鐵路橋梁加固用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑粘接界面性能研究

中圖分類號(hào)： TQ433.4⁺37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to improve the safetyand reinforcement effectof bridge structure，the interface properties of modified epoxy resin adesivefor railway bridge reinforcement were studied.Boron nitridewas used asan epoxy resin modifier，and boronnitride waspretreatedand modified beforemodification to improvetheviscosityand physical and chemical properties of boron nitride.The modified epoxy resin was prepared with boron nitride at 0% ， 15% ， 30% and 45% ，and the test specimens were prepared by bonding concrete materials，and the interfacial bonding tensile strength，bonding strengthand viscosity ofthe specimens with diffrent boron nitridecontents were tested. When the dosage of inorganic filler Al₂O₃ powder was 0% 7% ， 14% and 21% ，respectively，the results showed that the bonding interface strength of the modifiedepoxy resin was obtained.When theamount of boron nitride was 15% ，theinterfacialtensile strength，adhesivestrengthand interfacialviscositypropertiesof the modifiedepoxyresin werethe highest，and the interfacial micromorphologyroughness was moderate.When theamountof inorganic filler Al₂O₃ powder based on the boron nitride dosage was 15% ，the peel strength of the modified epoxy resin could be improved.

Keywords：railwaybridge;for reinforcement;modifiedepoxyresin;bonding interface;boronnitride;inorganic fillel

橋梁作為鐵路線路的關(guān)鍵部分，其安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)的老化和損傷問(wèn)題日益凸顯，需要采取有效的加固措施[1]。環(huán)氧樹脂以其高強(qiáng)度、高粘接力及優(yōu)異的防腐耐久性，在鐵路橋梁加固中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)[2-3]然而，為了進(jìn)一步提升加固效果，改性環(huán)氧樹脂的應(yīng)用研究顯得尤為關(guān)鍵[4]。通過(guò)改性環(huán)氧樹脂的精細(xì)調(diào)控，從而有效地增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性，確保鐵路橋梁的安全運(yùn)行。

袁玉環(huán)等提出使用聚氨酯和納米 SiO₂ 混合改性環(huán)氧樹脂，該改性后材料具有良好的力學(xué)性能和粘接強(qiáng)度5；但是并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用在橋梁修復(fù)相關(guān)結(jié)構(gòu)中，還需要更多的實(shí)踐研究數(shù)據(jù)。張?；⒌仁褂枚‰嫦鹉z與聚乙二醇混合改性環(huán)氧樹脂，實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的增韌，同時(shí)提升環(huán)氧樹脂粘性[6]；但是該研究過(guò)程中粘接對(duì)象為木材，對(duì)于混凝土粘接加固效果目前未知，需要繼續(xù)實(shí)踐測(cè)試。Gholinezhad使用多種材料改性環(huán)氧樹脂，以提升其性能[7]；但合成過(guò)程復(fù)雜，難以同時(shí)保證高粘接強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，且易產(chǎn)生副反應(yīng)和產(chǎn)物不均等問(wèn)題。Fallahi等研究嵌段共聚物和氧化鋁納米顆粒改性環(huán)氧樹脂的方法[8]；盡管該方法可以提升環(huán)氧樹脂的熱穩(wěn)定性和韌性，但在某些情況下，性能提升并不如預(yù)期。

研究使用改性劑改性環(huán)氧樹脂，并且將該改性環(huán)氧樹脂應(yīng)用在鐵路橋梁加固結(jié)構(gòu)中，并且通過(guò)儀器設(shè)備測(cè)試實(shí)際應(yīng)用后，提高改性環(huán)氧樹脂的粘接界面性能。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

制備與試驗(yàn)所用原料為：固體苛性鈉（工業(yè)級(jí)，湖北泰合昌生物科技有限公司）；聚四氟乙烯（工業(yè)級(jí)，廣西松柏化工有限公司）；氮化硼粉末（工業(yè)級(jí)，西安齊岳生物科技有限公司）；硅烷偶聯(lián)劑（工業(yè)級(jí)，曲阜易順化工有限公司）；環(huán)氧樹脂（工業(yè)級(jí)，廊坊百拓防腐材料有限公司）； Al₂O₃ 粉末（工業(yè)級(jí)，清河縣瑞江金屬材料有限公司）；新戊二醇二縮水甘油醚（稀釋劑）（（工業(yè)級(jí)，中山遠(yuǎn)達(dá)新材料有限公司）；甲基四氫苯酐（固化劑）（工業(yè)級(jí)，山東小青新化工有限公司）。

1.1.2 儀器設(shè)備

制備與試驗(yàn)所用主要設(shè)備為：LT-HGJHGJ烘干箱，臨胸縣順乾機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司；BY-25C離心機(jī)，大連北油分析儀器有限公司；78-1磁力攪拌機(jī)，江蘇佳美儀器制造有限公司；2BE真空泵，鄭州生化儀器有限公司；SAAS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思檢測(cè)技術(shù)有限公司；6900掃描電子顯微鏡，沈陽(yáng)達(dá)萬(wàn)科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)處理氮化硼

采用水熱法預(yù)處理氮化硼原料[9]。將去離子水與固體苛性鈉混合成 5mol/L 氫氧化鈉溶液，倒人不銹鋼高壓反應(yīng)釜中。將氮化硼粉末懸浮在溶液表面，不攪拌狀態(tài)下置于 130‰ 烘干箱中反應(yīng)40h^[10] 。反應(yīng)后靜置，降至室溫后離心處理，傾倒上清液，用去離子水沖洗至pH值為7，再置于 90^qC 烘干箱中烘干 6h ，得到預(yù)處理后的氮化硼粉末。

1.2.2 表面修飾氮化硼

為提升氮化硼的溶解性和物理、化學(xué)性能，使用硅烷偶聯(lián)劑作為修飾劑。將硅烷偶聯(lián)劑溶于乙醇水溶液，攪拌 0.5h 后，加入預(yù)處理后的氮化硼粉末，在 60^°C 水浴中加熱 ^2h 。隨后用無(wú)水乙醇離心清洗3次，將沉淀物在 120^qC 下真空干燥 ^12h ，得到表面修飾的氮化硼[11-12] 。

1.2.3改性環(huán)氧樹脂制備

將環(huán)氧樹脂基料與稀釋劑混合攪拌后，置于95^°C 烘干箱烘干 ^2h 。隨后加入表面修飾的氮化硼和 Al₂O₃ 粉末[13-14]，再攪拌 2h 。為加速固化，添加甲基四氫苯酐并攪拌。最后，將膠粘劑倒入真空泵中處理1h，完成改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的制備。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)試件制備

制備的改性環(huán)氧樹脂應(yīng)用于鐵路橋梁加固，取2 塊大小相同，規(guī)格為 10mm×10mm×2.5mm ，通過(guò)涂抹于混凝土試件上并貼合另一試件，在 100^c 烘箱中處理6h加速固化。固化后打磨表面去除多余膠粘劑，備用以測(cè)試其粘接界面性能[15] 。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 粘接界面拉伸強(qiáng)度測(cè)試

拉伸強(qiáng)度測(cè)試是驗(yàn)證膠粘劑界面強(qiáng)度的重要指標(biāo)[16]。使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同氮化硼用量（ 0% ！15%.30%.45%） 所制備改性環(huán)氧樹脂的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，以評(píng)估其界面抵抗外力的能力，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命。

1.3.2 粘接界面微觀形貌

在拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)循環(huán)施加荷載直至試驗(yàn)樣品的粘接界面發(fā)生斷裂，使用掃描電子顯微鏡觀察不同氮化硼用量制備的改性環(huán)氧樹脂粘接界面的微觀形貌。

1.3.3 粘接界面粘接強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試所制備改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘接界面性 能時(shí)[17-18]，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)參照GB 50728—2011，

測(cè)試不同氮化硼用量（ 0% 、 15% 、 30% 、 45% ）的剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，以評(píng)價(jià)其粘接強(qiáng)度。

1.3.4 粘接界面黏度性能測(cè)試

室溫下，參照GB/T2794—2013，使用黏度計(jì)測(cè)試不同氮化硼用量 （0%15%30%45%） 條件下改性環(huán)氧樹脂的黏度性能

1.3.5無(wú)機(jī)填料使用對(duì)粘接界面強(qiáng)度影響

在制備改性環(huán)氧樹脂時(shí)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15% 的氮化硼，研究 Al₂O₃ 粉末用量對(duì)粘接強(qiáng)度的影響。參照GB50728—2011，測(cè)試不同 Al₂O₃ 粉末用量（0%，7%，14%，21%） 條件下改性環(huán)氧樹脂的剝離和剪切強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘接界面拉伸強(qiáng)度測(cè)試

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同氮化硼用量制備的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的粘接界面拉伸強(qiáng)度，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，不添加氮化硼的環(huán)氧樹脂基膠拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較低。添加氮化硼能提升這些性能，但并非用量越多越好。氮化硼用量為 15% 時(shí)效果最佳，過(guò)量則導(dǎo)致環(huán)氧樹脂孔隙團(tuán)聚、脆性增加。適量添加氮化硼能抵抗拉伸時(shí)的擴(kuò)展力，降低斷裂概率，提升粘接界面拉伸強(qiáng)度。

2.2 粘接界面微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡觀察發(fā)生拉伸斷裂后，粘接界面斷裂后的微觀形貌，由此獲得粘接界面性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可看出，不使用氮化硼的純環(huán)氧樹脂膠粘劑發(fā)生斷裂后，粘接界面較為平滑，由此可以確定，不使用氮化硼的膠粘劑界面粘接性能較差。在圖2（b）中，粘接界面斷裂后，裂縫分布較為整齊，斷裂界面粗糙性提升，該試驗(yàn)樣品中氮化硼在環(huán)氧樹脂中均勻分布，提升環(huán)氧樹脂的耐沖擊性，增加環(huán)氧樹脂中的柔韌化學(xué)鍵數(shù)量，幫助環(huán)氧樹脂吸收沖擊能量，有利于環(huán)氧樹脂承受外部沖擊力。在圖2（c）圖2（d）中，碳化硼在環(huán)氧樹脂中嚴(yán)重團(tuán)聚，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂出行應(yīng)力集中，影響粘接界面的粘接性能。

2.3 粘接界面粘接強(qiáng)度測(cè)試

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各個(gè)試驗(yàn)樣品的粘接強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，增加拉伸荷載會(huì)導(dǎo)致改性環(huán)氧樹脂膠粘劑的界面剝離強(qiáng)度降低，其中不摻加氮化硼的環(huán)氧樹脂純膠剝離強(qiáng)度最小，在外力作用下極易發(fā)生開膠。使用 15% 氮化硼改性環(huán)氧樹脂制備的改性膠粘劑，粘接強(qiáng)度最優(yōu)異，實(shí)際使用時(shí)，該試驗(yàn)樣品在外力作用下最不容易開裂。圖3（b）結(jié)果變化趨勢(shì)與圖3（a）相對(duì)應(yīng)， 15% 氮化硼改性環(huán)氧樹脂制備的改性膠粘劑，剪切強(qiáng)度最高。由此可以確定，使用該氮化硼用量制備的改性環(huán)氧樹脂的粘接強(qiáng)度最大。

2.4粘接界面黏度性能測(cè)試

使用黏度計(jì)測(cè)試不同氮化硼含量制備的改性環(huán)氧樹脂黏度性能，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知， 15% 氮化硼摻量制備的改性環(huán)氧樹脂需要較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)開膠，黏度數(shù)值較小流動(dòng)性較好，實(shí)際使用時(shí)，能夠提升固化時(shí)間，適合用于鐵路橋梁加固時(shí)使用的環(huán)境。繼續(xù)增加環(huán)氧樹脂中氮化硼的用量，會(huì)增加改性環(huán)氧樹脂的黏度，導(dǎo)致膠粘劑缺乏流動(dòng)性，不利于粘接使用，如果加固鐵路橋梁時(shí)，膠粘劑的黏度過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生較大的填充間隙，造成粘接后難以脫氣，降低膠粘劑的強(qiáng)度。使用15% 摻量氮化硼改性的環(huán)氧樹脂能夠具有更高的界面黏度性能。

2.5無(wú)機(jī)填料用量對(duì)界面粘接強(qiáng)度影響

調(diào)整無(wú)機(jī)填料用量，測(cè)試改性環(huán)氧樹脂的剝落強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，荷載增加會(huì)導(dǎo)致不同無(wú)機(jī)填料制備的改性環(huán)氧樹脂剝離強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度降低，且這兩種強(qiáng)度的變化趨勢(shì)幾乎一致，說(shuō)明粘接強(qiáng)度變化會(huì)受荷載影響。對(duì)比來(lái)看，無(wú)機(jī)填料用量對(duì)于改性環(huán)氧樹脂粘接強(qiáng)度的影響較大，無(wú)機(jī)填料用量過(guò)大或者過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致該膠粘劑的粘接強(qiáng)度降低，其中 15% 無(wú)機(jī)填料用量下，改性環(huán)氧樹脂的粘接強(qiáng)度更高，更加適合實(shí)際應(yīng)用在鐵路橋梁加固環(huán)境使用。

3結(jié)語(yǔ)

（1）使用 15% 的氮化硼改性環(huán)氧樹脂膠粘劑可達(dá)到最佳粘接界面性能；（2）在 Al₂O₃ 粉末用量為 15% 時(shí)，粘接強(qiáng)度最大，進(jìn)一步提升了鐵路橋梁加固效果；（3）氮化硼改性環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出色，為提升粘接性能提供了有力支持。

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