增韌劑的種類與用量對橋梁加固用結構膠拉伸性能的影響

郭炳錕

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國經濟進入高速發展階段，公路建設已由新建逐漸轉為建養并重，尤其是對公路中橋梁工程的質量有了更高要求。橋梁是保證公路暢通運行的核心要素。對于橋梁病害的研究與處理已經引起了工程界的足夠重視[1]，橋梁的加固技術與加固材料也取得了很大的進展，其中粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料等加固方法中均采用到一種高分子材料——結構膠。結構膠主要材料為環氧樹脂。環氧樹脂本身為線型、熱塑性的，黏稠液體或固體，不具有任何使用價值。待加入固化劑后，固化劑與環氧樹脂發生交聯反應，生成不溶不熔物，質地堅硬但較脆。環氧樹脂的斷裂能和斷裂韌性分別為0.04～0.37 kJ/m2、0.66～1.5 MN/m1.5，遠低于其他塑料，不耐沖擊，較大程度限制了環氧樹脂的應用。為改善環氧樹脂的脆性與低韌性，常在環氧樹脂與固化劑體系中加入一定量的增韌劑。

作為增韌的方法，通常是向雙酚A環氧樹脂的剛性結構導入玻璃化溫度更低的柔性鏈狀結構，將鏈增長，交聯點間分子質量增大，交聯密度下降，從而起到增韌的作用。目前用于環氧體系增韌的主要有熱塑性樹脂[2]、熱致液晶[3]、納米粒子[4]、超支化聚合物[5]、前段共聚物[6]、柔性（增韌）固化劑[7]和環氧化脂肪酸甘油酯[8]等。不同種類的增韌劑對環氧樹脂體系的作用機理不同，改善程度也不盡相同，本文選擇了3種不同種類的增韌劑，研究其對橋梁加固用結構膠的影響作用。

1 試驗部分

1.1 原材料

E-51環氧樹脂：岳陽石油化工總廠環氧樹脂廠；固化劑：自主合成酚醛胺類固化劑；增韌劑1、2、3分別為自主合成3種類型增韌劑（遙爪型分子結構、聚氨酯改性樹脂、通用型）固化劑；促進劑DMP-30：常州山峰化工有限公司；硅微粉：東海縣晶盛源硅微粉有限公司。

1.2 儀器設備

萬能試驗機，CMT4304，深圳新三思材料檢測有限公司。

1.3 樣品制備與性能測試

表1 原材料用量

按表1所述各原材料用量，分別配制橋梁加固用結構膠A、B組分，熟化24 h后進行試驗。A、B組分分散均勻后，靜置0.5 h排氣。拉伸試件按照GB 2567—2008中尺寸澆筑于相應模具中，振蕩消泡，制作試件，并于室溫下養護7 d，方可進行測試。

表2 試驗代號

拉伸性能按《樹脂澆鑄體性能試驗方法》GB/T 2567—2008進行測試。

2 結果與討論

2.1 增韌劑種類及用量對固化物形貌的影響

圖1 增韌劑種類及用量對固化物形貌的影響

由圖1可以看出，增韌劑的種類不同對環氧樹脂固化物形貌的影響差別較大。使用增韌劑1、3后，固化物體系不再透明，呈現出不同程度的變色；使用增韌劑2后，環氧樹脂體系固化物仍保持透明。分析原因為：增韌劑1為遙爪型分子結構，屬于多官能團嵌段高分子預聚物，增韌劑3為一種低黏度兼具稀釋與增韌作用的分子形聚合物，二者在環氧體系中均勻分散，固化前分散，固化后分相，體系形貌發生明顯變化。增韌劑2為一種聚氨酯改性樹脂，與環氧樹脂相容性較好，固化后均不發生分相，體系仍為透明。

2.2 增韌劑種類及用量對拉伸強度的影響

在拉伸試驗中，試樣直至斷裂為止所受的最大拉應力即為拉伸強度。由圖2可以看出，不同種類的增韌劑對環氧樹脂體系的影響不同。增韌劑1對環氧樹脂體系的增韌效果穩定于增韌劑2、3。增韌劑1用量變化對體系的增韌效果不大，增韌作用隨用量的變化呈現緩慢增長趨勢，體系的拉伸強度較高。增韌劑2用量變化對體系增韌作用改善明顯，相對于增韌劑用量為5%時，增韌劑用量10%、15%條件下，拉伸強度分別提升10.94%、3.94%。增韌劑3對體系增韌作用，規律性不強，但拉伸強度總體優于增韌劑2。

圖2 增韌劑種類及用量對固化物拉伸強度的影響

2.3 增韌劑種類及用量對拉伸模量的影響

圖3 增韌劑種類及用量對固化物拉伸模量的影響

在彈性變形區域，材料發生可完全恢復的彈性變形，應力和相應應變呈正比例關系。拉伸曲線中直線部分的斜率即是拉伸彈性模量值，它代表材料的剛度。具體試驗結果見圖3。由圖3可知，3種增韌劑對體系拉伸模量的影響是一致的，且其隨用量的變化是一致的，均為隨著增韌劑用量的增加，體系的拉伸模量呈不同程度的下降。說明增韌劑的引入降低了環氧體系的剛度，改善了體系的脆性，改變了體系抵抗變形的能力。

2.4 增韌劑種類及用量對伸長率的影響

伸長率是指試樣在拉伸斷裂后，原始標距的伸長與原始標距之比的百分率。伸長率是表示材料均勻變形或穩定變形的重要參數。具體試驗結果見圖4。由圖4可以看出，3種增韌劑對體系伸長率變化的影響是一致的，且增韌劑的用量對伸長率的影響是一致的，均隨著增韌劑用量的增加而增加，增韌劑3對伸長率的改善作用明顯。對比圖3與圖4，可以看出，增韌劑種類與用量變化對體系拉伸模量與伸長率的影響是恰恰相反的。

圖4 增韌劑種類及用量對固化物伸長率的影響

3 結論

a）不同種類的增韌劑對固化物形貌的影響不同，是由增韌劑中“增韌分子”的不同而決定。

b）增韌劑的引入，不同程度提高了體系的拉伸強度與伸長率，但拉伸模量有所下降。增韌劑可有效改善體系的剛性，使其在拉伸時，發生穩定變形。