建設工程常用膠粘劑的發展與展望

王漢民

(青海省教育廳教育項目服務中心，青海 西寧 810008)

膠粘劑又稱粘合劑，粘合劑是通過物理和化學的表面粘附作用連接粘接材料的物質，通常能夠長期承力和環境影響廣泛應用于建筑混凝土領域。應用于受力部件時，一般要求膠接接頭所能承受的應力和被粘物本身的強度相當，剪切強度至少為5～8 MPa；常用的膠粘劑包括環氧類、聚氨酯、硅酮、丙烯酸酯類等。根據Markets and Markets公司預測，住房和基礎設施行業對膠粘劑和密封劑的高需求將提高整個建筑膠粘劑的消耗量，2015～2020年復合年增長率約為5.13%，到2020年建筑膠粘劑市場的全球市值估計為105.6億美元左右。本文將概述膠粘劑在建筑混凝土領域的發展歷史、種類及應用，并展望建筑結構膠粘劑的發展方向。

1 膠粘劑的發展歷史

膠粘劑的發展歷史長久，在遠古時代人們就以黏土和淀粉等天然物質作為膠粘劑進行簡單的粘貼工作，我國萬里長城的建造就使用了糯米和石灰混合的膠粘劑。隨著時代的發展，生漆和動物膠體開始作為粘接材料來制造木制器物，到1824年時水泥在英國人的手中誕生更是使得建筑的建造進入了新時代。在工業革命后，科技的發展使得有機高分子材料走進人類的視野，人工合成酚醛樹脂的出現開啟了現代膠粘劑的篇章。20世紀50、60年代初，美國在公路、橋梁、機場跑道等工程中使用了環氧樹脂結構膠。20世紀70年代，丙烯酸、聚氨酯等多種性能良好的膠粘劑相繼被發明并應用，膠粘劑在建筑混凝土領域的應用快速發展。1958年德國開始化學錨固膠的相關工藝發展，進入20世紀70年代，錨固膠逐漸開始應用在鐵道和水利等基礎工程領域中，用來實驗對建筑混凝土的施工與改造。我國在建筑混凝土領域的應用始于20世紀70年代末，最早是1977年，武漢鋼鐵公司在4號高爐擴產改造中的梁柱的補強工程中應用了日本產的環氧建筑結構膠。1980年，為了在技術上不被國外卡脖子，我國提出了“建筑結構膠研制及應用技術推廣”的課題。3年后，中科院大連化物所聯合遼寧建科院一同開發了達到進口膠的性能的一種環氧膠粘劑。1990年《混凝土結構加固技術規范》(CECS 25:90)由中國工程建設標準化協會發布，將建筑結構膠納入其中。2006年發布了國家標準《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2006)，進一步加快了膠粘劑在建筑混凝土領域的發展。

2 膠粘劑的分類

膠粘劑的組成成為較為復雜，通常而言，基料和固化劑是其中必不可少的部分；而填料、成分。固化劑是通過與基料充分混合，經過縮合、閉環、加成或催化等化學反應，使基料發生不可逆的變化過程，成為具有高強度和極佳化學穩定性的材料。填料作為輔料，可以增強基料的膠接強度和耐熱等性能，市場常見的填料有鋁粉和滑石粉等。抗老化劑、增韌劑等功能添加劑常用來改變基料的膠粘劑性能或給基料賦予耐熱、增強等其他功能。根據不同的分類方法可以把膠粘劑分為許多類。膠粘劑的使用需要滿足的國家標準，具體如圖1所示。

圖1 膠粘劑標準體系框架示意圖[9]

2.1 按固化方式分類

膠粘劑的固化方式常分為3種，分別是溶劑揮發型、化學反應型和熱融型。溶劑揮發型是通過溶劑將具有粘附作用的物質溶解分散，在使用時將其涂敷在連接處后通過加熱或環境揮發去掉溶劑從而形成粘接結構，常見的溶劑揮發型膠粘劑有氯丁橡膠、白乳膠燈。化學反應型膠粘劑以-氰基丙烯酸酯為代表的，通過催化或加熱膠粘劑，使固化劑與基體反應達到粘附的作用。熱融型膠粘劑顧名思義，通過加熱使得膠粘劑融化浸潤被粘接結構的表界面，在恢復室溫后膠粘劑固化并穩定，達到連接結構的粘接作用，常見的有聚丙烯酸酯、PA、聚苯乙烯。

2.2 按材料分類

按膠粘劑化學類型分類可將其分為無機型和有機型。無機膠粘劑的主要成分是無機物及其氧化物，應用溫度范圍較廣(-183～2 900 ℃)，機械性能強，固化時間短收縮小，且生產周期短、價格較低。其缺點明顯對酸堿的耐受性差，對粘接的結構有要求，不耐水且較脆。

硅酸鹽膠粘劑是以硅酸鈉作為基材添加金屬氧化物作為功能性填料的無機膠粘劑，硅酸鹽膠粘劑安全、耐高溫、耐水、對粘接表面的要求低可應用于模具的制作，可以減少模具制作的周期，且不會由于溫度升高導致變形和性能下降，提高模具的壽命和精確性。關皓琿等通過添加苯丙乳液和水性聚氨酯進一步提高硅酸鹽無機膠粘劑的粘接強度。研究配比、固化條件、溫度等因素變化對硅酸鹽無機膠粘劑的固化時間和機械性能的影響。用硅酸鹽膠粘劑處理硅酸鋅-鉀硅酸鹽涂料防腐鋼筋改善鋼筋混凝土的防腐性能，也對其涂層的機械性能進行測定。

磷酸鹽膠粘劑最優異的性能是其耐高溫和粘接強度高，其在多個領域得到應用，如航空、軍事等，航天器、空間站等的制造和維護都廣泛使用了磷酸鹽膠粘劑。在軍事上，坦克的外殼損傷修復，如果使用焊接會使外殼材料變形強度下降，用磷酸鹽膠粘劑修復可以避免這些不利的因素。開發了磷酸鹽處理技術使航空金屬的表面形成防腐蝕涂層且無需后處理。磷酸鹽膠粘劑可以提高耐蝕、耐磨性常用于設備維護、密封維修，如設備的掛痕、裂紋，破損零件的粘接修復。磷酸鹽膠粘劑具有耐高溫和高粘附性也被用于耐火材料的粘接。

硫酸鹽膠粘劑的粘接性能是由石膏(2CaSO·HO)同水發生還原反應固化而產生一定黏性的。綠色環保，從合成生產到使用各階段均無廢棄物產生，在目前環境保護意識越來越重視的情況下，硫酸鹽膠粘劑的發展前景廣闊，在工業上也被用于建筑建造的重金屬粘接。

有機膠粘劑是以有機高分子材料(多為合成樹脂)為基體材料，更具使用需求添加一定的固化劑、增塑劑、稀釋劑等配置而成的可以將制件或材料連接在一起的物質。有機膠粘劑的應用從日常生活到工業生產均有應用，種類也日益增加。

丙烯酸酯膠粘劑的基料以丙烯酸酯類單體為主，能夠在室溫條件下快速固化，操作簡單、粘接強度高、對粘接表面的要求低；但其缺陷也很明顯，如氣味大、不耐水、存儲性能差、不適用于大面積的粘接。其常用于汽車玻璃的密封、電氣設備的粘接、建筑小型結構的粘接等。

環氧樹脂膠粘劑是環氧樹脂作為基料添加多種功能性助劑的粘接劑，其對多種極性材料如金屬、水泥、塑料等粘接力強、粘接強度高、收縮小、耐腐蝕及介電性能好、耐老化、生產簡單，且與多種有機物(單體、樹脂、橡膠)和無機物(如填料等)具有很好的相容性和反應性，易于配方設計和改進；缺點：固化物的抗沖擊、抗剝離、抗開裂性能差，脆性較大、對極性小的材料如聚丙烯等的粘接性能差。其常用于建筑結構防腐蝕、設備防腐蝕、混凝土結構修復等。

酚醛樹脂膠粘劑是以酚類與醛類縮聚反應生成的樹脂作為基料添加多種功能性助劑的粘結劑。優點：粘接強度高、尺寸穩定性好、價格低；缺點：韌性差、收縮大、受化學品腐蝕。其最大的應用是木材加工業，尤其是木制家具。

脲醛樹脂膠粘劑是以尿素和甲醛聚合反應生產的樹脂作為基料添加多種功能性助劑的粘結劑。其具有耐水、耐化學藥品侵蝕、工藝簡單、價格低廉的優點。由于其會釋放甲醛等危害人體的氣體其使用逐年減少。

2.3 按用途分類

按膠粘劑的用途分類，可分為機械、電子、建筑、航空航天膠粘劑4大類。其中建筑領域的粘合劑可分為建筑膠粘劑和裝飾膠粘劑。裝飾膠粘劑多用于墻外瓷磚的粘貼、玻璃幕墻的玻璃與鋼支撐結構的結合、地下室的防水填縫處理、室內裝修等。建筑結構膠粘劑多用于大型鋼筋混凝土砌體結構的材料粘接、建筑預制結構的制備、鋼架結構的粘接等。

2.4 按基料分類

根據膠粘劑的基體材料的種類可分為環氧、聚丙烯酸酯、聚氨酯、烯類等膠粘劑。環氧樹脂分子結構中含有環氧基團，具有優良的粘接性能、耐腐蝕、電絕緣性能和機械性能好，在金屬/金屬、金屬/非金屬、非金屬/非金屬的界面均表現出優秀的粘接性能，是建筑結構膠粘劑常用的主要原料。環氧樹脂的性能好是由于其結構中不同的官能團提供了不同性能。基于環氧樹脂的高強度和化學穩定性，在許多領域都有較廣的應用。室溫環境的固化溫度和良好的粘接力，以及高的拉伸強度使其多用于混凝土結構拼接、修補、粘鋼及粘貼碳纖維布加固等工作。環氧樹脂膠粘劑還可以通過添加添加劑和改性增加其功能性，添加增韌劑可以提高韌性，環氧樹脂的主體樹脂為雙酚A型時，其耐熱性更好。但環氧樹脂膠粘劑的缺點是相對其他膠粘劑其成本較高。

聚氨酯膠粘劑主體以多異氰酸酯和聚氰胺基甲酸酯為主，多異氰酸酯的分子極性較高，帶有的高碳不飽和鍵使得多異氰酸酯分子具有高活性，可與羥基、氨基、羧基等活性基團反應，使得聚氨酯膠粘劑可以實現對陶瓷、皮革、金屬、玻璃等多種材料的粘接。其優點是可以通過調節分子鏈中的結構和比例，調節其硬度和伸長率，固化溫度區間較寬，固化無副反應，低溫和超低溫性能良好，可在-196～-253 ℃下使用。

烯類高聚物膠粘劑的基材為烯類高聚物，以聚乙酸乙烯酯和聚丙烯酸酯最為常見。其中，聚乙酸乙烯酯類膠粘劑又稱為白膠，在對多孔材料粘合性方面表現出出色的粘接能力，固化溫度較低、操作簡單、環保、不燃燒。也具有明顯的缺點：在潮濕環境下易開膠、軟化點低、抗凍性差。而聚丙烯酸酯類膠粘劑的優點是顏色較淡、耐腐蝕、不易變色，可以根據需求改變性能。

3 膠粘劑在建筑領域的應用

膠粘劑在建筑工程中起到很重要的作用，在瓷磚、壁紙、隔音材料的裝配需要使用膠粘劑進行粘接。衛生間的防水密封、玻璃的安裝、縫隙的密封都用到膠粘劑。建筑結構的修補加固，如：道路由于溫差變化、干濕變化及負載等會造成開裂、變形等損壞，在修復時由于新舊混凝土存在性能差異使用膠粘劑提升修復效果；對建筑的承重結構用膠粘劑粘接鋼筋或纖維等進行補強。水泥在粘接前，需要清理粘接物體的表面避免粘結劑的性能劣化。石材的粘接過去經常使用不飽和聚酯類膠粘劑，但不飽和聚酯類膠粘劑的耐水性差、不耐紫外線，目前被改性環氧樹脂取代，可以提高粘接結構的抗拉強度，可改善粘接性能，提高工程質量。玻璃較其他材料的膨脹系數較大，且玻璃脆性較大，為防止冷熱變化導致玻璃破碎，粘接用的膠粘劑應能夠彈性較好，硅酮膠粘劑的斷伸長率能達到2倍，反復拉伸的伸長率也能達到25%～40%。粘接玻璃的膠粘劑還可以使用環氧樹脂、聚氨酯等膠粘劑。玻璃粘接前，必須清理表面保持清潔，要求較高時需要進行表面處理添加底漆。木制建筑因人們提倡的綠色環保、注重健康的理念得到人們的喜愛，而木制建筑的建造離不開膠粘劑的使用。木制材料會因為吸濕和干燥造成體積變化，因此需要膠粘劑的柔韌性較好，同時木制材料在粘接前表面需要徹底清理，有時需要表面處理。塑料通常使用有機粘劑粘接。復合材料中采用碳纖維作為加強材料時采用環氧樹脂結構膠進行粘接。建筑物裂縫的修復，清除裂縫中的碎石和灰塵等雜質，用環氧樹脂膠粘劑密封裂縫修復的接縫。水下工程的防水密封也采取水下膠粘劑，主要用α-氰基丙烯酸膠粘劑、環氧樹脂類膠粘劑等。常用水下環氧膠粘劑的基本配方，如表1所示。

表1 水下環氧膠粘劑的基本配方[25]

4 結語

膠粘劑的應用領域廣、前景遼闊，現在大量使用的膠粘劑還存在著不足含有一定的揮發性溶劑，這樣會危害人體健康或破壞大氣層。在環保和健康問題愈加看重的今天，對建筑混凝土膠粘劑的要求加強，會采用高科技等納米復合材料不斷改善建筑膠粘劑的缺陷，向更環保、無公害、高性能、固化快的膠粘劑方向發展。其中，生物膠質的環保膠粘劑已在建筑、木結構等廣泛應用；在建筑混凝土領域也會有很大的發展空間。特別是納米膠粘劑、無溶劑膠粘劑、高性能的無機膠粘劑等也是建筑混凝土領域的發展方向。同時，建筑領域的膠粘劑性能、技術、工藝會隨著時代的進步更上一層樓。