環氧樹脂膠粘劑在鋼結構施工中的現場配置及使用

張 渺

（武漢城市建設集團有限公司，湖北 武漢 430010）

在建筑工程施工過程中，經常會用到膠粘劑。其中，環氧樹脂膠粘劑是常用類型。這種膠粘劑由固化劑和環氧樹脂組成，具有較高的改性和固化性能，且抗壓、抗彎強度高。在環氧樹脂膠粘劑中，環氧樹脂分子內含有大量活性很高的環氧基，可以與多元胺類化合物、酸酐等不同的化合物發生反應，進而獲得理想的綜合性能。目前，環氧樹脂固化物所制備的膠粘劑已經在諸多領域得到廣泛應用，包括航空航天、生物醫學、建筑等。

1 鋼結構現場施工粘接與環氧樹脂膠粘劑

與混凝土結構相比較，鋼結構具有自重輕，抗震性能好，資源回收價值高等特點，被稱為可重復利用型與環保型綠色建筑，因此具備十分明顯的應用優勢，近年來的應用日益廣泛。

在具體的施工過程中，針對鋼結構的連接方式，可以采用的方式有很多。以往在連接施工中，應用較多的方法為焊接連接或者螺栓連接。其中，螺栓連接工藝流程簡單，操作效率較高，但在施工過程中需要按照連接需要開孔，容易引發一定的力學問題，導致應力分布不均，影響后期的連接牢固效果。焊接加固施工具有良好的便捷性以及可靠性，往往是鋼結構加固中最傳統、最直接的選擇。焊接加固即在結構受損部位焊接金屬蓋板或型鋼，對鋼結構起到加固補強的作用。焊接加固應用時間長，技術成熟度高，但存在焊接后材料性能變差，受操作人員影響程度高的風險。

近年來，各種類型的結構膠在建筑行業中得到了越來越多的應用，膠接這種工藝也開始被越來越多地應用到各種施工過程之中。在這一工藝中，需要用到一定的建筑結構膠，環氧樹脂膠粘劑便是其中應用較多的一種類型。膠粘連接方式可以有效減少所使用構件的數量，實現結構自重的下降。同時，也可以對不同材質、不同形狀、不同壁厚等差別比較大的構件進行緊密的連接。采用膠粘連接的方式，不會削弱結構或者使結構發生翹曲變形，不影響材料的材質。另外，應用膠粘連接工藝，還可以對施工工藝予以簡化，降低對加工精度的要求，同時也可以避免焊接的各種后處理工作。在對鋼結構進行粘接處理的時候，可以采用工廠粘接的方式。這一方式需要耗費較多的時間，所產生的施工成本較高，會給施工單位帶來較大的經濟壓力。近年來，很多國家和地區在粘接特種鋼結構時，都會采用現場粘接的方式。采用這一方式可以有效提高施工效率，降低施工成本，因此具備更好的施工應用價值。鋼結構現場施工粘接過程中，具體的流程是在鋼結構表面用特制的建筑結構膠粘貼加固鋼板，使之粘接形成整體，共同承載，提高結構的穩固能力。

2 鋼結構現場施工粘接的環氧樹脂膠粘劑配置

2.1 原材料

環氧樹脂是指同個分子結構包含2個及2個以上環氧基，通過固定條件以及化學試劑可獲取三維交聯狀固化物的物質。環氧樹脂屬于熱固性樹脂，可呈現出不同的形態，包括固態和液態以及黏稠態。為了更好的滿足實際施工的需求，鋼結構現場施工粘接過程中所使用的環氧樹脂膠粘劑應當具備良好的綜合性性能，以更好的應對施工現場復雜、多變的環境條件，以及不同類型機器設備的復雜情況。為了使環氧樹脂膠粘劑可以具備上述理想性能，還需要對其進行必要的改性處理。在本研究中，在進行改性處理的時候，選擇使用一定的固化劑。相應的固化劑可以適應十分廣泛的外界溫度范圍條件，有利于提高環氧樹脂膠粘劑的實踐應用價值。在研究過程中，所使用的的原材料包括：雙酚A環氧樹脂、QS增韌劑（黃色透明液體，海島結構，強力增韌，不開裂，與環氧樹脂和酸酐互溶）1.0～1.10）、硅灰石填料、自制固化劑。

2.2 環氧樹脂膠粘劑配置

取適量的QS增韌劑與雙酚A環氧樹脂，對二者進行混合處理。在二者達到理想的混勻效果之后，按照一定的比例，向二者中添加適量的硅灰石填料，以及本次試驗自制固化劑。對上述各種成分進行混合，使其達到理想的混勻狀態。

2.3 試樣的制作

為滿足試驗需求，需要對試驗需要的樣品進行制備。在具體的制備過程中，需要對試樣進行一定的處理，使其具備試驗所需的膠接強度。按照試驗的需要，制備的步驟主要準備相關材料、處理試樣的膠接表面、膠接工以及固化等。在此次研究中，在制作試樣的時候，首先取適當大小的鋼試樣，對其表面進行必要的處理。通過吹砂處理，借助高速砂流的沖擊作用，對鋼試樣的表面進行粗化處理。處理完畢后，取適量所配置的環氧樹脂膠粘劑，均勻的涂抹在鋼試樣的粘接處。涂薄膠層，對鋼試樣進行合攏后，適當加壓促使環氧樹脂膠粘劑固化。壓力條件控制為0～4 MPa，并將鋼試樣置于常溫或者加熱條件下進行固化處理。

2.4 試樣力學性能的測試

在完成對試驗中試樣的制備之后，對其進行一定的測試，檢測其力學性能。在測試過程中，參照GB/T 7122標準中的剝離強度，剪切強度則按照GB 7124標準進行測試。

2.5 QS增韌劑和聚硫橡膠增韌處理下的膠粘劑剝離強度與剪切強度測試結果比較

環氧樹脂膠粘劑是由環氧樹脂、增韌劑、促進劑、稀釋劑、填充劑、偶聯劑、阻燃劑、穩定劑等組成的液態或固態膠粘劑。膠粘涉及到濕潤和粘附以及固化等多個不同的步驟，并涉及到一定的物理變化和化學反應。通過一定的步驟和反應，可以生成三維交聯結果的固化物。在實際施工過程中，針對環氧樹脂膠粘劑，可以使用不同的材料進行改性處理，以達到不同的增韌效果，更好的滿足日常施工的需求。以往在進行處理的過程中，聚硫橡膠的應用較多。應用聚硫橡膠對環氧樹脂膠粘劑進行增韌處理，在膠粘劑固化之前，會產生較為明顯的刺激性氣味，給工作人員帶來一定的不便，也影響到外界環境條件。同時，在貯存的過程中，也容易出現分層現象。在本文的研究過程中，選擇使用QS增韌劑對環氧樹脂實施增韌處理，其無異味、貯存穩定、韌性良好。同時，QS增韌劑與環氧樹脂之間還存在良好的互溶性，在處理過程中，QS增韌劑可以對環氧樹脂產生一定的稀釋作用，可以促使膠粘劑在不同的條件下保持合適的黏度，以更好的滿足現場施工對不同黏度的實際需求。為了更為直觀的掌握QS增韌劑和聚硫橡膠增韌處理下的膠粘劑具體性能，在此次研究中，借助一定的儀器進行了測試，測試的指標包括膠粘劑剝離強度與的剪切強度。具體的測試結果如表1所示。

表1 QS增韌劑和聚硫橡膠增韌處理下膠粘劑剝離強度與的剪切強度測試結果比較Tab.1 Comparison of test results of adhesive peeling strength and shear strength under QS toughening agentand polysulfide rubber toughening treatment

通過對表1中的測試結果進行分析和比較可知，與應用聚硫橡膠進行增韌處理產生的效果進行比較可以發現，在選擇使用QS增韌劑對環氧樹脂膠粘劑進行一定的增韌處理之后，相應的膠粘劑剪切強度以及剝離強度十分理想。對相應的強度進行綜合分析和比較，與聚硫橡膠改性膠粘劑進行比較，存在十分明顯的優勢。結合上述實驗結果進行分析發現，在不同的改性處理過程中，如果選擇使用QS增韌劑進行改性處理，所獲得的環氧樹脂膠粘劑具備十分理想的綜合性能。

2.6 不同QS增韌劑用量條件下膠粘劑的剝離強度與剪切強度測試結果比較

環氧膠粘劑的粘接力較大，粘接強度高，在各種施工活動中得到了十分廣泛的應用。但在對各種鋼結構實施膠粘或者加固處理的時候，所使用的膠粘劑還需要具備較好的綜合性能，包括良好的韌性、抗剝離性等。為了滿足上述實際需求，在此次試驗中，選擇在環氧樹脂體系中添加適量的增韌劑，以有效促使環氧樹脂膠粘劑粘接強度的大幅度上升，以及疲勞強度大幅度提高。另外，也有利于提高膠粘劑的低溫抗開裂能力，以及抗冷熱沖擊能力。在對其進行增韌處理的過程中，可以按照實際需求，添加不同份數的增韌劑。不同的QS增韌劑用量條件下，所獲得的膠粘劑在剝離強度以及剪切強度方面也會存在一定的差異。此次研究中，對實驗所配置的環氧樹脂膠粘劑的剝離強度與剪切強度進行了測試，具體的測試結果如表2所示。

表2 不同QS增韌劑用量條件下膠粘劑的剝離強度與剪切強度測試結果比較Tab.2 Comparison of test results of adhesivepeel strength and shear strength under different QS toughening agent dosage

在測試過程中，固化過程反應的時間為30 min，溫度條件設定為80 ℃。對表2中的各項數據結果實施綜合性的分析可以發現，通過不斷增加所添加QS增韌劑的分量，對應的環氧樹脂膠粘劑性能也會隨之出現一定的改變，并體現在剝離強度不斷提高方面。其中，使用18和25份QS增韌劑用量的情況下，對應的環氧樹脂膠粘劑剪切強度最為理想。因此，在使用QS增韌劑作為環氧樹脂膠粘劑增韌劑的時候，可以將其實際使用用量控制在18～25份內，以確保所配置的環氧樹脂膠粘劑具有優良的膠接剪切強度和剝離強度，更好的滿足實際施工的需求。

2.7 不同溫度條件下膠粘劑的凝膠時間與固化時間、剪切強度比較

在鋼結構的現場施工過程中，外界環境條件會對膠粘劑的應用效果產生十分顯著的影響。因此，在對膠粘劑相關性能進行研究的時候，還需要充分考慮到外界環境情況，尤其是溫度條件的影響效果。實際施工中，環境溫度往往會處于不斷發展變化的狀態之中，溫度波動范圍較大。根據這一情況，在試驗相關溫度范圍內，本次研究所設定的溫度范圍為常溫至80 ℃。在研究中，還對不同溫度條件下膠粘劑的凝膠時間與固化時間、剪切強度進行了測試。其中，通過測試不同溫度條件下測試膠粘劑的凝膠時間，可以對其固化工藝予以明確。凝膠時間的測試過程中，選擇使用手動攪拌拉絲法，如圖1所示。具體的環氧樹脂膠粘劑凝膠時間為兩組分混合反應直至出現拉絲現象所用時間。試驗中設置不同的溫度條件，分別為20、60、70、80 ℃。

圖1 凝膠試驗過程（從左至右分別為：液態→拉絲狀態→凝膠階段）Fig.1 Gel test process (from left to right: liquid brushed state gel stage)

在環氧樹脂的固化過程中，一共分為3個階段，分別是液態階段和凝膠階段以及固化階段。以不同的固化工藝條件為標準，測試所配置的環氧樹脂膠粘劑的粘接性能，具體測試所得結果如表3所示。

表3 不同溫度條件下膠粘劑的凝膠時間與固化時間、剪切強度比較Tab.3 Comparison of gel time，curing time and shear strength of adhesive at different temperatures

結合表3中的數據結果進行分析可以了解到，本次研究中所配置的環氧樹脂膠粘劑具有廣泛的固化工藝。同時，在在不同的固化工藝條件下，均具備穩定的膠接強度。結合測試結果可知，本次研究中所配置的環氧樹脂膠粘劑具備良好的實際應用性能。在實際的應用過程中，施工現場對膠粘劑的具體要求會受到現場所使用的各種機器設備和生產效率等實際條件的影響。為確保施工效果，還需要結合施工需求應用適宜的固化工藝參數。同時也可以確保在現場施工溫度波動較大的條件下，依然保持良好的工藝狀態，獲得最佳的施工膠接效果。

2.8 不同環境下膠粘劑的耐老化性能比較

環氧樹脂結構中存在穩定的苯環，醚鏈且固化后結構致密，這決定了環氧膠粘劑對大氣、潮濕、化學介質、細菌等的作用有很強的抵抗力，因此非常適合在建筑工程中使用。在各種高分子材料的實際應用過程中，多種外界環境因素會對其產生影響，導致其出現不同程度的老化現象，影響其使用壽命。在鋼結構現場施工粘接過程中，在使用環氧樹脂膠粘劑的時候，所面臨的環境條件十分復雜，極易出現老化現象。為了解本次研究中所配置的環氧樹脂膠粘劑的耐老化性能，在研究中，設置了若干種典型的環境條件，將研究中所配置的環氧樹脂膠粘劑置于相應的環境條件下，一個月后，觀察相應的膠接性能，以評估此次研究配置的環氧樹脂膠粘劑的耐老化性能。具體的測試結果如表4所示。

表4 不同環境下膠粘劑的耐老化性能比較Tab.4 Comparison of aging resistance of adhesives in different environments

由表4可知，研究中所配置的環氧樹脂膠粘劑具備良好的耐老化性能。將其置于航空潤滑油浸泡環境下，基本上不會影響到其性能。將其置于海水或者濕度較大的環境中，也可以獲得較為理想的性能檢測結果，測試所得剪切強度結果顯示，該指標未出現明顯的下降。由此可知，研究中所配置的環氧樹脂膠粘劑具備優良的海水浸泡性能和耐濕熱老化性能。

3 結語

總之，環氧樹脂膠粘劑作為一種新型的化工材料，在建筑領域日益發揮重要的作用。從建筑的加固維修、公路道路的修補，到橋梁、廠房的梁柱缺損補強、柱子接長、懸臂梁粘接、水泥樁頭接長等都有環氧樹脂膠粘劑的使用，其優異的性能與應用改變了傳統施工的方法。在剛鋼結構現場施工過程中，也可以選擇使用環氧樹脂膠粘劑，以達到高效施工的目的，獲得更好的施工效果。