組合填料對建筑結構膠力學性能的影響

喬易飛

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊 830011）

建筑結構膠作為一種具有粘接性能好、良好耐疲勞和耐腐蝕等特性的粘接材料，在建筑結構加固和改造工程中有較為廣泛的應用，如粘鋼接骨、密封灌縫和植筋錨固等［1-2］，尤其是隨著近年來城鎮化建設的發展和老舊社區的更新改造，建筑結構膠的需求得到了迅速釋放，也給建筑結構膠帶來的巨大的發展機遇。然而，目前國內市場上應用較多的建筑結構膠主要依賴于進口，國內雖然也有少數廠家投資進行了建筑結構膠的開發與生產，但是整體質量和穩定性與國外進口結構膠還有一定差距［3-5］。較為典型的問題是，國內應用較多的環氧樹脂結構膠存在脆性較大，無法滿足建筑施工對強塑性的要求等［6-7］，較為可行的方法是對環氧樹脂結構膠進行增韌改性處理，而目前這方面的研究報道較少［8-9］。本文嘗試以碳酸鈣和硅微粉為組合填料，并考察組合填料含量對建筑結構膠抗壓性能和拉伸性能的影響，以期開發出具有高強塑性的建筑結構膠，并有助于推廣其在建筑領域的應用，逐步取代進口產品。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

E-44雙酚A型環氧樹脂（色澤號6、40℃時粘度為2250MPa?s、軟化點16℃、環氧值0.42eq/100g），上海凱茵化工有限公司；聚酰胺（粘度17500MPa?s、胺值420、可使用時間5h），定遠縣丹寶樹脂有限公司；593型固化劑（粘度100MPa?s、胺值550、可使用時間3h），濟南百進化工科技有限公司；偶聯劑為 KH-550硅烷偶聯劑（無色、密度0.96g/cm3、沸點218℃、閃點98℃），濟南英出化工科技有限公司；稀釋劑為501丁基縮水甘油醚（粘度4mPa?s、環氧值0.4eq/100g、有機氯0.05eq/100g、無機氯0.001eq/100g，初餾點128℃），濟南易盛樹脂有限公司；碳酸鈣（粒徑80nm、比表面積30m2/g、純度99.9%），山東今朝化工有限公司；硅微粉（粒徑2500nm、純度96.8%），山東今朝化工有限公司。

1.2 試驗設備

AT21型電子天平，梅特勒-托利多集團中國公司；LHTLHT 6/30型烘箱，弗爾德(上海)儀器設備有限公司；MTS-810型萬能拉伸試驗機，美國MTS公司；YYU-10/50型電子引伸計，鋼研納克檢測技術股份有限公司。

1.3 試件制備

固化劑為體積比3：2的聚酰胺和593型固化劑經過攪拌和消泡后得到的混合物；填料為質量比1：1的碳酸鈣和硅微粉混合物；建筑結構膠力學性能測試試件根據GB/T 2567-2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行制作，固化劑、偶聯劑和稀釋劑分別占環氧樹脂的1/2（1/3）、5%和10%，組合填料含量介于3%~15%之間。結構膠液進行攪拌和消泡后轉入定制模具中，60℃/0.5h固化后脫模，然后進行室溫7天固化處理。

1.4 測試與表征

拉伸性能和抗壓性能：根據GB/T 2567-2008，在拉伸試驗機上進行了抗壓性能和拉伸性能測試，最終結果取5組試樣的平均值，拉伸和壓縮速率都設定為2mm/min。

2 試驗結果與分析

圖1為7%組合填料的建筑結構膠的壓應力-橫梁位移曲線。典型抗壓過程中的壓應力-橫梁位移曲線可分為OA、AB和BC三個階段：（1）OA階段的壓應力-橫梁位移曲線下凸，其曲線變化主要與結構膠的彈性變形有關，此時結構膠表面會呈現逐漸有表面鼓面的現象；（2）AB階段的壓應力-橫梁位移曲線上凸，這個過程中的彈性變形和塑性變形同時存在［10］，結構膠試件表面會逐漸鼓起，并在B點時達到抗壓強度最大值，局部會出現細小裂縫；（3）BC階段對應結構膠試件的壓應力減小階段，這個過程中，結構膠內部裂紋等逐漸增多，抗壓強度逐漸減小，待抗壓強度降幅較快、內部裂縫較多時（位置C處）停止加載。

圖1 7%組合填料的建筑結構膠的壓應力-橫梁位移曲線（固化劑占1/2）Fig. 1 Compressive stress beam displacement curve of building structural adhesive with 7% composite filler (curing agent accounts for half)

圖2為不同組合填料占比的建筑結構膠的抗壓強度測試結果。對于未添加組合填料的結構膠試件，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為63.48MPa和62.24MPa；當組合填料占比為3%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為77.46MPa和76.36MPa；當組合填料占比為5%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為83.32MPa和79.49MPa；當組合填料占比為7%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為79.03MPa和80.92MPa；當組合填料占比為10%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為75.74MPa和78.07MPa；當組合填料占比為15%時，固化劑占比為1/2和1/3時的抗壓強度分別為74.32MPa和76.54MPa。可見，隨著組合填料占比從0%增加至15%，固化劑占1/2和固化劑占1/3的結構膠試件的抗壓強度都呈現先增加后減小的特征，相應的抗壓強度最大值分別出現在組合填料占比為5%和7.5%時，組合填料占比5%、固化劑占1/2的結構膠試件的抗壓強度最大，而組合填料占比達到7.5%及以上時，相同組合填料占比且固化劑占1/3的結構膠試件的抗壓強度要大于固化劑占1/2的結構膠試件。此外，添加有組合填料的結構膠試件的抗壓強度都高于未添加組合填料的試件。圖3為不同組合填料含量的建筑結構膠的拉應力-橫梁位移曲線，分別列出了組合填料為5%和15%時的加載曲線，固化劑占1/2。當組合填料占比為5%時［圖3(a)］，建筑結構膠的拉應力-橫梁位移曲線中也可見典型的三階段特征，分別為OA階段的彈性變形階段、AB階段的彈性變形和塑性變形共存階段，以及BC階段的拉應力降低階段，在加載進行到位置C時，結構膠試件發生斷裂。當組合填料占比為15%時［圖3(b)］，結構膠試件的拉應力-橫梁位移只有前兩個階段，即在開始階段拉應力隨著橫梁位移增加而增大，結構膠試件表現為彈性變形特征；第二個階段的拉應力會隨著位移增加而持續增大，結構膠試件同時發生彈性變形和塑性變形，當達到抗拉強度最大值時突然斷裂，拉伸試驗結束；當組合填料占比為15%時的拉應力-橫梁位移曲線中未見載荷降低的第三個階段，這主要是因為此時組合填料較多，結構膠試件制備過程中會形成較多的氣泡等缺陷［11］，從而在結構膠試件內部產生局部應力集中，在加載過程中應力集中處易于萌生裂紋并快速擴展直至斷裂［12］，這也是不同組合填料占比時結構膠試件的加載過程的不同之處。

圖2 不同組合填料占比的建筑結構膠的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of building structural adhesive with different proportions of composite fillers

圖3 不同組合填料含量的建筑結構膠的拉應力-橫梁位移曲線Fig. 3 Tensile stress beam displacement curve of building structural adhesive with different composite filler content

圖4為不同固化劑占比的建筑結構膠的抗拉強度-組合填料含量曲線，表1中同時列出了不同組合填料含量和固化劑占比的結構膠試件的抗拉強度和斷后伸長率測試結果。可見，固化劑占比1/2和1/3時，結構膠試件抗拉強度都在組合填料含量為3%時取得最大值；在結構膠中添加3%~15%的組合填料，試件的抗拉強度和斷后伸長率可以得到不同程度提高，即在結構膠中添加組合填料有助于提升結構膠試件的強塑性。

圖4 不同固化劑占比的建筑結構膠的抗拉強度-組合填料含量曲線Fig. 4 The curve of tensile strength and composite filler content of building structural adhesive with different curing agent proportion

表1 建筑結構膠的抗拉強度和斷后伸長率Table 1 Tensile strength and elongation of building structural adhesive

圖5為不同固化劑占比的建筑結構膠的拉伸彈性模量和組合填料含量關系曲線。可見，當固化劑占1/2時，結構膠試件的拉伸彈性模量整體呈現隨著組合填料增加而先增大后減小的特征，在組合填料含量為7%時取得拉伸彈性模量最大值；當固化劑占1/3時，結構膠試件的拉伸彈性模量整體呈現隨著組合填料增加而先增大后減小的特征，在組合填料含量為5%時取得拉伸彈性模量最大值。在相同組合填料含量時，固化劑占1/3的結構膠試件的拉伸彈性模量都要高于固化劑占1/2的結構膠試件，這也就說明，固化劑占環氧樹脂比例越大則結構膠試件的彈性模量相對越小，剛度和抵抗變形的能力相對較小；此外，在結構膠試件中添加3%的組合填料就可以使得結構膠的彈性模量大幅提升，即少量組合填料的添加就可以明顯提升結構膠試件抵抗變形的能力。

圖5 不同固化劑占比的建筑結構膠的拉伸彈性模量和組合填料含量關系曲線Fig. 5 Relationship curve between tensile modulus and composite filler content of building structural adhesive with different curing agent proportion

綜合而言，在結構膠中添加碳酸鈣和硅微粉組成的組合填料，可以明顯提升建筑結構膠的抗壓強度、抗拉強度、斷后伸長率和彈性模量，更加有利于建筑結構膠在實際建筑工程中的應用，這主要是因為結構膠彈性模量等的提高有助于粘接試件力的均勻傳播，提高整體構件的協調變形作用［13］。

3 結論

（1）隨著組合填料占比從0%增加至15%，固化劑占1/2和1/3的結構膠試件的抗壓強度先增加后減小，最大值分別出現在組合填料占比為5%和7.5%時，組合填料占比5%、固化劑占1/2的結構膠試件的抗壓強度最大，而組合填料占比達到7.5%及以上時，相同組合填料占比且固化劑占1/3的結構膠試件的抗壓強度要大于固化劑占1/2的結構膠試件。

（2）固化劑占比1/2和1/3時，結構膠試件都在組合填料含量為3%時取得抗拉強度最大值；在結構膠中添加3%~15%的組合填料，試件的抗拉強度和斷后伸長率可以得到不同程度提高。

（3）當固化劑占1/2和1/3時，結構膠試件的拉伸彈性模量整體隨著組合填料增加而先增大后減小，在組合填料含量分別為7%和5%時取得最大值。