建筑用改性雙酚A型環氧樹脂結構膠的制備及性能研究

李文輝

(甘肅省靜寧縣建設工程服務中心,甘肅 平涼 743400)

環氧結構膠憑借其優良的抗滲耐久性、粘接密實性和防水防腐蝕性能,在工程建設中的應用不斷增加,主要用于混凝土結構二次結構植筋、砼孔洞蜂窩露筋等損壞修補、裂縫修復,以及鋼結構的粘接與地下管道壩基等接口的修補加固及密封防腐,水池、建筑內外墻防滲、防水、防腐、防潮等修復工作。由于環氧樹脂的使用越來越廣泛,很多建筑物的植筋加固項目對它的綜合特性有了更高的需求。但環氧樹脂建筑結構膠具有低強度性、高脆性、低 彈性模量、容易開裂和拉伸強度低等缺陷,特別是高溫情況下,結構膠固化速率較快且凝固時間較短,整個過程不超過 30 min,正是由于該過程所經歷時間 較短會造成工程施工困難[1]。為了進一步優化結構膠整體力學性能,需要對環氧樹脂結構膠進行改性處理[2]。基于此,在結構膠中添加納米碳酸鈣和硅微粉,通過對摻入不同原料環氧樹脂結構膠進行抗壓、抗拉、流 淌性分析,提高結構膠抗拉、抗壓、流淌性能。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

主要材料:雙酚A型環氧樹脂,河南馳奧商貿;低分子聚酸胺,上海艾研生物科技;固化劑,上海凱茵化工;偶聯劑,南京向前化工;丁基縮水甘油醚,武漢曙爾生物科技;水泥,華新水泥股份;納米碳酸鈣,上海緣江化工;硅微粉,江西宸鑫新材料。

1.2 試驗儀器及結構膠制備

主要試驗儀器:XWB-300A型溫度測試儀,北京鑫生卓銳科技;WDW100型萬能電子實驗儀,上海五久自動化設備;JZ-A型高速分散攪拌機,北京九州晟欣科技;HCTJ-10型粘接檢測儀,深圳市沃霖電子;MTS-810型萬能拉伸機,山東萬辰試驗機;EK-i2000電子天平,杭州朗多檢測儀器;SB100燒杯,寧波金馳塑料;GG-17玻璃棒,臺州市椒江環光玻璃儀器;500X電子顯微鏡,深圳市酷凌科技。

按GB/T 2567—2008規范制備結構膠,納米碳酸鈣、硅微粉配比為1∶1;固化劑占環氧樹脂用量的1/3和1/4,稀釋劑、偶聯劑各占環氧樹脂用量的12%和5%[3-5]。將攪拌好的膠水倒入模具中,在60 ℃下進行30 min的固化,凝固后脫模,并置于室溫下進行一星期的硬化[6]。

1.3 測定標準

通過上述獲取的改性后的環氧樹脂結構膠和準備好的試驗儀器,對其進行抗拉抗壓和流淌性測定。

1.3.1抗壓抗拉性能

使用電子萬能試驗儀對結構膠進行7 d的抗壓強度、抗拉強度和彈性模數測定,試驗測試所用裝置[7]。

結構膠拉伸彈性模量,計算公式為:

(1)

式中:Δp表示裝置對結構膠加載變化量;s、Δs分別表示結構膠被拉伸量和變化量,將初始直線段斜率作為膠體拉伸彈性模量,計算結構膠拉伸強度:

(2)

式中:q表示結構膠被拉伸時所能承受的最大拉力荷載;h表示結構膠長度;d表示結構膠厚度,將結構膠拉伸強度數值作為結構膠最終拉伸強度測定標準值[8]。

結構膠壓縮強度,計算公式為:

(3)

式中:p表示屈服荷載,將結構膠抗壓強度作為結構膠最終抗壓強度測定標準值。

1.3.2流淌性能

在測定建筑用改性環氧樹脂結構膠流淌性時,選擇一片光滑潔凈的150×50 mm的玻璃纖維板,并在試驗時將(40×40)mm、3 mm厚的建筑用改性環氧樹脂建筑結構膠涂于模板上。在涂布完畢后,將玻璃板豎直放置30 min,以測定其流淌性。

2 試驗結果與分析

在保證工程使用期限之內建筑用改性環氧樹脂結構膠不出現固化情況,必須保證在使用完畢后及時進行硬化,以最大速度達到所需固化強度。以垂直方式涂膠,防止結構膠流掛,并保證涂層厚度。固化后結構膠需要具備良好接合能力,防止接縫脫落,并具有強壓縮和拉伸能力,以保證結構膠承受足夠強的應力。

2.1 結構膠抗拉抗壓試驗

2.1.1納米碳酸鈣對結構膠抗拉強度影響

通過對結構膠拉伸加載,得到的位移-抗拉曲線如圖1所示。

圖1 結構膠拉伸加載曲線

由圖1可知,3%納米碳酸鈣曲線的加載過程,將試驗分為3個階段:第1階段從 O點向A1點,位移-應力曲線呈線性變化,在應力-應變曲線上表現出顯著彈性特性;第2階段曲線的傾斜度逐漸變小,在達到峰值以前,建筑用改性環氧樹脂結構膠塑性會日益顯著;第3階段加載曲線達到最高點以后,該曲線開始下降,拉伸強度逐漸減小,直到斷裂為止;第3階段曲線下降的主要原因是建筑用改性環氧樹脂建筑結構膠拉伸到達最大強度時,結構膠發生了縮頸現象,結構膠接觸面逐漸減小,直至斷裂為止。由圖1還可知,7%納米碳酸鈣曲線的加載過程,與大部分結構膠不同,這一類型的加載過程可分成2個階段,與3%納米碳酸鈣曲線加載過程前2個階段類似。第1階段在OA2的初始加載作用下,位移-應力曲線呈線性變化,在應力-應變曲線上表現出顯著彈性特性。超過A2點后該曲線的傾斜度減小,在傾斜度由0達到B2點時,抗拉強度達到最大,結構膠突然斷裂,第2階段加載試驗結束;7%納米碳酸鈣曲線加載過程沒有第3階段,不會出現縮頸現象,結構膠突然發生斷裂。

2.1.2硅微粉對結構膠抗壓強度影響

通過對結構膠壓縮加載,得到的位移-抗壓曲線如圖2所示。

圖2 結構膠壓縮加載曲線

圖2所示硅微粉摻量為3%的結構膠壓縮加載曲線,不同摻量硅微粉加入的建筑用改性環氧樹脂結構膠在加載曲線上表現出相似之處。將結構膠黏接的施工工藝分成3個階段:第1階段OA1,該過程結構膠抗壓應力迅速升高,加載向下凸起,壓應力比橫梁更大,而結構膠橫梁位移則是由材料和填充物的彈性而決定的,結構膠外觀沒有發生顯著改變。第2階段的加載曲線是凸起的,壓應力的變化速率開始減小,結構膠形成速率升高,壓應力持續增大,這是一個塑性和彈性同時發生的階段,在該階段結構膠內有細小的氣泡沒有被充分地排放出來。該曲線上B1不光滑部分是指在結構膠中未完全排出的空氣氣泡,在C1處,是一條具有較強彈性的構造膠鼓,在受拉過程中,會出現一些微小的裂縫,這些裂縫會隨壓力而增加,直至應力完全消失,停止加載,此為第3階段。

圖2所示硅微粉摻量為5%的結構膠壓縮加載曲線,添加了硅微粉可以提高其抗壓性能。當結構膠位移小于3 mm時,5%的硅微粉加入比3%的硅微粉加入的結構膠抗壓強度高;當結構膠位移大于3 mm時,5%的硅微粉加入比3%的硅微粉加入的結構膠抗壓強度低,但強度仍整體高于基體抗壓強度。

硅微粉建筑用改性環氧樹脂結構膠抗壓破壞過程,如圖3所示。

(a)加載前

從圖3可以看出,將結構膠的兩個末端都磨平,然后放到電子萬能試驗機的夾頭中心,在最初施壓過程中,結構膠與試驗機夾具的接觸表面會逐漸變成鼓狀,鼓狀相對不顯著,此時沒有裂紋出現。受力結構膠受力后,整個受壓致密,鼓形顯著,此時仍未出現裂紋。在連續的受力作用下,結構膠表面出現了微小裂紋,隨后裂紋不斷擴展直到被壓碎。

2.2 納米碳酸鈣、硅微粉對結構膠流淌性試驗分析

在對建筑用改性環氧樹脂建筑結構膠流淌性進行分析時,由于不同填料用量和質量比例直接影響結構膠改性力學性能,所以在結構膠流淌性分析過程中,保證納米碳酸鈣、硅微粉配比1∶1不變,加入雙氧水進行試驗分析。此時結構膠中存在大量H+,它能與結構膠中的氫鍵發生反應,從而使其在垂直方向上的流掛距離變小。

由于水泥與建筑用改性環氧樹脂結構膠的接觸面較大,使得結構膠的黏度隨著環氧樹脂分子鏈的相對移動產生的摩擦而變得更大,從而縮短了垂直流掛距離。與水泥相比,納米碳酸鈣、硅微粉具有較大的接觸面,因此,在縮短垂直流掛距離作用上,其作用優于水泥。

通過上述分析可知,在不同納米碳酸鈣、硅微粉中加入的比例下,其對流淌性的影響如表1所示。

表1 不同摻量比例比對結構膠垂直流掛距離影響

由表1可知,在建筑用改性環氧樹脂結構膠中,垂直流掛距離與填充物的用量呈反比例關系,當水泥:納米碳酸鈣:硅微粉=17∶10∶3.2時,建筑用改性環氧樹脂結構膠不再出現流淌現象。在這種情況下,建筑用改性環氧樹脂結構膠具有最佳流淌性,改性后的環氧樹脂建筑結構膠持久性較高。

3 房屋建筑工程結構膠植筋使用案例

甘肅靜寧某住宅建設項目4棟住宅樓及地下車庫,總建筑面積44 628.79 m2,18層框架剪力墻結構,設計使用年限為70年。采用填充墻砌體拉結筋、GZ和框架梁柱、剪力墻二次結構鋼筋的植筋錨固。

3.1 施工流程與操作要點

定位:按設計要求標示鉆孔位置;鉆孔清孔:鉆孔孔徑及鉆孔深度如表2所示。鋼筋處理:鋼材表面的浮銹污漬清除干凈,用棉紗蘸丙酮擦洗鋼筋錨固區段,直至露出金屬光澤;制膠:取干凈容器,嚴格按說明調制攪拌;注膠:注膠時保證孔洞內膠體飽滿;插筋:用旋轉法將鋼筋邊旋轉邊插入至孔底,迅速植入鋼筋,防止膠液流出;鋼筋定位及密封處理:鋼筋在植入的過程中位置會有所偏轉,膠液也會有流淌,批量植筋完成后進行檢查,將流淌的膠液重新填回,同時對偏轉的鋼筋進行定位處理,膠固化后再進行鋼筋的定位;固化保護:在固化完成之前,應按照結構膠養護條件進行固化養護,固化期間禁止擾動;質量檢驗。

表2 鉆孔孔徑及鉆孔深度

3.2 結構膠植筋抗拔承載力現場非破損檢測與驗收

施工完畢后,抽樣做拉拔試驗,檢驗拉拔力結果如表3所示。

表3 結構膠植筋現場拉拔力檢測結果

依據《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ 145—2013,使用ZY-20數顯式錨桿拉力計檢測,混凝土無裂縫、植筋未滑移,結構膠植筋靜力拉拔試驗符合要求。

4 結語

(1)通過對環氧樹脂結構膠抗拉改性,發現低摻量的納米碳酸鈣可以顯著地改善其抗拉性能,而高摻量的納米碳酸鈣對結構膠拉伸強度改善作用不大;

(2)通過對環氧樹脂結構膠抗壓改性,發現結構膠位移小于3 mm時,5%的硅微粉摻量比3%的硅微粉摻量的結構膠抗壓強度高,反之則較低;

(3)通過對環氧樹脂結構膠流淌改性,發現當水泥:納米碳酸鈣:硅微粉=17∶10∶3.2時,改性后環氧樹脂結構膠無流淌。