低溫環(huán)境下橋梁加固用結(jié)構(gòu)膠研究進(jìn)展

崔東霞

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

經(jīng)過幾十年的大規(guī)模建設(shè)，我國以及世界各國的橋梁建設(shè)已由大量的新建逐漸轉(zhuǎn)入養(yǎng)護(hù)、維修與加固階段。據(jù)國際公路時(shí)訊報(bào)道，日本的橋梁正在面臨老齡化的問題。2010年，日本50年及50年以上的橋梁約為1 300座，占總體橋梁數(shù)的8%；這個(gè)數(shù)字在2020年將達(dá)到26%，2030年將達(dá)到53%。如果以這一比例推算，我國需要加固的橋梁將是一個(gè)很大的數(shù)字，這些資料都表明，未來橋梁建設(shè)的重點(diǎn)已由新建逐漸轉(zhuǎn)移為舊橋的加固與改造方面。在橋梁加固的各種方法中，絕大多數(shù)都使用到結(jié)構(gòu)膠。目前市場上結(jié)構(gòu)膠種類多為常溫或高溫固化膠，但由于橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境較為特殊，在北方冬季環(huán)境中，整個(gè)橋梁在一天中所處的溫度可以從十幾度到零下幾度。其加固工程對(duì)結(jié)構(gòu)膠固化溫度及施工溫度的要求就更為嚴(yán)格。目前在大多數(shù)文獻(xiàn)中提到的低溫固化也常指固化溫度低于100℃，且可以在自由狀態(tài)下進(jìn)行高溫后處理[1-2]。本文所提到的低溫固化為0～-5℃下固化，國內(nèi)近幾年才開始進(jìn)行這方面的研究。

橋梁加固用結(jié)構(gòu)膠主要材料為樹脂與固化劑，外摻一些改善功能的輔助型材料。樹脂與固化劑的性能都對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)膠體系的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此，樹脂與固化劑的選擇是配制可用于低溫固化結(jié)構(gòu)膠體系的核心技術(shù)。

1 低溫結(jié)構(gòu)膠用樹脂研究

未固化的樹脂是黏性液體或脆性固體，沒有任何實(shí)用價(jià)值，只有與固化劑進(jìn)行固化反應(yīng)生成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)最終用途。常用樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂等，在這里將分別討論3種樹脂在低溫固化領(lǐng)域的優(yōu)劣性。

1.1 酚醛樹脂

單組份線性酚醛樹脂本身具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度[3]，但其黏結(jié)薄膜抗溶劑性能、耐熱性能較差，且固化溫度較高，一般都在150℃，固化需要較大的壓力與較長的固化時(shí)間，膠結(jié)工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致不適用于溫度變化較明顯的橋梁加固工程中。

文獻(xiàn)報(bào)道，陶毓博等人利用尿素與苯酚等三元共縮聚的方法課題提高酚醛樹脂的固化速度，縮短其熱壓時(shí)間；鄭志鋒等通過適當(dāng)參數(shù)下的噴霧干燥制得性能較佳的粉狀酚醛樹脂膠；Cetin等人利用兩種不同的合成方法，合成木質(zhì)素酚醛樹脂，可用作膠黏劑。上述這些對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行改性的方法，其理想的黏結(jié)對(duì)象均為木材，在橋梁加固中，被黏結(jié)對(duì)象很少為木材，造成了酚醛樹脂在橋梁加固工程中的局限性。

1.2 丙烯酸樹脂

丙烯酸樹脂具有快速固化能力，可在幾分鐘至幾十分鐘內(nèi)固化，黏結(jié)強(qiáng)度高。可以低溫固化，甚至可以在0℃以下固化[4]，且適用于大多數(shù)金屬和非金屬材料的黏結(jié)。對(duì)于被黏結(jié)材料的表面處理要求不嚴(yán)格。對(duì)雙組份的混合比例要求不嚴(yán)格。但其缺點(diǎn)也較突出，單體的氣味和毒性問題，丙烯酸或甲基丙烯酸對(duì)產(chǎn)品的腐蝕性問題尚未得到解決，且由于固化速度太快，不適合大面積黏結(jié)。固化反應(yīng)放熱強(qiáng)烈，不適合大間隙的黏結(jié)和灌封。這些不足都制約了其在橋梁加固工程中的發(fā)展。

1.3 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的機(jī)械性能、熱性能以及良好的抗化學(xué)腐蝕能力和黏結(jié)性能，因此在橋梁加固工程中廣泛應(yīng)用。但其黏度較大，且隨溫度變化明顯，因此在未經(jīng)改性前，很難滿足全部的施工及應(yīng)用要求[5]。實(shí)際工程中大多數(shù)通過添加一定量的稀釋劑來調(diào)節(jié)體系的黏度。

雖然稀釋劑中的環(huán)氧基可以參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，但其摻量較少時(shí)，對(duì)環(huán)氧樹脂黏度降低的作用不明顯，摻量較多時(shí)，整個(gè)體系的力學(xué)性能會(huì)明顯降低，在黏度降低與性能保持二者之間求得平衡是稀釋劑應(yīng)用中的難點(diǎn)。現(xiàn)有的研究多集中在降低環(huán)氧樹脂的黏度，以改善其施工性能，降低施工難度。

江蘇省建筑科學(xué)研究院的喬敏[6]等人在配制低溫固化結(jié)構(gòu)膠中采用了碳酸丙烯酯作為活性稀釋劑，當(dāng)該稀釋劑的摻量為20%時(shí)，其黏度可降至257 mPa·s,整個(gè)體系的相容性良好，且對(duì)后期強(qiáng)度影響較小。

武漢理工的孫琴[7]等人研究了活性稀釋劑的種類對(duì)結(jié)構(gòu)膠中環(huán)氧樹脂的性能影響，研究中對(duì)丁基縮水甘油醚（660）、乙二醇二縮水甘油醚（669）和苯基縮水甘油醚（690）3種活性稀釋劑進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，690的摻量為15%時(shí)，樹脂體系的黏度在200 mPa·s左右，其摻量為9%時(shí)，拉伸強(qiáng)度為純樹脂體系的55%。稀釋劑的摻入可以降低環(huán)氧樹脂的黏度，使其適用于低溫加固工程中，但其種類與摻量仍需大量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 低溫結(jié)構(gòu)膠用固化劑

固化產(chǎn)物的性能在很大程度上取決于固化劑和促進(jìn)劑的種類。環(huán)氧樹脂的固化溫度主要取決于固化劑的特性與樹脂本身的反應(yīng)活性，雖然樹脂本身的分子結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)與固化反應(yīng)活性影響很大，但在低溫固化領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)則主要在于固化劑體系的反應(yīng)能力。試驗(yàn)研究表明：同時(shí)采用親電性與親核性試劑作為固化劑，較容易引起環(huán)氧基開環(huán)，并能迅速固化。很多科研工作者對(duì)此進(jìn)行了研究。

楊欣華等人研究了6種不同固化劑在-12～0℃溫度下的固化情況，結(jié)果表明，改性脂環(huán)胺類固化劑 MS-002（自制），其黏度為 800 mPa·s，6 d 可固化，壓縮強(qiáng)度值為62 MPa，剪切強(qiáng)度為15 MPa，滿足現(xiàn)有冬季建筑膠黏劑施工要求。程秀蓮等人用硫脲對(duì)三乙烯四胺進(jìn)行改性，改性后的固化劑可在-5℃下固化環(huán)氧樹脂，固化時(shí)間144 h時(shí)，膠膜硬度可達(dá)0.939。現(xiàn)有文獻(xiàn)中，馬詩緯等人采用改性脂肪胺對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行低溫固化。李明軒等人對(duì)進(jìn)口多硫醇以及改性脂肪族聚胺等做了大量的研究，其結(jié)構(gòu)表明，改性脂肪族聚胺的低溫活性較強(qiáng)，可在5℃下30 min內(nèi)基本硬化，且具有一定強(qiáng)度。煙臺(tái)大學(xué)的張新濤等人用硫脲與異佛爾酮二胺（IPDA）進(jìn)行縮合，制得一種高活性的環(huán)氧固化劑，在（-5±3）℃，凝膠時(shí)間為10.6 min，固化完成后，抗剪強(qiáng)度可達(dá)到19 MPa。中科院的黃月文通過對(duì)脂肪胺的羥甲基化和Mannich堿反應(yīng)改性并與催化劑復(fù)配，制出一種可低溫快速固化的環(huán)氧樹脂固化劑，在0℃時(shí)，1 d可固化，并用于潮濕基面。

大量的研究表明，現(xiàn)有的固化劑大多無法實(shí)現(xiàn)低溫固化，需對(duì)固化劑進(jìn)行改性或不同固化劑之間進(jìn)行復(fù)配，方可實(shí)現(xiàn)低溫下固化。

環(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生固化反應(yīng)，除了一般的脂肪胺和部分脂環(huán)胺類固化劑可以在常溫下固化，其他大部分脂環(huán)胺和芳香胺以及幾乎全部的酸酐固化劑都需要在較高溫度下才能發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)。為了降低固化反應(yīng)溫度，縮短固化反應(yīng)時(shí)間，采用固化促進(jìn)劑是很必要的[7]。

3 結(jié)論

固化溫度對(duì)固化物的性能具有重要影響，低溫下固化有效降低了體系內(nèi)產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力，其固化物的性能優(yōu)于高溫固化物的性能。發(fā)展低溫固化結(jié)構(gòu)膠，可有效降低施工現(xiàn)場因加熱樹脂與固化劑產(chǎn)生的能源消耗和施工技術(shù)難度。

低溫固化結(jié)構(gòu)膠技術(shù)雖取得了不少進(jìn)展，但仍存在很大問題，現(xiàn)有的低溫固化產(chǎn)品中如聚硫醇類，其單體的氣味和毒性很大，施工工人不愿施工，且該類產(chǎn)品多依賴進(jìn)口。

今后的發(fā)展主要應(yīng)集中在固化物綜合性能方面的檢驗(yàn)，而不僅僅局限于現(xiàn)有的固化時(shí)間測試。研究和開發(fā)低成本、低毒、可在低溫下快速固化、綜合性能良好的低溫結(jié)構(gòu)膠是橋梁加固用結(jié)構(gòu)膠的未來發(fā)展方向。