建筑結構設計中環氧樹脂膠黏劑運用分析

羅昆

（海南華磊建筑設計咨詢有限公司貴州分公司，貴陽 550000）

1 引言

當前時期的建筑結構設計，對質量、強度以及黏結性都提出了更為嚴格的要求，環氧樹脂膠黏劑具有良好的穩定性、適應性以及耐老化性能，對各類建筑材料都具備高度黏結力，所以應用愈發廣泛，尤其是其常溫固化能力和高彈性高強度能力，對于推動建設結構質量提升有著十分顯著的作用。

2 環氧樹脂膠黏劑的主要原理

2.1 浸潤原理

相較于金屬材料，環氧樹脂的表面張力較小，易被浸潤打濕，且構成類型多樣，既有親水的羥基基團，又有疏水的碳氫鏈段，使環氧樹脂膠黏劑表面具有良好的活化作用，能在金屬或非金屬表面形成單分子膜，可被完全浸潤。

2.2 黏附原理

由于環氧樹脂分子中的結構組成較多樣，同時具有環氧基、羥基和醚鍵等極性基團，即使被應用于某些極性物質表面也可產生次價鍵，不會受到干擾，并且還能在此基礎上形成氫鍵，可以進一步提高產生的物理黏附性和化學黏附性，界面張力也能有效降低，凸顯優秀的黏結性能，所形成的黏結界面十分穩定。環氧樹脂黏結在金屬表面結構如圖1 所示。

圖1 環氧樹脂黏結在金屬表面結構

2.3 固化成型原理

環氧樹脂材料屬于一種大分子小質量的預聚體，通過對固化劑的催化反應、開環加成聚合反應與交聯反應，共同組成一組龐大的三維網絡結構分子，要想把這種網絡結構結合方式的環氧樹脂分子從黏結的固體中完全剝離，需耗費大量熱量，一般來說熱量需維持在16.75 kJ/mol 才可全面破壞其結構中的穩定力與內聚力[1]。

3 環氧樹脂膠黏劑的特點與基本類型

3.1 特點

環氧樹脂膠黏劑種類豐富，可在各種類型和場合的建筑結構設計中應用相對應的環氧樹脂、改性劑及固化劑。環氧樹脂膠黏劑的固化體系范圍廣泛，固化劑種類較成熟，可固化的溫度范圍跨度較大，由此決定了環氧樹脂體系的選擇空間具有一定的自由度。環氧樹脂膠黏劑還具有良好的黏結力，在固化過程中不會產生具有負面影響的產物，固化物收縮率和體系殘余應力較小。與此同時，環氧樹脂膠黏劑還具有優良的力學性能，整個體系內部的凝聚力較強，其宏觀上展現的力學性能更適用于結構材料。環氧樹脂膠黏劑能在較寬頻率范圍內，長時間維持高質量介電性能，除可被應用于建筑結構設計中，還可作為通信材料和絕緣材料使用。環氧樹脂膠黏劑如圖2 所示。

圖2 環氧樹脂膠黏劑

3.2 基本類型

環氧樹脂膠黏劑的品種豐富，現階段未明確分類方法和分類指標，簡單總結如下：從膠黏劑的形態層面看，可分為有機溶膠型膠黏劑、膏狀膠黏劑和水性膠黏劑；從固化條件層面看，可分為冷固化膠、熱固化膠和潮濕面水中固化膠等；從膠結強度層面看，可分為結構膠、非結構膠和次受力結構膠；從用途層面看，可分為通用型膠黏劑和特種膠黏劑。

4 環氧樹脂膠黏劑在建筑結構設計中的應用優勢

環氧樹脂膠黏劑是一類合成樹脂，用于連接、加固建筑構件時，相較于一般的鉚接法、焊接法，構件的黏結受力均勻程度更高，材料出現某處集中承受應力現象的概率較低（如采用焊接法連接構件時，熱應力可能會在短期內集中在構件的某一個位置，使該處承受較大應力），從而使材料、構件的耐疲勞性更強，可以更好地保證構件的整體性，進而提高抗裂性，使構件在投入應用后，具有更好的承載能力和穩定性。此外，環氧樹脂膠黏劑具有將不同性質材料有效、牢固黏結的能力。這種特性的優勢在于：當前建材多樣化程度較高，一個建筑體中可能存在多種類型的材料。采用傳統方法對不同類型材料進行黏結時，結構整體牢固度無法得到保證，而是用環氧樹脂膠黏劑之后可以有效解決這一問題。在傳統建筑結構設計期間，設計人員無法獲得準確的建筑構件加固與黏結作業時間，導致設計方案的某些環節不夠詳細。此外，一些傳統的加固方法也難以使構件加固效果達到預期水平。使用環氧樹脂膠黏劑時，不僅工藝簡便，還能大幅度縮短工期（一般在1～2 d 便可完成），有助于提高建筑結構設計水平。不僅如此，一些具有軍事用途的建筑、交通設施等對外表耐老化性能有較高的要求，使用環氧樹脂膠黏劑可在低成本、高效率的情況下滿足這一要求。

5 環氧樹脂膠黏劑在建筑結構設計中的應用

5.1 混凝土整體工程黏結運用

現階段，大型鋼筋混凝土工程在建筑結構設計層面上要求各部分混凝土構件通過連接，使整個建筑結構工程成為有機整體，以此實現力學層面的最大化穩定。大型鋼筋混凝土工程包括高層建筑、大壩及橋梁工程等，在工程建筑結構設計中，構件皆采用預制方式制作，現澆方式無法一次性實現整體澆筑要求和膠黏要求。環氧樹脂膠黏劑能在已達到設計強度的混凝土表面完成黏結工作，通過黏結強度測試和抗拉強度測試，在遭受破壞性的外部受力作用時，即使混凝土體被拉裂破壞，環氧樹脂黏結面也不會被拉斷。這表明環氧樹脂膠黏劑所具備的抗拉強度已遠超混凝土材料本身的抗拉強度。同時可有效解決混凝土黏結不牢的問題，使建筑結構更穩定，推動了建筑工程的整體發展。環氧樹脂膠黏劑的主要材料以改性雙酚A 型環氧樹脂為主，所有構成配方組分材料皆可實現國產量化[2]。

5.2 港工混凝土潮差和水下部位設計

鋼筋混凝土建筑物在使用過程中受外界自然條件、施工操作和超載作業行為等影響，使建筑物的部分構件出現局部損毀情況，若不能及時修復，易影響人們的正常生活。修補鋼筋混凝土建筑物的潮差位置和水下部位時，環氧樹脂膠黏劑接觸水體，產生乳化反應，胺類固化劑遇水即融所造成的損失值得關注。瀝青和焦油是常見的憎水材料種類，將其加入環氧樹脂膠黏劑中可有效保護環氧樹脂的極性基團，同時還能盡量規避固化劑溶出問題，即使是已經產生固化反應的環氧樹脂膠黏劑，仍對建筑物的潮濕位置和水下部位具備一定程度的黏結能力。所以，針對港工混凝土潮差和水下部位應用環氧樹脂膠黏劑的建筑結構設計，需優先使用環氧樹脂瀝青膠黏劑，其具有良好的抗凍性能，即使經受300 次凍融循環，依然可保證黏結功能。

5.3 水利工程用潮濕面積水下修補設計

水利工程建筑結構設計難度較大，需綜合考慮到水利工程中渠道渡槽混凝土構件的磨損開裂及大壩閘門的滲漏問題，對其進行無水干燥修復的難度指數較大。因此，在水利工程的建筑結構設計中運用環氧樹脂膠黏劑不應采用傳統模式，需對其進行優化改良，配方構成也相應變動，需選擇使用相對分子質量為100 的E51 環氧樹脂，相對分子質量為1 000的聚硫橡膠25 份，固化劑選擇順丁烯二酸酐9 份，二甲氨基甲基苯酚4 份，填料控制在300～600 mL。調配出的環氧樹脂膠黏劑在拉伸強度方面具有較大提升，潮濕和水下狀態可保持在3 MPa，干燥狀態下可達4～5 MPa。為進一步優化環氧樹脂膠黏劑品質，還需生產低溫狀態下迅速固化的環氧樹脂膠黏劑，將雙酚A 型環氧樹脂和雙酚F 型環氧樹脂的質量比限制在1∶1，選擇應用混合脂肪胺作為主要的固化劑種類，聚丙二醇作為基礎的增韌劑原料，二者的質量分數控制在4%最為適宜，此時的膠黏劑具有非常良好的低溫固化性能，表面的風干時間在30 min 左右，在4 h 之內就可以實現完全硬化。與此同時，經過2 h 的固化反應后，環氧樹脂膠黏劑的抗沖擊強度為10.084 kJ/m2，拉伸強度為25.3 MPa，拉伸剪切強度為12.7 MPa，皆在原有基礎上實現了極大提升。雙酚F型環氧樹脂分子結構如圖3 所示。

圖3 雙酚F 型環氧樹脂分子結構

5.4 建筑結構膠黏劑設計

建筑結構膠黏劑是指能作為承重結構構件的黏結物質，具有良好的長時間承受能力，可被應用于各種建筑結構設計類型中。通過對固化劑加強控制，改進固化劑在環氧樹脂中的占比，優化環氧樹脂結構膠填種類，采用斷裂伸長率穩定且彈性模量較高的配比方式。當保持固化劑和環氧樹脂的質量比為1∶1 時，需加入7%質量分數的納米碳酸鈣，此時抗壓強度可達72 MPa，基體抗壓強度也在原有基礎上提高了13%。應用觸變劑可改良環氧樹脂膠黏劑的施工工藝性能和基礎力學性能，還能實現對黏結性能的調節作用。當觸變劑質量分數為2%，此時環氧樹脂膠黏劑黏度處于較低狀態，更適合被應用于建筑結構設計。當觸變劑的質量分數上漲至3%時，觸變指數可達最大峰值[3]。

為保證環氧樹脂膠黏劑在建筑結構設計中保持良好的流動性，可選擇將環氧樹脂作為主要原材料，并注入適當的低黏度高活性固化劑，選擇水泥和石棉纖維作為增稠劑，以此達到高壓縮強度，進而提升流淌性能和力學性能，即使在-5 ℃的低溫條件下，也不會對環氧樹脂膠黏劑的性能造成影響。其還可在室溫下進行固化反應，且呈現高強度厚膠層特點，膠層厚度可長期維持在0.10～0.66 mm 范圍內，剪切強度同步保持穩定狀態。

6 結語

綜上所述，現階段我國建筑行業快速發展，需加大環氧樹脂膠黏劑在建筑結構設計中的應用，不斷提升環氧樹脂用量，進一步開辟高分子材料市場，保證建筑結構設計安全穩定。在建筑結構設計中應用環氧樹脂膠黏劑需著重考慮混凝土整體工程黏結應用、港工混凝土潮差與水下部位設計、水利工程用潮濕面積水下修補設計以及建筑結構膠黏劑設計。未來，環氧樹脂膠黏劑將朝著高強度、低黏度方向發展，具備更強的耐沖擊力、耐磨力、抗腐蝕力和阻燃力。