填料對(duì)橋梁加固用環(huán)氧樹脂膠粘劑性能的影響研究

林 浩，周秀茹

（1.山西省交通科學(xué)研究院，新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；2.太原師范學(xué)院教師教育學(xué)院，山西 晉中 030619）

隨著重型車輛荷載不斷增加、交通量不斷增大，人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能要求的提高，地震、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)等因素，現(xiàn)有新舊橋梁維修加固等面臨更高的要求和挑戰(zhàn)。環(huán)氧樹脂（EP）膠粘劑具有優(yōu)異的性能，在膠粘劑、加固補(bǔ)強(qiáng)和涂料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1，2]。日本等國(guó)家，地震頻發(fā)引起橋梁的修復(fù)加固，推動(dòng)了EP膠粘劑等結(jié)構(gòu)膠的迅速發(fā)展[3]。填料在EP膠粘劑中所占比例較大，填料的性質(zhì)將嚴(yán)重影響EP膠粘劑的整體性能。我國(guó)橋梁橫穿山川、河流，服役環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，橋梁加固維修環(huán)境可概括為3種典型環(huán)境，第1種以北方地區(qū)干旱少雨，空氣干燥為代表；第2種以沿海地區(qū)高潮濕、多洪澇環(huán)境為代表；第3種以橋墩、基礎(chǔ)等水下環(huán)境為代表。這就要求在不同的維修加固環(huán)境，EP膠粘劑與性質(zhì)各異的填料配合使用，以滿足各種加固環(huán)境的要求[4～6]。EP膠粘劑中添加無(wú)機(jī)填料能進(jìn)一步改善EP膠粘劑的疏水性和韌性等性能，降低EP膠粘劑的熱線脹系數(shù)和收縮率，提高EP膠粘劑的粘接性、耐老化性和耐磨性，并延長(zhǎng)其服役壽命[7，8]。另外，無(wú)機(jī)填料能降低EP膠粘劑用量，降低EP膠粘劑配方的原料成本[9]。研究無(wú)機(jī)填料改性EP膠粘劑，對(duì)提高EP膠粘劑的力學(xué)性能、降低EP膠粘劑原料成本具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外有很多專家對(duì)EP膠粘劑中添加各種無(wú)機(jī)填料進(jìn)行了深入的研究，Pluart等[10]利用蒙脫土作為環(huán)氧樹脂填料，來(lái)調(diào)節(jié)EP固化物的硬度和韌性，并且保持其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。劉濤等[11]研究表明，EP膠粘劑中添加適量活性硅微粉，可提高EP固化物的綜合力學(xué)性能，有效降低配方成本。普通硅微粉對(duì)EP膠粘劑力學(xué)性能影響較小，對(duì)其提純后，吸油值和比表面積都顯著增大，可有效提高EP膠粘劑的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。唐明等[12]用納米二氧化硅改性環(huán)氧樹脂E44，有效地提高了錨固用EP膠粘劑的界面粘接效應(yīng)和耐介質(zhì)性能。蛭石、膨潤(rùn)土和高嶺土等層狀硅酸鹽可提高環(huán)氧樹脂的機(jī)械性能、阻燃性能和隔熱性能[13～16]。 辛社偉[17]研究了滑石粉、蒙脫土作為EP膠粘劑的填料，對(duì)水下EP膠粘劑固化物拉伸剪切強(qiáng)度的影響。聶亞楠等[18]研究表明，石棉纖維、二氧化硅和水泥等填料可提高EP膠粘劑黏度，提高其觸變性、力學(xué)性能和粘接性能。

上述研究在填料對(duì)EP膠粘劑性能的影響研究方面取得了一定成果，但大部分研究?jī)H考慮了EP膠粘劑在空氣中使用的情況，沒有系統(tǒng)研究不同無(wú)機(jī)填料改性的EP膠粘劑在空氣中、濕面及水下施工環(huán)境固化性能和粘接性能的不同，更沒有對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行深入分析。

本文考查7種無(wú)機(jī)填料（硅微粉、高嶺土、膨潤(rùn)土、滑石粉、碳酸鈣、水泥和粉煤灰）配方的EP膠粘劑在3種不同施工及固化環(huán)境下（空氣中施工空氣中固化，濕面環(huán)境施工水下固化及水下施工水下固化）鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度的規(guī)律，結(jié)合7種填料的主要成分、密度和與EP膠粘劑的相容性，分析影響EP膠粘劑鋼對(duì)鋼拉伸剪切強(qiáng)度的主要因素，提出針對(duì)不同施工及固化環(huán)境條件下，對(duì)應(yīng)的EP粘接性能最好的EP膠粘劑填料。揭示填料成分、密度及EP膠粘劑的相容性3種因素與EP膠粘劑在空氣中施工空氣中固化，濕面環(huán)境施工水下固化及水下施工水下固化性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及基本規(guī)律，從而對(duì)無(wú)機(jī)填料對(duì)EP膠粘劑在不同施工及固化環(huán)境下的固化性能的研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

環(huán)氧樹脂（E-51），工業(yè)級(jí)，藍(lán)星化工新材料股份有限公司；1622T固化劑，QSP24F型增韌劑，工業(yè)級(jí)，北京金島奇士材料科技有限公司；電工級(jí)活性硅微粉，河南鄭州市金石耐材有限公司；工業(yè)級(jí)煅燒高嶺土、膨潤(rùn)土、滑石粉、活化重質(zhì)碳酸鈣、水泥和粉煤灰，太原市永翔順商貿(mào)有限公司；100 mm×25 mm×1.8 mm型C45#鋼片，南京五金有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

GDW4025型高低溫試驗(yàn)箱，上?；|試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；試驗(yàn)用分散機(jī)（FS-0.4），秦皇島億利化工機(jī)械有限公司；噴砂機(jī)（6050E），溫州市百輝機(jī)械有限公司；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT4304），美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司（中國(guó)）；電子天平（LT3001E），常熟市天量?jī)x器有限責(zé)任公司。

1.3 結(jié)構(gòu)膠的配方組成

A組分中環(huán)氧樹脂、填料，增韌劑、稀釋劑、消泡劑、分散劑和觸變劑按表1配比混合，高速分散機(jī)均勻分散40 min，立即用三軸研磨機(jī)研磨3遍，所得A組分配方均勻細(xì)膩，觸變性較好；B組分固化劑按比例加入A組分中，分散至膠體均勻細(xì)膩，真空攪拌脫泡。

1.4 試樣制備及測(cè)試

拉伸剪切試件按照GB 7124—2008《膠

表1 結(jié)構(gòu)膠配方比例Tab.1 Composition of structural adhesive

粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)定》要求，寬度為25 mm，粘接面搭接長(zhǎng)度為12.5 mm的鋼對(duì)鋼拉伸剪切試件。在鋼片粘接端12.5 mm處用鉛筆畫一橫線，然后用噴砂機(jī)將鋼片粘接端油污和鐵銹打磨干凈，露出嶄新的金屬表面。對(duì)于空氣中施工及空氣中固化的鋼對(duì)鋼拉伸剪切試件，試件成型及養(yǎng)護(hù)均在室溫23 ℃環(huán)境下進(jìn)行，試件養(yǎng)護(hù)7 d，立即測(cè)試，測(cè)試后的試件如圖1A，鋼片表面無(wú)鐵銹；對(duì)于濕面施工且水下固化的鋼對(duì)鋼拉伸剪切試件，按照GB 50728《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中，濕面施工、水下固化型結(jié)構(gòu)膠基本性能鑒定要求方法操作，A、B組分提前置于5℃的高低溫箱養(yǎng)護(hù)0.5 h，并在高低溫箱內(nèi)5℃環(huán)境下進(jìn)行拌膠，立即對(duì)濕毛巾擦拭過(guò)的鋼片進(jìn)行粘接，固定好粘接端，水下養(yǎng)護(hù)7 d，空氣中晾干3 d后，水下再次固化30 d后，立即測(cè)試，測(cè)試后的試件如圖1B，鋼片表面銹蝕嚴(yán)重；對(duì)于水下施工且水下固化的鋼對(duì)鋼拉伸剪切試件，A、B組分提前置于5 ℃的高低溫箱養(yǎng)護(hù)0.5 h，并在高低溫箱內(nèi)5 ℃環(huán)境下進(jìn)行拌膠，將鋼片置于水下，并在水下進(jìn)行粘接及固定操作，水下養(yǎng)護(hù)40 d后，立即測(cè)試，測(cè)試后的試件如圖1C，鋼片表面銹蝕嚴(yán)重。

2 結(jié)果與分析

圖1 測(cè)試后試件樣圖Fig.1 Specimen appearances after testing

表2為不同填料膠粘劑力學(xué)性能。

由表2可知，空氣中施工空氣中固化的EP膠粘劑中，第3組固化性能最差，原因是膨潤(rùn)土密度較小，吸油性較大，且與EP相容性較差，第4、5和6組達(dá)到GB 50728—2011中以混凝土為基材，粘接鋼材用結(jié)構(gòu)膠基本性能A類膠標(biāo)準(zhǔn)值，原因可能是滑石粉、碳酸鈣及水泥在EP中分散均勻，相容性好。

濕面施工、水下固化的EP膠粘劑中，只有第3組未達(dá)到以濕面施工、水下固化型結(jié)構(gòu)膠基本性能鑒定要求鑒定合格指標(biāo)。第1組和第6組濕面施工、水下固化性能較為突出，原因可能是膨潤(rùn)土密度小，且金屬離子含量高，易溶于水，而硅微粉表面疏水，所以水汽對(duì)其影響較小，水泥在水汽作用下發(fā)生硬化，其力學(xué)性能進(jìn)一步提高。

表2 不同填料膠粘劑力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of epoxy resins filled with different fillers

水下施工水下固化的EP膠粘劑中，第2、3、6和7組固化性能較差，第1組固化性能最好，可能的原因是第2、3、6和7組中，環(huán)氧樹脂A組分填料中含有金屬硅酸鹽，其在水中具有一定的溶解性，導(dǎo)致其親水性增強(qiáng)，粘接性下降。而第1組，硅微粉的主要成分是二氧化硅，其在水中顯示較強(qiáng)的惰性，親水性較差，且其在EP膠粘劑中分散均勻，是水下施工水下固化結(jié)構(gòu)膠較理想的填料。

水泥作為EP膠粘劑的填料，價(jià)格低，且在空氣中及濕面施工水下固化環(huán)境均能發(fā)揮優(yōu)越的性能，是空氣中和濕面施工用EP膠粘劑理想的填料；以硅微粉為填料的EP膠粘劑水下環(huán)境剪切強(qiáng)度最大，因?yàn)楣栉⒎蹖儆诙栊蕴盍希缓退l(fā)生反應(yīng)，且其在EP膠粘劑中分散均勻；最不適合做EP膠粘劑填料的是膨潤(rùn)土，其在3種環(huán)境中均表現(xiàn)最小剪切強(qiáng)度，主要原因是，膨潤(rùn)土吸油性太強(qiáng)，與EP相容性較差，且分散較難。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥作為EP膠粘劑的填料，價(jià)格低，在EP中分散均勻，相容性好，不產(chǎn)生沉淀，且在空氣中及濕面施工水下固化環(huán)境均能發(fā)揮優(yōu)越的粘接性能，是空氣中和濕面施工水下固化環(huán)境用EP膠粘劑的理想填料。其在水下施工水下固化環(huán)境，性能較差，其主要原因是在高含水量的環(huán)境，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，降低了EP固化物的粘接性能。

（2）硅微粉不和水發(fā)生反應(yīng)，且在EP膠粘劑中分散均勻，不產(chǎn)生沉淀，其作為EP填料在水下施工水下固化環(huán)境表現(xiàn)出優(yōu)異的粘接性能。

（3）以膨潤(rùn)土為填料的EP膠粘劑在3種環(huán)境中均表現(xiàn)最小抗剪強(qiáng)度，主要原因是，膨潤(rùn)土在EP中分散較難，相容性較差，吸油性強(qiáng)，降低了EP固化物的粘接強(qiáng)度。

（4）以水泥作為填料的EP膠粘劑，其在干燥的空氣中及濕面環(huán)境均表現(xiàn)出優(yōu)異的粘接性能，可用于無(wú)明水存在的橋梁加固環(huán)境中，其存在水下粘接強(qiáng)度較弱的缺點(diǎn)，不適合用于有水環(huán)境的橋墩、基礎(chǔ)等環(huán)境加固。

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