粘结和固化参数对建筑结构胶粘结性能的影响★

袁琪 盛黎* 董灵相 盛渭庆

(浙江树人大学城建学院，浙江杭州 310015)

0 引言

建筑物由于使用年限的延长或其他诸如地震灾害等多种原因造成构件强度、刚度不足或开裂、破损等情况屡见不鲜，尤其在我们国家，建国初期建成的许多建筑物已经到了维修加固的高峰期，其次还有部分建筑由于设计不符合使用要求，需要对结构构件或建筑物整体进行加固补强[1，2]。

利用建筑结构胶粘剂将各种补强材料粘结在受损构件上，是近来应用比较广泛的一类加固方法。但是胶粘剂的胶粘过程是一个复杂的物理和化学过程，粘结效果不仅取决于胶粘剂本身性能，而且与粘结工艺、被粘物表面的处理情况、周围环境的温度等因素有关，因此为了获得结构胶粘结的最佳效果，使结构胶的使用更加科学有效，有必要对上述因素的影响进行研究，争取使胶粘剂的使用与这些因素相适应。

1 试验原料及仪器

1.1 胶粘剂型号

本试验采用目前市场上常用的WD-1001型高性能丙烯酸酯AB胶和DY·E-44型环氧树脂胶。WD-1001型高性能丙烯酸酯AB胶可广泛用于钢材、碳纤维、水泥、木材等同种或异种材料的粘结，由A，B两个组分组成，使用时两组分以1∶1配比混合后涂胶，常温指压下8 min左右初步固化定位，1 h后就可达最终强度的70%，24 h后达到最高强度。DY·E-44型环氧树脂胶为淡黄色高粘度透明液体，与固化剂按1∶1混合，固化后尺寸稳定性好，粘结性能优异，广泛用于各种金属与非金属的粘合及防水补强材料等。

1.2 仪器设备

CMT5105型微机控制高低温电子万能试验机由深圳市新三思材料检测有限公司生产。

1.3 试样制备

按照GB/T 7124-2008胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)标准制备试样。首先用工业酒精擦拭2根25 mm×100 mm的钢片表面，除去污染物后用砂纸打磨钢片表面直至出现金属光泽，将配好的两种结构胶的A，B混合胶液分别均匀地涂在粘结面积A=12.5 mm×25 mm上，用金属线控制胶层厚度分别为0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，在(23 ±2)℃的环境温度下固化7 d，固化压力为接触压，试样个数为6个，试样尺寸见图1。

图1 试样尺寸图

粘结抗拉强度试验的试样尺寸按照图2制作，首先用工业酒精擦拭两块截面尺寸为40 mm×40 mm，厚度为4 mm的Q235钢板，除去污染物后用砂纸打磨钢片表面直至出现金属光泽，用结构胶粘结，将配好的两种结构胶的A，B混合胶液分别均匀地涂在两块钢板上，用金属线控制胶层厚度分别为0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，在(23 ±2)℃的环境温度下固化7 d，试样个数为6个，钢板两边中部焊接一段直径为8 mm的钢筋用于试验机夹持端加载。

1.4 测试方法

在CMT5105型微机控制高低温电子万能试验机上以2 mm/min的恒定速度加载，记录试样破坏的最大负荷以及胶接接头破坏的类型。

2 试验结果与分析

2.1 胶层厚度对建筑结构胶性能的影响

胶接是与被粘结构件和胶粘剂组织结构有密切联系的过程。胶接接头在受到外力作用时，由于粘附强度和内聚强度的不同，其破坏情况有四种形式，即被粘构件破坏、胶层内聚破坏、界面粘附破坏及混合破坏。

在实际操作中，如果保证了胶层本身足够强度的话，就能避免胶层内聚破坏，同时如果保证胶与被胶接构件有良好粘附的话，就能避免界面粘附破坏，可能实现被粘物构件破坏。

观察拉伸剪切和粘结抗拉试验后各组试样破坏面，均发现有胶层残留在钢片上，而且残留胶层比较光滑，钢片上无胶的地方没有结构胶破坏后留下的毛刺，这说明本试验中不同胶层厚度胶接接头失效模式是以界面粘附破坏为主。由图3的试验数据可见当胶层厚度非常小时，随着胶层厚度的增加，两种结构胶的拉伸剪切强度均提高，当丙烯酸酯AB胶的胶层厚度为0.2 mm，环氧树脂胶的胶层厚度为0.3 mm时，两种胶的拉伸剪切强度分别达到最高，但随着胶层厚度的继续增加，两种结构胶的拉伸剪切强度均呈现下降的趋势，胶层越厚，强度值越低，本试验结论与文献[3]中试验结果基本一致。当胶层厚度超过1 mm时，厚度对强度的影响更为明显，下降幅度越来越大。由图4的试验数据可见，当丙烯酸酯AB胶的胶层厚度为0.3 mm，环氧树脂胶的胶层厚度为0.5 mm时，两种胶的粘结抗拉强度分别达到最高，随着胶层厚度的继续增加，两种建筑结构胶的粘结抗拉强度均呈现下降的趋势，胶层越厚，粘结抗拉强度值越低。

图3 不同胶层厚度下结构胶的拉伸剪切强度

图4 不同胶层厚度下结构胶的粘结抗拉强度

分析胶层厚度对拉伸剪切强度和粘结抗拉强度的影响，粘结过程中由于种种原因胶层材料本身的结构或界面区总是存在一些裂缝和其他缺陷，比如表面划痕、微孔、晶界等。这些裂缝和缺陷会产生局部应力集中现象，使局部区域所受的应力远远超过平均应力，当局部应力超过某一临界条件时，裂缝失去稳定性并发生扩展，引起破坏。

对一般材料而言，试样的尺寸体积、半径、长度越大，其内部存在裂缝、缺陷的几率也越大，但是胶接接头胶层并不是越薄越好。但胶层厚度小到一定程度时，拉伸剪切强度反而随之下降，其原因是胶层太薄时，容易产生缺胶，即生成了新的弱界面层和应力集中现象。

2.2 固化温度对建筑结构胶性能的影响

结构胶必须通过固化过程才能产生强度，固化温度的控制是固化过程中的重要因素，它不仅决定固化完成的程度，而且也决定固化过程进行的快慢。本试验将两种结构胶制备成每级固化温度条件下各6组胶接试件，胶层厚度均为1 mm，分别在室温10℃，20℃下固化7 d后进行力学性能测试，与在烘箱内加热到40℃，60℃，80℃下固化4 h后，立即取出试样，迅速进行力学性能测试进行对比。目的是研究不同固化温度和时间下，结构胶的拉伸剪切强度和粘结抗拉强度变化规律。

观察力学试验后各组试样破坏面发现，常温固化后试样主要发生界面粘附破坏，提高固化温度以后，钢片上出现了一部分结构胶的毛刺，胶层上的纹路清晰纵横交错，所以认为试样同时发生了胶层内聚破坏和界面粘附破坏，结构胶的性能得到了更大程度的发挥。

由图5和图6的试验结果可见，适当提高固化温度使强度值明显提高，但是当温度升高后，丙烯酸酯AB胶达到60℃、环氧树脂胶达到40℃时，结构胶开始软化，两种结构胶的抗剪强度和粘结抗拉强度出现不同程度的下降。

图5 不同固化温度下结构胶的拉伸剪切强度

图6 不同固化温度下结构胶的粘结抗拉强度

由于适当提高固化温度使结构胶的浸润能力提高，使结构胶与钢片之间的接触面积增大，充分浸润了钢片表面，胶层和钢片之间发挥了一定的机械咬合力，避免了大面积界面破坏的发生，提高了强度值。但是固化温度不宜过高，过高的固化温度会使结构胶组分A与B反应活性变高，交联反应速率过快，反应不完全就已经产生固化，造成粘结力下降。

3 结语

1)结构胶随着胶层厚度变大，胶层剪切强度和粘结抗拉强度总体呈下降趋势。但如果胶层太薄容易造成缺胶，致使胶接强度下降。

2)当丙烯酸酯AB胶的胶层厚度为0.2 mm，环氧树脂胶的胶层厚度为0.3 mm时，两种胶的拉伸剪切强度分别达到最高，当丙烯酸酯AB胶的胶层厚度为0.3 mm，环氧树脂胶的胶层厚度为0.5 mm时，两种胶的粘结抗拉强度分别达到最高。

3)温度较低时，结构胶拉伸剪切强度和粘结抗拉强度值随着固化温度的提高而提高，适当提高固化温度有利于提高固化程度，但是过高的固化温度会造成粘结力下降。

[1] 贺曼罗.建筑结构胶粘剂施工应用技术[M].北京:化学工业出版社，2001.

[2] 唐业清，万墨林.建筑物改造与病害处理[M].北京:中国建筑工业出版社，2000:172-210.

[3] 林 美.建筑结构胶粘剂拉伸剪切强度测定因素的分析[J].福建建设科技，2011(1):56-57.