一種外墻加固用納米復(fù)合水性環(huán)氧樹脂性能測試

摘要：針對鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻加固修補(bǔ)用膠粘劑牢固性與可靠性不佳，造成質(zhì)量安全問題，提出一種納米SiO2復(fù)合水性環(huán)氧樹脂材料的制備。納米SiO2添加量為1%、2%、3%、4%，并對其性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，當(dāng)添加2%的納米SiO2時，試樣的硬度、吸水率和沖擊強(qiáng)度達(dá)到最佳狀態(tài)，表現(xiàn)出較高的電位值、最小起泡面積和失重率變化，具有良好的抗腐蝕能力、耐鹽水侵蝕能力；經(jīng)過多次凍融循環(huán)后仍保持穩(wěn)定性，抗凍融性能突出；在1 000℃下表現(xiàn)出最長極限防火時間超過60 min，具備出色的耐高溫防火能力；拉伸強(qiáng)度達(dá)到25.6 MPa，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；建筑外墻；加固修補(bǔ)；水性環(huán)氧樹脂；納米SiO2

中圖分類號：TQ437+.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0039-04

Performance test of nanocomposite water-based epoxy resin for exterior wall reinforcement

LIU Liming

（Beijing Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China）

Abstract：In view of the poor firmness and reliability of the adhesive used for the reinforcement and repair of the exterior wall of the steel structure building，which caused the quality and safety problems，anano SiO2 composite wa-terborne epoxy resin material was proposed.The addition of nano-SiO2 was 1%，2%，3%and 4%，and its properties were studied.The results show that when 2%nano-SiO2 is added，the hardness，water absorption and impact strength of the sample reach the best state，showing high potential value，minimum blistering area and weight loss rate，and has good corrosion resistance and salt water erosion resistance.After multiple freeze-thaw cycles，it still maintains stability，and the freeze-thaw resistance is outstanding.At 1 000℃，it showed the longest ultimate fire protection time of more than 60 min，and had excellent high temperature fire resistance.The tensile strength reach-es 25.6 MPa，showing excellent mechanical properties

Key words：steel structure；building exterior walls；reinforcement and repair；water-based epoxy resins；nano-SiO2

鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻是指使用鋼材（如鋼柱、鋼梁等）作為主要結(jié)構(gòu)支撐體系的建筑外墻[1-2]，具有較高的強(qiáng)度和剛度，可以為建筑提供有效的支撐和穩(wěn)定[3]。但是，受到外部結(jié)構(gòu)的影響，鋼結(jié)構(gòu)外墻加固修補(bǔ)面臨一些難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[4-5]。鋼結(jié)構(gòu)外墻加固修補(bǔ)工程對施工質(zhì)量要求較高，需要確保加固材料的質(zhì)量可靠[6-7]。對此，研究建筑用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過這一材料進(jìn)行建筑粘接面施工，但該材料無法抵御高溫侵蝕[8]；研究有機(jī)金屬框架材料/水性環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層性能，但無法保證良好的抗沖擊性[9]。水性環(huán)氧樹脂是一種環(huán)保型的建筑材料[10-11]，具有良好的粘接性能。基于此，研究一種添加納米SiO2的水性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，將其用于鋼結(jié)構(gòu)建筑外的加固修補(bǔ)[12-14]。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1原材料

在材料制備之前，需要準(zhǔn)備以下原料，分別是三乙烯四胺（TETA），化學(xué)純，由邯鄲騰科化工經(jīng)銷有限公司生產(chǎn)；乙二醇單乙醚，化學(xué)純，由山東金錢潤新材料有限公司生產(chǎn)；冰醋酸，化學(xué)純，由山東冉熙化工有限公司生產(chǎn)；環(huán)氧樹脂601（E-20）和618（E-51），由萬青化學(xué)科技有限公司生產(chǎn)；苯基縮水甘油醚和芐基縮水甘油醚，作為封端劑，由山東西亞化學(xué)有限公司生產(chǎn)；納米SiO2，顆粒大小為30～50 nm，由東莞福寧新材料有限公司生產(chǎn)。

1.1.2水性環(huán)氧納米復(fù)合固化劑

在制備固化劑時，分別稱取1%、2%、3%以及4%的納米SiO2粒子，加入到一定量的單環(huán)氧化合物中[15]，超聲波分散30 min倒入瓶中備用；向制成的混合物中加入TETA，在70℃狀態(tài)下反應(yīng)1.5 h，之后加入環(huán)氧樹脂601（E-20），升溫至95℃以后，再加入適量乙二醇單乙醚，逐漸降溫至40℃后，添加封端劑，在95℃狀態(tài)下反應(yīng)1 h，添加醋酸，降溫至90℃反應(yīng)1 h，反應(yīng)后加水稀釋，制成不同納米SiO2添加量的水性環(huán)氧納米復(fù)合固化劑。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)計甲組分為不同納米SiO2摻量的水性環(huán)氧納米復(fù)合固化劑，乙組分為環(huán)氧樹脂618（E-51）。按照合適比例混合甲乙組分，并充分?jǐn)嚢杈鶆颍瞥蒘iO2-1%、SiO2-2%、SiO2-3%、SiO2-4%這4種復(fù)合修補(bǔ)材料，將每種修補(bǔ)材料分別涂抹在鋼板上，將2片鋼板粘接穩(wěn)定，待固化后，測試每種修補(bǔ)材料的應(yīng)用性能。

1.3性能測試

1.3.1基礎(chǔ)性能

參考GB/T 6739—2022《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》標(biāo)準(zhǔn)測定材料的硬度，通過離心機(jī)測試材料的離心穩(wěn)定性，設(shè)置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，離心時間為15 min，通過材料的沉淀量評估其6個月的儲存穩(wěn)定性；參考GB/T 1732—1993標(biāo)準(zhǔn)測定材料的沖擊強(qiáng)度，以此評估其抗沖擊效果；參考GB/T 9286—2021《色漆和清漆劃格試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，采用劃格法測定材料附著力，當(dāng)附著力處于0級時，說明材料性能較好，而5級時材料附著力最差；參考HG/T 3856—2006《絕緣漆漆膜吸水率測定法》標(biāo)準(zhǔn)，測試材料的吸水率。

1.3.2防腐性能

通過開路電位法測試，以開路電位大小評估試樣性能，當(dāng)開路電位較高時，說明試樣的抗腐蝕能力較強(qiáng)[16-17]。將4種不同納米SiO2添加量的試樣干燥后浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaOH溶液中，通過鉑電極作為參比電極，并利用數(shù)顯酸度計測量試樣在不同時間下的開路電位變化，以此評估試樣的防腐蝕效果。

1.3.3耐水性能

將不同試樣分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%鹽酸與蒸餾水中，在不同時間下取出測定試樣的起泡面積與失水率，以此評估試樣的耐水性[18]。

1.3.4凍融穩(wěn)定性

將未粘接固化前的乳液試樣放置在-20℃環(huán)境下進(jìn)行5 h冷凍，之后取出在室溫狀態(tài)下靜置5 h，反復(fù)經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，測定試樣的穩(wěn)定性，從而評估試樣的耐低溫效果。

1.3.5極限防火時間

采用膨脹法涂料測試裝置測試每種試樣的極限防火時間，將試樣放入到測試裝置中，采用矽碳棒對試樣進(jìn)行加熱，測試試樣的背板溫度，當(dāng)背板溫度達(dá)到1 000℃時，關(guān)閉加熱，記錄加熱時間即為極限防火時間。

1.3.6光澤度

參考GB 1743—1979（1989），通過C84-II型反射率測定儀測試試樣在不同涂膜擱置時間下的光澤度，以此評估試樣的應(yīng)用效果。

1.3.7力學(xué)性能

參考GB/T 1175—2018《鑄造鋅合金》標(biāo)準(zhǔn)，通過萬能電子拉力試驗(yàn)機(jī)測試未粘接試樣的力學(xué)性能，設(shè)置拉伸速率為5～60 mm/min，計算試樣拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率。

2結(jié)果與討論

2.1材料基礎(chǔ)性能測試

評估每種試樣的應(yīng)用效果，測試結(jié)果如表1所示。表1不同試樣的基礎(chǔ)性能測試

由表1可知，對比4種不同的水性環(huán)氧樹脂試樣，當(dāng)納米SiO2添加量增加到2%后，試樣的基礎(chǔ)性能明顯得到改善，試樣硬度、吸水率、沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最佳狀態(tài)，但隨著納米SiO2添加量的繼續(xù)增高，試樣應(yīng)用效果則有所下降，由此可見，添加過少或過量的納米SiO2同樣會影響水性環(huán)氧樹脂對鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻的加固修補(bǔ)效果。

2.2試樣防腐性能分析

測試每種試樣在不同時間下的防腐性能，當(dāng)試樣防腐性能越強(qiáng)，其應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻的加固效果越完美，測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)測試時間未達(dá)到60 min時，每種試樣的電位值迅速下降，隨著開路電位測試時間的逐漸延長，每種試樣的電位值下降趨勢逐漸平穩(wěn)，在4種試樣中，添加4%納米SiO2的試樣電位值始終處于最低水平，說明當(dāng)納米SiO2添加量過大時，會影響試樣的防腐效果，導(dǎo)致試樣受腐蝕溶液的影響過大。但當(dāng)納米SiO2添加量為1%時，試樣的抗腐蝕能力仍然無法達(dá)到最佳水平；而添加2%、3%的納米SiO2可以保持較高的電位值。因此，適當(dāng)?shù)募{米SiO2添加量可以保證水性環(huán)氧樹脂的耐腐蝕性。

2.3試樣耐水性分析

分析4種試樣在鹽水浸泡過程中的起泡面積變化，從而評估試樣的耐鹽水侵蝕效果，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著鹽水浸泡時間的加長，部分試樣的起泡面積逐漸增多，導(dǎo)致試樣的粘接效果不夠牢靠。當(dāng)浸泡時間為5 h時，每種試樣均未出現(xiàn)起泡現(xiàn)象；當(dāng)浸泡時間達(dá)到25 h時，SiO2-2%試樣仍未發(fā)生起泡，而此時其他幾種試樣起泡問題明顯；當(dāng)浸泡時間達(dá)到50 h時，SiO2-2%試樣的起泡面積保持在最小狀態(tài)。由此可見，該試樣在鹽水侵蝕下仍然能夠維持良好的加固作用。

采用蒸餾水對不同試樣進(jìn)行浸泡，分析在不同浸泡時間下每種試樣的失重率變化，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)試樣在蒸餾水中的浸泡時間逐漸增大，每種試樣質(zhì)量存在一定變化，導(dǎo)致其失重率變大。當(dāng)浸泡時間達(dá)到50h以上時，每種試樣的失重率迅速增大，使得試樣出現(xiàn)損失。對比4種試樣，可以看出SiO2-1%、SiO2-4%試樣失重率處于較高水平，說明這2種試樣在蒸餾水浸泡下會影響其自身加固修補(bǔ)效果，而其他2種試樣失重率變化較小，SiO2-2%試樣失重率最高未達(dá)到3%以上。因此，SiO2-2%試樣的耐水性更佳。

2.4試樣凍融穩(wěn)定性分析

測試每種試樣在5次凍融循環(huán)測試下的穩(wěn)定性變化，以此評估鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻加固修補(bǔ)材料的抗凍性，測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)進(jìn)行一次凍融循環(huán)時，每種試樣均呈現(xiàn)淡黃色狀態(tài)，說明在初次凍融下試樣均能夠維持良好的凍融狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行3次凍融循環(huán)后，SiO2-2%、SiO2-3%試樣出現(xiàn)了少量的絮狀物沉淀，而其他2種試樣均已出現(xiàn)大量白色絮狀沉淀物；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次時，只有SiO2-2%能夠保持良好的凍融穩(wěn)定性，其他試樣均勻出現(xiàn)大量絮狀沉淀物。由此可見，SiO2-2%試樣的抗凍融效果更強(qiáng)。

2.5試樣極限防火時間分析

分析每種試樣的極限防火時間，以此評估試樣的耐高溫侵蝕性能，分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到1 000℃時，SiO2-4%試樣的極限防火時間僅保持在50 min以內(nèi)，而在該溫度狀態(tài)下，其他幾種試樣的極限防火時間均要大于50 min。其中，SiO2-1%試樣的極限防火時間處于50～60 min左右，SiO2-2%、SiO2-3%試樣極限防火時間均保持在60 min以上，說明這2種試樣的耐高溫防火能力相對較強(qiáng)。其中，SiO2-2%試樣的極限防火時間最大，可見這一試樣應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻加固修補(bǔ)處可以使鋼結(jié)構(gòu)具有更好的防火效果。

2.6試樣光澤度分析

分析試樣在不同擱置時間下的光澤度變化，以此評估試樣的涂膜性能，分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著試樣擱置時間的增加，試樣表面光澤度開始有所下降，在最初階段，每種試樣的光澤度均保持在1.6以上。當(dāng)試樣擱置時間達(dá)到6 h時，每組試樣的光澤度下降至1.0～1.2，但在4種試樣中，SiO2-2%試樣的光澤度始終保持在較高水平。可見，該試樣在放置過程中仍然能夠維持良好的表面光澤度，從而可以提供可靠的加固修補(bǔ)效果。

2.7試樣力學(xué)性能分析

分析4種試樣在拉伸測試時的力學(xué)性能，分析結(jié)果如表4所示。

由表4可知，SiO2-2%試樣的拉伸強(qiáng)度達(dá)到25.6 MPa，在4種試樣中保持較高水平。由此可見，應(yīng)用添加2%納米SiO2的復(fù)合水性環(huán)氧樹脂材料可以有效保障鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻修補(bǔ)處的穩(wěn)定性。

3結(jié)語

（1）當(dāng)納米SiO2添加量達(dá)到2%時，試樣的硬度、吸水率和沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最佳狀態(tài)，顯示出優(yōu)異的加固修補(bǔ)效果；

（2）SiO2-2%試樣電位值較高，抗腐蝕能力較強(qiáng)；

（3）SiO2-2%試樣在鹽水浸泡和蒸餾水浸泡下均表現(xiàn)出良好的耐水性，且在凍融循環(huán)中保持穩(wěn)定；

（4）SiO2-2%試樣具有出色的耐高溫防火能力和長期保持較高光澤度的特點(diǎn)，有助于提升鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻的防火性能和美觀度；

（5）SiO2-2%試樣在拉伸測試中展現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度，可有效保障鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻修補(bǔ)處的穩(wěn)定性。

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（責(zé)任編輯：蘇幔，平海）