環氧樹脂建築結構膠

基本介紹

建築加固是目前對房屋結構、道路、橋樑、水庫大壩、涵洞乃至山體裂紋進行補強加固改造，是一件普遍而又行之有效的手段和工藝。國外已經大量套用，國外雖然研製時間較早，推廣套用緩慢。自1990年，建設部發布了一個檔案（即“混凝土結構加固技術規範”(CECS25：90)）之後，對環氧建築結構膠的技術條件及參數提出了標準。加上建設項目日益增多，需要補強加固改造的工程也相應增多。自1983年我國第一代環氧建築結構膠問世以來，全國僅用8噸多建築結構膠，到2004年，發展迅速，據有關權威預計到2004年全國大約消耗了近八萬噸的建築結構膠。據筆者了解目前國內有近四百餘家有資質的加固工程公司，還有近二百餘家在生產和銷售建築結構膠，其中環氧建築結構膠占約80%左右，同時不少外國的企業和中外合資企業在國內生產和銷售建築結構膠，用以滿足建築加固行業日益增長的需要。

第二代

組成及特性

1、第二代環氧建築結構膠的組成：

以粘鋼膠為例配方如下（供參考）

環氧樹脂（1） CYD-128 70 份

環氧樹脂（2） E－44 30 份

增韌劑奇士增韌劑 15 份

偶聯劑 KH－550 1.5 份

固化劑（1）聚醯胺651或300# 35份

固化劑（2） FZ－202 15 份

填料矽微粉（400目） 200份

固化條件及性能指標：

常溫（23±2℃）七天固化或常溫4小時後再於60℃二小時測試，其基本力學指標如下：表（1）

表1 基本力學指標

項目	檢測條件	標準值/MPa	實測結果/MPa
拉伸剪下	鋼片/鋼片	≥18	27.8
垂直拉伸	鋼圓柱/鋼圓柱	≥33	39.5
膠體拉伸強度	膠體啞鈴狀	－	37.7
膠體抗壓強度	園柱樣	－	77.3
鋼/混凝土抗剪強度		－	5.01混凝土破壞
鋼/混凝土抗拉強度		－	3.8混凝土破壞
混凝土/混凝土抗剪強度	見附錄1	－	4.97混凝土破壞
耐溫性能（溫度/抗剪）	恆溫8h後立即進行試驗	GB7124－86	60℃/27.0，80℃/22.0

附錄1 混凝土-混凝土粘接抗剪強度檢測結果

標準值/MPa	抗剪強度/MPa	平均值/MPa	破壞特徵
≥4.65 ≥4.65 ≥4.65 ≥4.65 ≥4.65	4.95		混凝土試件破壞
	5.03	4.97
	4.99	4.97
	5.01
	4.88

2、特徵：

從表（1）中測試的結果看，其主要力學性能指標都超過了“CECS25:90”部頒規範的要求。和其它類型的環氧建築膠相比，也處於領先水平，這也就是第二代環氧建築結構膠所具有的優勢。

第二代環氧建築結構膠配方設計原理及分析

為什麼第二代環氧建築結構膠具有如此優異的性能呢？我們的配方設計依據和原理是以什麼理論為基礎呢？首先我們來看一看以上述粘鋼膠的配方為例來分析一下。粗一看來，此配方和其它環氧建築結構膠配方大同小異，都是以雙 A酚環氧樹脂為主料，同樣也加了偶聯劑、固化劑、增韌劑等一些原料。確實第二代環氧建築結構膠的配方體系和第一代及其它環氧建築結構膠相類似。但是，如果仔細研究一下，就發現有幾個重大的區別和差異。其一，本配方是兩種不同分子量的低分量環氧樹脂組成的。目的是減少收縮、防止結晶、降低粘度。我們知道E-44環氧樹脂的粘接強度高於E-51（或CYD-128），但它的粘度大於E-51，尤其在冬天施工不方便。其次兩種不同分子量的樹脂混在一起，結晶的可能性減少。如果單獨用CYD-128則冬季非常容易結晶。混合樹脂既有合適的粘度，也減少了收縮，提高了強度，防止了結晶。所以效果非常理想。其二是增韌劑沒有採用第一代或其它類型的環氧建築結構膠中通常配方採用的聚硫橡膠或丁腈橡膠作增韌劑。而是採用清華大學奇士公司根據海島結構原理為理論基礎最新生產出的奇士增韌劑。根據一般增韌理論，橡膠加入環氧固化體系時會產生彈力以吸收固化時的收縮應力，從而達到提高粘接強度的作用，但是橡膠（尤其是聚硫或丁腈橡膠）在環氧樹脂固化體系中存在著相容性差，粘度大，分散困難的毛病。製備這些建築結構膠對設備要求高，且分散均勻困難。尤其是在施工過程中由於橡膠的粘滯性，膠層厚薄不均，施工吃力，耗膠量大，粘接強度一致性差。奇士增韌劑是一類由不同柔性鏈段嵌段而成的帶有活性基團的液體聚合物，該增韌劑是低粘度液體與環氧樹脂及固化劑相容性好，且沒有聚硫橡膠或丁腈橡膠的粘滯性，故施工順暢、膠層薄而均勻，用膠量也比一般橡膠型增韌劑的建築結構膠少用近四分之一，既節約了成本，又提高了性能。奇士增韌劑的增韌原理就是在未固化前，它與環氧樹脂及固化劑是均相存在於體系中，而一旦固化開始此增韌劑便開始分相均勻分布在固化體系中形成海島結構狀。更明顯的表現現象是如果不加填料，在開始固化前，此環氧固化體系為均勻透明液狀物，而固化過程開始混濁最後成乳白色或棕黃色不透明固體狀。那么海島結構的膠粘劑為什麼能提高強度呢？根據粘接理論，膠粘劑在固化過程中會產生大量反應熱以便開環過程連續不斷進行下去，在產生粘接力的同時，也會在體系中產生大量收縮應力，如果粘接力大於收縮應力，則會產生粘接強度，相反，收縮應力大於粘接力，則固化體系的粘接強度幾乎為零，或是產生開裂現象。因為奇士增韌劑在固化完成後形成小的海島結構，均勻的分布在體系中，它可以大量吸收固化時產生的收縮應力，使收縮應力降到最低限度。根據粘接強度=粘接力+收縮應力（負值）公式可以看出，收縮應力越大，粘接強度越小，反之，收縮應力越小，粘接強度就越大。同時，在測試粘接強度時，由於海島結構的存在，它抵禦外力的作用也非常強大，具有堅而韌的特性。在這雙重性質的作用下，用具有海島結構的奇士增韌劑大幅度提高粘接強度也就不足為奇了，這是第二代環氧建築結構膠的核心技術。其三，在第二代環氧建築結構膠中的固化體系也是非常重要的核心技術，此固化體系與眾不同的是採用了聚醯胺（或改性聚醯胺）與脂環族固化劑複合的固化體系。我們知道，聚醯胺作環氧固化劑具有很多優點，如大配比量、低放熱峰、配方範圍廣、剛性好、強度韌度高等，但是它也有一些致命的缺點：如粘度大，低於15℃就不易固化，速度太慢，室溫固化度低（不大於60%），耐溫性差（高於60℃強度急劇下降）。尤其是在冬天，單用聚醯胺幾乎和環氧樹脂不反應，這樣就極大地阻礙了建築結構膠的使用範圍。目前市面上流行用593改性脂肪胺與聚醯胺配套使用。593固化劑具有粘度低，放熱峰高，固化速度快，稍低的氣溫也能固化的優點，不過由於這類固化劑價格昂貴且固化物脆性大，增加了成本，強度也不甚理想。筆者經過多年的研究發現脂環族固化劑和聚醯胺配合後，性能提高很多且價格低廉，其綜合性能均優於593固化劑與聚醯胺的組合。此類脂環族固化劑就是由河南省鄭州天澤公司生產飼料添加劑的副產品改性而成。這類名叫TAC的固化劑據分析是甲基環戊二胺和環己二胺為主體組成的脂環族多胺。由於TAC中還含有其它未知成份。直接用它作固化劑效果非常差，缺點多多，如配比嚴格，易變色，脆性大，強度低。有鑒於此，筆者對TAC進行了改性，保留其粘度低，活性強，發熱平穩持久的優點，降低了胺值，增加了韌性。這種名為FZ-201、202的固化劑就是經過改性的TAC製備而成。它和聚醯胺可以取長補短，既降低了體系的粘度，又保持其持久的發熱量促進聚醯胺固化，又能多添加填料，降低成本而性能不下降，提高了耐熱性，還可以在0℃以上環境中套用，大大擴展了建築結構膠的套用範圍。這種固化劑除顏色較593深一些外，其它性能均超過593固化劑且價格是其三分之二，這對建築結構膠廠無疑是降低成本的好產品。

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