīng)，從而增強(qiáng)環(huán)氧樹脂粘接效果，該材料黏度小于等于5 mPa·s，色度小于等于40 APHA；

（5）填料。采用2種填料制作建筑加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑，分別為納米CaCO3、5000目硅粉，2種填料性能指標(biāo)如表1所示。

1.2" "試件制備

通過上述材料制備試驗(yàn)用膠粘劑試件，在配比過程中，環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照100 g標(biāo)準(zhǔn)，固化劑分別占環(huán)氧樹脂的1/2、1/3，稀釋劑含量為環(huán)氧樹脂的10%，制備3種類型的試件。3種類型中，偶聯(lián)劑添加量分別為環(huán)氧樹脂含量的2%、4%與6%。將材料攪拌均勻，并將該混合物粘接在鋼板待粘面上，通過工裝合攏壓緊，之后將其放入恒溫、恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行48 h固化，制成偶聯(lián)劑添加量為2%、4%與6%的3個(gè)組試件，測試每組試件的粘接性能。

1.3" "性能測試

1.3.1" "導(dǎo)熱性能測試

采用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試每種試樣的熱導(dǎo)率從每組試件中取出參數(shù)相同的2個(gè)樣品，在其中間放入線熱模塊，當(dāng)2個(gè)試件達(dá)到熱平衡后，即可對線熱模塊進(jìn)行加熱［7-8］，加熱溫度最高達(dá)到90 ℃，此時(shí)線熱模塊可將熱量傳遞給試件，測試試件的導(dǎo)熱系數(shù)，并通過式（1）計(jì)算試件熱導(dǎo)率：

[λ=Q4πd（?T）∕d（lnt）]" " " " " " " " " " "（1）

式中：[λ]為試件熱導(dǎo)率；[t]為試驗(yàn)時(shí)間；[?T]為線熱模塊溫度變化；[Q]為熱線產(chǎn)生的熱量。

1.3.2" "試件熱變形溫度測試

熱變形溫度試驗(yàn)是指對試件在固定的跨中負(fù)荷彎曲應(yīng)力下，溫度升高時(shí)的撓度變化情況［9-10］。采用熱變形溫度測試儀，記錄試件在不同溫度下的撓度變化，從而衡量試件在高溫環(huán)境下的耐熱性能，以此驗(yàn)證其粘接效果。在試驗(yàn)過程中，設(shè)置3種跨中負(fù)荷彎曲應(yīng)力［11］，分別為0.50、2.00和4.5 MPa，對這3種應(yīng)力狀態(tài)下試樣熱變形效果進(jìn)行測試。

1.3.3" "試件高溫環(huán)境下黏度測試

黏度是衡量膠粘劑的一種有效性指標(biāo)［12-13］。采用恒溫水浴鍋旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試試件在不同溫度下的黏度變化。通過恒溫水浴鍋加熱試件，在加熱過程中通過旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量試件黏度，從而判斷試件的粘接性能。

1.3.4" "試件高溫環(huán)境下粘接強(qiáng)度測試

通過電子拉力試驗(yàn)機(jī)測試不同試件在常溫與高溫環(huán)境下的粘接強(qiáng)度情況［14］，為確保試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)，從每1組試件中選取5個(gè)樣品，取每個(gè)樣品平均值。

1.3.5" "拉伸剪切性能測試

按照GB/T 7124—2008標(biāo)準(zhǔn)［15］，測試試件在不同溫度下的拉伸剪切強(qiáng)度與斷裂伸長率。在測試過程中，加載速度為50 N/s，將試件在不同試驗(yàn)溫度下放置10 min，等待溫度平衡后，即可進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，按照式（2）計(jì)算試件拉伸剪切強(qiáng)度：

[τ=Pb×l]" " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：[τ]為試件拉剪強(qiáng)度; [b]、[l]分別為試件寬度與長度；[P]為最大破壞荷載。

2" "結(jié)果與討論

2.1" "試件導(dǎo)熱性能分析

測試每組試件在不同溫度變化下的導(dǎo)熱性能，并通過熱導(dǎo)率表示，測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在高溫環(huán)境下，試件的導(dǎo)熱性能會(huì)逐漸降低，從而影響試件散熱功能；在3組試件中，偶聯(lián)劑添加量為2%的試件熱導(dǎo)率始終保持最低，而過量添加偶聯(lián)劑也會(huì)影響試件散熱效果，可以看出，添加4%偶聯(lián)劑的試件熱導(dǎo)率最高。

2.2" "熱變形溫度分析

對3個(gè)組試件進(jìn)行熱變形溫度測試，測試過程中升溫速率為2 ℃/min，測試每組試件在不同應(yīng)力下的撓度變化情況，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在試驗(yàn)過程中彎曲應(yīng)力較大時(shí)，3組試件在溫度70 ℃左右撓度就開始逐漸增高；而彎曲應(yīng)力在0.5 MPa時(shí)，3組試件的撓度提升速度較慢。

2.3" "試件黏度變化分析

分析試件在高溫環(huán)境下的黏度變化情況，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，偶聯(lián)劑添加量為4%、6%的試件黏度均保持在600 mPa·s以上，可以看出在該溫度下2組試件依然可以保持有效的粘接效果，而偶聯(lián)劑添加量為2%的試件在該溫度下黏度達(dá)到600 mPa·s以下，說明高溫環(huán)境對該組試件粘性存在一定影響，從而降低其粘接效果。

2.4" "試件粘合強(qiáng)度分析

測試試件在不同溫度下的粘接強(qiáng)度變化，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在3個(gè)組試件中，偶聯(lián)劑添加量為4%的試件粘接強(qiáng)度下降幅度最小，其最低粘接強(qiáng)度保持在5～6 MPa；而其他2組試件的粘接強(qiáng)度最低均達(dá)到5 MPa以下，說明在高溫環(huán)境中，試件的粘接性能有所減弱。但添加4%偶聯(lián)劑試件仍然可以保持良好的粘接能力。

2.5" "試件拉剪強(qiáng)度分析

（1）測試每組試件在高溫環(huán)境下的拉剪強(qiáng)度變化，以此分析在拉伸-剪切測試時(shí)試件的粘接效果，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)偶聯(lián)劑添加量較少時(shí)，高溫環(huán)境會(huì)

明顯影響試件粘接能力。

（2）測試3種試件在高溫環(huán)境下的斷裂伸長率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在高溫90℃條件下，添加2%偶聯(lián)劑的膠粘劑試件斷裂伸長率已達(dá)到7%以上，此時(shí)膠體粘接面已明顯發(fā)生界面粘附破壞，從而影響膠體附著力，進(jìn)而影響試件粘接效果；而提高偶聯(lián)劑添加量后，試件的斷裂伸長率明顯得到下降，從而改善試件粘接能力。在3種試件中，添加4%偶聯(lián)劑的試件斷裂伸長率最低，因此，該組試件的粘接性能最佳。

3" "結(jié)語

研究高溫環(huán)境下建筑加固用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑粘接性能，制備環(huán)氧樹脂膠體試件，測試不同偶聯(lián)劑含量試件在不同溫度下的粘接能力變化，從中獲取最佳材料配比環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘劑。

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