緩黏結預應力鋼絞線用膠黏劑配方試驗研究

鄧衛娟，王橋，胡偉，楊帆，惠湛

（西部機場集團有限公司，西安 710075）

0 前言

緩黏結預應力技術是改善結構正常使用狀態的一種新型預應力混凝土技術，緩黏結預應力鋼絞線混凝土構造如圖1所示。膠黏劑是緩黏結預應力技術的關鍵。膠黏劑材料前期具有一定的流動性和鋼材附著性，后期固化將預應力筋與混凝土融為一體，從而使緩黏結預應力技術既具有無黏結預應力施工的簡便易行，又具備有黏結預應力的力學效果［1-3］。隨著生產技術的發展，緩黏結預應力技術越來越廣泛應用在住宅、公用與工業建筑的大跨度梁、板中［4-5］。然而，膠黏劑材料的選擇對于預應力結構的安全性至關重要。由于環氧樹脂通常與聚酰胺固化劑相互作用形成復合膠黏劑體系，固化后聚合物具有優良的化學穩定性、力學性能和耐久性，以此復合膠黏劑體系為基體材料成為緩黏結預應力鋼絞線用膠黏劑材料研究領域的一個熱點［6-7］。然而相關緩黏結預應力鋼絞線用膠黏劑具體成分配比及性能研究報道較少，對此需要研制一類緩黏結預應力鋼絞線專用膠黏劑。非活性稀釋劑不參與環氧樹脂與固化劑的化學反應［8］，在基體材料中適當添加非活性稀釋劑可以調節膠黏劑的錐入度。緩黏結預應力鋼絞線用膠黏劑需要合理控制錐入度，錐入度太大會增加鋼絞線的摩擦損耗，錐入度太小，流動性增加會污染模板，給施工造成不便。固化劑聚酰胺650結構中的伯胺基、仲胺基和酰胺基基團上的活性氫與環氧樹脂發生交聯反應［9］，膠黏劑體系中固化劑摻量不同對固化速率及固化后聚合物的性能有明顯影響。緩黏結預應力鋼絞線施工工期長，要求膠黏劑的固化期一般在180天以上，膠黏劑體系中固化劑含量一般較少。在環氧樹脂類膠黏劑體系中，添加填料作為增量劑來降低制造成本或改進某些性能［10-13］。環氧樹脂E51/聚酰胺650體系已經是一個較成熟的固化體系，但其在緩黏結預應力鋼絞線中的應用是近年來預應力技術新的突破。對此研究一種緩黏結預應力鋼絞線專用膠黏劑配方，特別需要滿足：（1）固化期較長；（2）膠黏劑固化前期，緩黏結預應力鋼絞線容易張拉及操作方便；（3）膠黏劑固化后期，膠黏劑的力學性能和耐久性保證緩黏結預應力鋼絞線混凝土的穩固性。

圖1 緩黏結預應力鋼絞線混凝土示意圖Fig.1 Schematic diagram of retarded-bonding prestressed concrete

本文設計不同聚酰胺摻量、不同水泥摻量的膠黏劑體系，利用物理共混的方法制備膠黏劑，研究其理化性能、力學性能和耐久性，優選出適用于緩黏結預應力鋼絞線用膠黏劑配方，為緩黏結預應力鋼絞線專用膠黏劑的發展提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

雙酚A環氧樹脂，E51，環氧當量為208 g/mol，藍星化工新材料股份有限公司；

聚酰胺，PA-650，定遠縣丹寶樹脂有限公司；

鄰苯二甲酸二丁酯（DBP），分析純，天津市大茂化學試劑廠；

促進劑，DMP-30，天津市大茂化學試劑廠；

白色硅酸鹽水泥，425#，河北省易縣白水泥廠。

1.2 主要設備及儀器

潤滑脂和石油脂錐入度測定儀，SC-217，長沙思辰儀器科技有限公司；

邵氏硬度計，TH210，北京時代山峰科技有限公司；

電子萬能試驗機，CL-20kN，揚州昌隆試驗機械有限公司；

微機電液伺服壓力試驗機，HYE-300，三思縱橫科技股份有限公司；

場發射電子顯微鏡（SEM），SU8020，美國FEI公司。

1.3 樣品制備

配方設計：本文為研究一種固化期較長、固化前稠度適中（采用錐入度表示）和固化后力學性能和耐久性良好的預應力筋用膠黏劑。首先制備E51/PA650/DBP/DMP-30體系膠黏劑（配方1～配方4），以固化劑為變量，比較不同固化時間膠黏劑固化后的硬度和強度。然后選擇固化時間最長的膠黏劑作為基體材料，以填料為變量，在E51/PA650/DBP/DMP-30體系膠黏劑中添加不同含量水泥（配方5～配方8），一方面可以降低產品成本；另外，可以增加膠黏劑的稠度，滿足膠黏劑在鋼絞線黏結界面的附著性。同時可以改善膠黏劑的某些性能。試驗配比設計見表1。最終，以膠黏劑的理化性能和力學性能作為評價指標，獲得適用于緩黏結預應力鋼絞線的膠黏劑配方。

表1 膠黏劑配比Tab.1 Ratio of adhesives with different PA-650 amounts

膠黏劑及試樣制備：按照表1中配方1～配方4膠黏劑配比，將E51、PA650、DBP和DMP-30依次加入攪拌杯，然后放入真空攪拌機進行攪拌得到膠黏劑。攪拌時間15 min，轉速為300 r/min。同理，按照表1中配方5～配方8膠黏劑配比，配制E51/PA650/DBP/DMP-30體系膠黏劑基體，再取適量基體加入攪拌杯，隨后按比例分別加入填料，攪拌15 min后即得到膠黏劑。

將配制的配方1～配方8膠黏劑試驗試件，力學性能測試試件見圖2。其中，單搭接拉伸剪切強度試樣，模擬鋼絞線材料，黏合樣品基材使用100 mm×25 mm×1.6 mm的鋼82B 5420，黏結區域面積為25 mm×12.5 mm，涂抹膠黏劑之前對黏結區域用酒精棉擦拭干凈；抗折/抗壓強度試樣，樣品尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

圖2 膠黏劑試樣Fig.2 Adhesive sample

為了降低時間成本，加速膠黏劑固化。將配方1～配方8的硬度試件和力學性能試樣首先在25 ℃恒溫箱中預固化24 h。隨后放入80 °C恒溫箱中養護24 h后完全固化，取出試樣放入25 °C恒溫箱中繼續養護24 h后進行測試。

1.4 性能測試與結構表征

錐入度：按照標準GB/T 269—2023中1/4尺寸潤滑脂工作器的規定進行測試，每次測試3個樣品，結果取平均值。

邵氏硬度：按照標準GB/T 531.1—2008第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）的規定進行測試，每次測試取1個樣品。

固化時間：按照標準JG/T 370—2012測試。

拉伸剪切強度試驗：依據標準GB/T 7124—2008進行單搭接拉伸剪切強度試驗，加載速率為（45±10）N/s，測試5個樣品，結果取平均值。

抗折/抗壓強度試驗：依據標準GB/T 17671—1999進行抗折/抗壓強度試驗，測試抗折強度時，加載速率為（50±10）N/s，每次測試3個樣品，結果取平均值。測試抗壓強度時，加載速率為（2 400±200）N/s，每次測試6個樣品，結果取平均值。

耐久性能：依據標準JG/T 370—2012對拉伸剪切強度試樣進行耐濕熱老化性能試驗和高低溫交變性試驗，在耐久測試周期后測試5個試樣，計算拉伸剪切強度下降率。

拉伸剪切斷面SEM分析：對不同填料摻量樣品的拉伸剪切斷裂面進行形貌測試，斷裂面執行2次噴金處理，加速電壓為5.00 kV。

2 結果與討論

2.1 固化劑摻量對膠黏劑性能的影響

表1中不同固化劑摻量膠黏劑試樣（配方1～配方4）在80 °C條件下快速固化后的性能測試結果見表2。可以看出，不同固化劑摻量膠黏劑的邵氏硬度相接近，在85 D～87 D之間。隨著固化劑含量的增加，膠黏劑的拉伸剪切強度、抗折強度、抗壓強度均增加。這是由于隨著固化劑含量的增加，固化劑與環氧樹脂反應生成的三維網絡體聚合物的交聯密度增加，顯著影響了膠黏劑的力學性能。而且膠黏劑的耐濕熱老化性能和高低溫交變性能稍有改善。緩黏結預應力鋼絞線在實際工程施工中工期較長，對膠黏劑的固化期要求也較長，而膠黏劑固化劑含量較少（配方1）時，固化期較長，力學性能較差。以較長固化期配方1為基體，下面試驗研究添加填料對膠黏劑性能的影響。

表2 不同固化劑摻量膠黏劑的性能測試結果Tab.2 Property of adhesives with different dosages of curing agent

2.2 填料摻量對膠黏劑性能的影響

2.2.1 膠黏劑的固化時間

在常見的環境溫度（25～55 ℃）固化條件下測試表1中配方5～配方8體系的固化時間，測試結果見表3。由表可知，隨著溫度升高，所有配方體系的固化時間均縮短，55 ℃條件下的固化時間相比于25 ℃條件縮短約1/2。任一溫度下，從配方5～配方8，隨著填料的增加，膠黏劑的固化時間縮短。可見，實際工程中需要根據環境溫度和緩黏結預應力鋼絞線的張拉時間選擇適當填料摻量的膠黏劑配方。

表3 配方體系的固化時間 hTab.3 Curing time of various formula h

2.2.2 膠黏劑的錐入度

由于膠黏劑錐入度與緩黏結預應力鋼絞線前期張拉操作密切相關，對4種配方體系的錐入度進行了測試研究。緩黏結預應力鋼絞線中，膠黏劑前期的錐入度是評估鋼絞線張拉試用期的重要指標。錐入度太大時，膠黏劑的流動性較大，一方面造成膠黏劑從鋼絞線端口流出，給施工造成不便；另一方面會使鋼絞線周圍的膠黏劑厚度不均勻，導致鋼絞線與混凝土的粘接錨固性下降。錐入度太小時，膠黏劑的流動性差，雖然增加了膠黏劑在鋼絞線上附著性，但會增加鋼絞線的張拉摩擦力，影響預應力結構的穩定性。試驗研究膠黏劑在25 °C條件下錐入度的變化，見圖3。

圖3 膠黏劑錐入度隨時間的變化曲線Fig.3 Change curve of penetration of adhesive with time

結果表明，配方體系的錐入度隨著時間的推移而逐漸減小到0。從配方5到配方8，隨著填料的增加，膠黏劑的初始錐入度逐漸減小，固化時間也逐漸縮短。配方5至配方7膠黏劑的初始錐入度在52（0.1 mm）～85（0.1 mm）范圍之間，流動性適中，且在4 h之內錐入度變化較小，滿足緩黏結預應力鋼絞線前期的易張拉操作。而配方8膠黏劑的初始錐入度（40）較小，流動性較差，將阻礙鋼絞線的張拉，導致摩擦損耗增加。

2.2.3 膠黏劑的力學性能及耐久性

為縮短試驗時間，不同填料摻量的膠黏劑試樣在80 °C條件下快速固化后的性能測試結果見表4。由表4可知，隨著填料的不斷增加，膠黏劑的邵氏硬度稍有變化，邵氏硬度范圍在85D～90D之間；膠黏劑的拉伸剪切強度先增大后減小，配方7的拉伸剪切強度最大，為18.92 MPa；膠黏劑的抗折、抗壓強度逐漸增大，配方8的抗折、抗壓強度最大，分別為25.68、89.73 MPa；膠黏劑的耐久性也有明顯改進，而且配方7的耐久性最佳。對于未添加填料的基體（配方1），基體脆性較強，受外力時，基體中裂紋段應力集中明顯，破壞迅速。當基體中加入剛性水泥時，剛性粒子與環氧樹脂界面結合處產生少許微裂紋，不斷吸收外部的沖擊能，力學性能有所提高。當填料用量增加到一定值時，填料與環氧樹脂界面結合處的微裂紋增加較多，形成缺陷，力學性能也會降低，如拉伸剪切強度減小。膠黏劑在鋼絞線和混凝土肋之間［14］，受力形式以拉伸剪切強度為主。膠黏劑較大的拉伸剪切強度可以使緩黏結預應力鋼絞線與混凝土緊緊結合在一起，而且良好的耐久性可以保證整體結構的長久穩固。所以配方7的性能表現最優。

表4 不同填料摻量膠黏劑的性能測試結果Tab.4 Property of adhesives with different fillers

2.2.4 填料摻量對黏結界面微觀形貌的影響

為了研究不同份數的填料對膠黏劑黏結界面微觀形貌的影響，對表1中不同份數水泥摻量樣品的拉伸剪切破壞試樣斷面進行SEM掃描，觀察其微觀形貌，見圖4。由圖4可知：膠黏劑拉伸剪切斷面出現了大小不同的“溝壑”狀。隨著水泥填料的增加，配方4～配方8斷面中的“溝壑”逐漸減少，即填料分散到樹脂相。說明膠黏劑的抗韌性破壞能力增強，解釋了表4中隨著填料摻量的增加，膠黏劑的抗折/抗壓強度不斷增加。另外，從圖4（d）中看出，填料摻量太多時試件斷面出現明顯的微裂紋，說明膠黏劑中填料過量會阻斷環氧樹脂高聚物的鏈接，形成較多的小斷面。這也是配方8拉伸剪切強度減小的原因。總之，膠黏劑中的填料分散到樹脂相中，固化后形成了類似增強復合材料聚合物，膠黏劑的內聚力減小，增加了與黏結界面的結合力，從而提高了黏結強度。

圖4 不同份數水泥填料膠黏劑拉伸剪切斷口的SEM照片Fig.4 SEM photographs of bonding interface of adhesive with different amounts of filler

2.3 最優配方綜合性能

綜合以上試驗結果分析得到最優膠黏劑為配方7，即m（環氧樹脂）∶m（固化劑）∶m（稀釋劑）∶m（填料）∶m（促進劑）=100∶1.14∶5.7∶290.4∶2.86。配方7的綜合性能測試結果見表5，各項性能均滿足行業標準的要求［15］。配方7的初始錐入度為53.6（0.1 mm），有利用緩黏結預應力鋼絞線的前期張拉；固化后抗壓強度75.14 MPa和拉伸剪切強度18.92 MPa遠大于有黏結預應力鋼絞線中水泥砂漿的抗壓強度（40 MPa）和抗剪強度（4 MPa），確保緩黏結鋼絞線與混凝土的緊密結合。其酸堿度呈中性以及良好的耐久性也適用于緩黏結預應力鋼絞線。

表5 最優配方綜合性能測試結果Tab.6 Comprehensive property of the optimal formula

3 結論

（1）膠黏劑固化后邵氏硬度在85D以上，固化劑摻量增加，膠黏劑的力學性能和耐久性均有提高。

（2）膠黏劑中填料摻量增加，膠黏劑的初始錐入度減小，固化時間縮短。

（3）隨著填料摻量增加，膠黏劑的拉伸剪切強度、抗折/抗壓強度以及耐久性均發生明顯變化。配方7的拉伸剪切強度最大（18.92 MPa）以及耐久性最佳，考慮到膠黏劑在緩黏結預應力鋼絞線中主要受拉伸剪切力的作用，故配方7的性能較優。

（4）配方7的初始錐入度、力學性能及耐久性均滿足行業標準的要求，是適用于緩黏結預應力鋼絞線的最佳配方。