工程加固中环氧结构胶的耐老化性能
                                  1.彭勃　1.潘荣　2.单远铭
(1·湖南大学土木工程学院,长沙　410082; 2·湖南固特邦土木技术发展有限公司,长沙　410205)
    摘要:采用沸煮法研究固化剂、纳米填料、偶联剂等因素对环氧结构胶耐老化性能的影响。试验结果表明:采用固化剂复配的方法可以显著提高环氧结构胶的耐老化性能;掺加纳米填料、使用合适的偶联剂有利于改善环氧结构胶的耐老化性能。
    关键词:结构胶;耐老化性能;环氧树脂
    混凝土结构的维修、加固、改造领域中,大量的新技术如粘钢加固、粘贴碳纤维加固、植筋锚固、混凝土裂缝及缺陷修复等正在迅速推广应用。在这些 结构加固新技术中,环氧结构胶因具有力学性能好、 施工简便、加固周期短等优点而被普遍采用[1]。但作为有机高分子材料,其耐老化性能并未得到足够重视[2],这给结构加固工程留下了严重的安全隐患。 在自然环境中,影响环氧胶的耐老化性能并导致其胶接性能下降的主要因素有氧、臭氧、热、光、水等。目前测试环氧胶耐老化性能的主要试验方法有:自然气候试验、人工气候试验、热空气老化试验、盐雾 试验、湿热试验等[3]。在建筑结构加固领域,一致认为湿热是影响环氧结构胶耐老化性能的主要因素。在GB 50367—2006《混凝土结构加固设计规范》中采用湿热老化试验方法评价环氧结构胶的耐老化性能。本研究在不改变主树脂的前提下,利用沸煮法研究不同固化体系、纳米填料、偶联剂等因素对环氧结构胶耐老化性能的影响。并对沸煮法与湿热老化试验方法的试验结果进行对比探讨。
    1　试验部分
    1·1　原材料
    环氧树脂(E-51),环氧当量180~190 g/mol,中国石化巴陵石化公司生产;环氧树脂稀释剂,工业品;固化剂:分别以B1、B2、B3、B4代表所选用的固 化剂,B1-低分子量聚酰胺固化剂,B2-改性脂肪胺固化剂,B3-酚醛改性脂环胺固化剂,B4-自制, 通过B1-低分子聚酰胺固化剂和B2-改性脂肪胺固化剂共混改性制得[4-5];有机蒙脱土(OMMT):经 十八季铵盐改性,主要组分为高纯度蒙脱石,含量为96%~98%,含水量≤3%,晶面间距2·1 nm;硅烷偶 联剂:KH-550,KH-560。
    1·2　试件制备
    本试验中各种配方若无特殊说明,其质量分数 均以100 g环氧树脂为基准,A组分为环氧树脂与稀释剂,B组分为固化剂。将A、B两组分按计算的质量比混合均匀后,按GB/T 7124—1986《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)》的要求制作钢-钢粘结剪切试件。每组试件个数不少于5个,以强度的算术平均值作为最终试验结果。
    1·3　主要试验设备
    电子万能试验机、WDW100、恒温水箱、恒温恒 湿箱。
    1·4　耐老化性能的测试方法
    GB 50367—2006《混凝土结构加固设计规范》采用湿热老化试验检验环氧结构胶的耐老化性能,具体条件是:将按GB/T 7124—1986的要求制作钢-钢粘结剪切试件,在温度50℃,大于95 %湿度的条 件下,加速老化90d,测试老化前后的强度变化。耐湿热老化性能是结构胶一项重要指标,但由于湿热老化试验周期过长,不利于施工现场对环氧结构胶耐老化性能的快速检验。为了在实际施工中控制材料质量,同时也为研究中更快地筛选出较好 的优化配方,贺曼罗[6]等人根据多年的实际体会,结合环氧结构胶的老化特点,采用沸水长时间浸泡 钢-钢粘结剪切试件的方法,测试沸煮前后的强度 变化,对配方进行筛选。试验结果表明,此法具有一 定的参考意义。在正在制订的《建筑结构加固工程 施工质量验收规范》中,也拟采用沸煮法进行现场快 速检验,认为沸煮法的试验结果较湿热老化法更偏于安全,通过沸煮法试验的结构胶不必再进行湿热 老化试验的测试。本研究中采用的具体方法:将按GB/T7124—1986制作的钢-钢粘结剪切试件,放置于恒温水箱(温度≥95℃)中,沸煮一定时间后取出,待试件表面温度与室温平衡时,测试钢-钢粘结 剪切强度。
    为了验证沸煮法的可行性,A组分为100 gES1, 分别针对3种不同类型的固化剂,固化剂B1为40 g B2为50 g,B3为30 g。使用测试耐老化性能的两种 方法进行对比试验,结果见表1。
             
    虽然两种试验方法的测试条件不同,但从表1 中的试验结果可以看出:通过沸水浸泡7d后,钢-钢粘结剪切强度均接近且略低于湿热老化90d后 钢-钢粘结剪切强度,沸煮老化与湿热老化对钢-钢粘结剪切强度的影响在时间上存在一定的对应关工程加固中环氧结构胶的耐老化性能———彭勃,等系。鉴于以上结果,本试验采用沸煮法测试环氧结构胶的耐老化性能。
    2　结果与讨论
    2·1　固化剂复配对环氧结构胶耐老化性能的影响在本组试验中,A组分中使用的偶联剂为KH- 550。固化剂采用B3与B4的混合料。A组分为 100g ES1时,对应不同固化剂用量时的试验结果见 表2。
                 
    由表2可知:当使用固化剂B4时,环氧结构胶 的粘结性能和胶体本身的力学性能均能满足规范要 求,但耐沸煮老化性能较差,沸水浸泡7 d后,钢- 钢粘结剪切强度从26·4 MPa下降至16·1 MPa。当 使用固化剂B3时,环氧结构胶的粘结性能和耐沸 煮老化性能较好。沸水浸泡7 d后,钢-钢粘结剪 切强度从19·8 MPa上升至23·3 MPa。但胶体本身 的力学性能较差,难以满足规范要求。利用两类固 化剂各自的特点,将固化剂B4与固化剂B3按一定 比例复配改善环氧结构胶的耐老化性能。由表2中 的数据可知:当固化剂B3的用量占固化剂总用量 的比例从10%增加到50%时,环氧结构胶胶体本身 的拉伸强度和压缩强度均呈下降趋势,这与单独使 用固化剂B3时胶体本身的力学性能较差有关;环 氧结构胶的钢-钢粘结剪切强度并无太大变化,但耐沸煮老化性能却明显提高。当固化剂B4与固化 剂B3的配比为80∶20时,环氧结构胶的耐沸煮老化 性能较好。沸水浸泡7 d后,钢-钢粘结剪切强度 从25·7 MPa下降至24·5 MPa,只下降了1·2 MPa,强 度下降率仅为4·7%;同时由于固化剂组分中加入 20%的固化剂B3,胶体本身的强度有所下降,但仍 能满足规范的基本要求:拉伸强度为41·1 MPa(> 40 MPa),压缩强度为75·6 MPa(>70 MPa)。 2·2　纳米填料对环氧结构胶耐老化性能的影响 保持环氧结构胶的基本配方不变, B组分采用 固化剂B4,在此基础上,讨论了纳米填料有机蒙脱土 (OMMT)的掺量对环氧结构胶耐老化性能的影响。 从表3中可以看出:随着有机蒙脱土掺量的增 加,环氧结构胶的抗剪强度有一定的提高,从未掺有 机蒙脱土的22·8 MPa提高到有机蒙脱土掺量为 10%的24·5 MPa。同时,经过沸水浸泡后的抗剪强 度也有所提高。通过将沸水浸泡前、后的抗剪强度 对比可以看出:随着有机蒙脱土掺量的增加,沸水浸 泡后的抗剪强度下降率减小了。不掺加有机蒙脱 土,沸水浸泡7d后,抗剪强度从22·8 MPa下降至 16·5 MPa,下降率为27·6%。当有机蒙脱土的掺量 达到10%,抗剪强度从24·5 MPa下降至21·3 MPa 下降率为13·1%。
               
    2·3　偶联剂对环氧结构胶耐老化性能的影响
    为了提高胶接接头的粘接性能,经常使用偶联 剂。在环氧结构胶中经常使用的是硅烷偶联剂。其 使用方法有[7]:a.表面预处理法,把硅烷偶联剂配成 1%~2%的乙醇溶液,使用时涂在清洁后被粘物表 面,再将被粘物在80℃下加热30 min后,冷却至室 温,即可上胶;b.迁移法,将硅烷偶联剂按树脂量的 2%直接加到胶液中,依靠分子的扩散作用,迁移到 粘接表面处。
    保持环氧结构胶的基本配方不变,A组分配方 为环氧树脂质量∶稀释剂质量=100∶20,B组分采用 固化剂B4,在此基础上,探讨偶联剂及其处理方法对 环氧结构胶耐老化性能的影响试验结果见表4。 
    根据表4中的数据可以得出以下结论:
    1)使用硅烷偶联剂不仅可以提高环氧结构胶的钢-钢抗剪强度,而且可以显著提高胶接接头耐 沸煮的能力,提高环氧结构胶的耐老化性能。
    2)不同的硅烷偶联剂对改善环氧结构胶的耐老化性能效果各异,在本试验中,KH-560的效果要 明显好于KH-550。
    3)对粘接接头处用硅烷偶联剂进行表面预理, 对提高环氧结构胶的耐老化性能大有帮助。
           
    硅烷偶联剂的一般分子结构通式为RSiX3,其 中R为有机基团,X为易水解基团。X基团经水解后,能与无机物的表面产生很好的亲合。而R基团 能与有机脂结合。从而使两种不同性质的材料偶联 起来,获得很好的粘接性能和水解稳定性。因为不同的硅烷偶联剂的官能团不同,不同官能团的活性 不同,所以对粘接性能的改善程度也不相同,对耐老化性能的改善程度也不相同。
    3　结　论
    1)利用固化剂按一定比例复配的方法,在保证胶体本身具有较好的力学性能的同时,可大幅度改 善了环氧结构胶的耐老化性能。
    2)有机蒙脱土在提高环氧结构胶粘结强度的同时,对环氧结构胶的耐老化性能也有一定的改善作用。
    3)使用硅烷偶联剂可以显著提高环氧结构胶 的耐老化性能。不同的偶联剂的改善效果不同,在本试验中,KH-560的效果要好于KH-550。对粘接接头处用硅烷偶联剂进行表面预处理,对提高环 氧结构胶的耐老化性能大有帮助。
    参考文献
    [1]　贺曼罗.环氧树脂胶粘剂[M].北京:中国石化出版社,2004·
    [2]　倪晓雪,李晓刚,张三平,等.胶粘剂环境老化行为的研究现状 及展望[J].材料保护, 2007,40(2):46-49.
    [3]　王孟钟,黄应昌.胶粘剂应用手册[M].北京:化学工业出版 社, 1987·
    [4]　胡玉民,吴良义.固化剂[M].北京:化学工业出版社, 2004·
    [5]　潘东芳,彭勃.工艺参数对低粘度建筑结构胶粘接强度的影响 [J].热固性树脂, 2004,19(2):24-26
    [6]　贺曼罗,蒋伟.建筑结构胶的耐老化性能及其改善的研究 [C]//第八届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集.北 京:中国建材工业出版社,2006·
   [7]　王良贤.硅烷偶联剂对粘接性能的影响[J].航天工艺,1995 (2):15-18.