环氧建筑结构胶力学性能的影响因素研究

陈梅红，吴玉生，秦宪明，彭鹏飞，杨宗强，黄舟

（中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司，福建厦门 361028）

环氧建筑结构胶力学性能的影响因素研究

陈梅红，吴玉生，秦宪明，彭鹏飞，杨宗强，黄舟

（中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司，福建厦门 361028）

为研究粘贴纤维复合材加固用环氧结构胶的力学性能，采用正交试验设计对关键组分进行优化。结果表明：稀释剂对结构胶的抗拉强度、断裂伸长率、钢对钢拉伸抗剪强度影响最大，固化剂对结构胶的抗压强度和抗弯强度影响最显著；当环氧树脂EP1为70份、EP2为30份、活性稀释剂BGE为15份、硅微粉为120份、增韧剂为7.5份、固化剂为30份（质量份）时，结构胶的断裂伸长率最优，达1.72%，抗拉强度达44.1 MPa，抗压强度102.8 MPa，抗弯强度76.8 MPa，钢对钢拉伸抗剪强度31.4 MPa，满足粘贴纤维复合材加固用结构胶的使用要求。

粘贴纤维复合材；结构胶；力学性能；正交试验；活性稀释剂

0 引言

随着使用年限的增加，建筑物表面出现裂纹和裂缝破坏，导致建筑物力学性能变差、寿命缩短，更有甚者随时有坍塌的危险。我国20世纪七八十年代修建的建筑物大多面临这一严峻问题。如果全部推倒重建，太耗费人力物力财力。为解决这一难题，衍生出一种新型技术——建筑加固技术[1]。

建筑加固是利用粘贴纤维布复合材、粘贴钢材、高压灌浆、锚固植筋等方法对建筑裂缝进行加固改造，最常见的建筑结构胶是环氧建筑结构胶[2-4]。在结构胶的使用中，首先应保证其使用的力学性能，再考虑其它特性，如长期使用性能、耐介质腐蚀性等。GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》对Ⅰ类A级粘贴纤维复合材加固用结构胶的性能要求为：抗拉强度≥38 MPa，断裂伸长率≥1.5%，抗压强度≥70 MPa，抗弯强度≥50 MPa，钢对钢拉伸抗剪强度≥14 MPa。本文通过正交设计，研究稀释剂、增韧剂、固化剂、填料对粘贴纤维复合材加固用结构胶力学性能的影响以及作用机制，以期获得较高力学强度的粘贴纤维复合材加固用结构胶。

1 试验

1.1 试验原料

环氧树脂（EP1）：CYD-128，工业级；环氧树脂（EP2）：6101，工业级；稀释剂：丁基缩水甘油醚（BGE），501，工业级，岳阳巴陵华兴石化有限公司；硅烷偶联剂：KH-560，工业级，浙江沸点化工有限公司；增韧剂：端环氧醚，工业级；固化剂：改性酚醛胺，工业级；填料：400目硅微粉，工业级；消泡剂：市售。

1.2 试验仪器

UTM6503电子万能试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司；WDW-100E微机控制电子式万能试验机，济南试金集团有限公司。

1.3 试验制备

1.3.1 试验设计

由于影响结构胶力学性能的因素较多，为全面有效考查各因素的影响，本研究采用正交试验设计，分别对活性稀释剂501、端环氧醚增韧剂、改性酚醛胺固化剂、填料硅微粉用量（质量份）4个因素进行考查，其中每个因素选择3个水平，具体因素和水平见表1。采用正交表L9（34）进行试验，暂不考虑各因素间的交互作用。本试验所涉及的配方中，环氧树脂的质量总量均是100份，其中EP1和EP2分别为70份、30份，这样的环氧配比，既能避免过于规整的环氧树脂发生低温结晶，又能保持较高的反应活性和强度。

表1 正交试验因素水平表

1.3.2 结构胶的制备

结构胶的制备工艺流程见图1。

图1 结构胶的制备工艺流程

试验模具制备：模具形状和尺寸按GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》和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）》规定，采用45#钢自制。

1.4 测试或表征

（1）抗拉强度、断裂伸长率、抗压强度、抗弯强度按GB/T 2567—2008采用万能试验机进行测定，抗拉、抗压、抗弯试验速度为2 mm/min。

（2）钢对钢拉伸抗剪强度：按GB/T 7124—2008标准，采用微机控制电子万能试验机进行测试，拉伸抗剪试验速率为8 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

正交试验设计和测试结果见表2。结合表2可知，在本试验研究因素范围内，抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和拉伸剪切强度远优于Ⅰ类A级结构胶的要求，只有断裂伸长率不能全部达标。

表2 正交试验设计及测试结果

2.2 结果分析

正交试验结果极差分析见表3。

表3 正交试验结果极差分析

从表3可以看出：

（1）各因素对抗拉强度的影响顺序是：A＞B＞C＞D，即活性稀释剂BGE对抗拉强度影响最大，其次是增韧剂和固化剂，填料硅微粉作用不显著。最优组合为A3B2C1D2，即当BGE为15份、增韧剂为5份、固化剂为25份、硅微粉为140份时，结构胶的抗拉强度最优。这是因为在非真空条件下制备黏稠的结构胶时，各组分混合搅拌会将空气卷入胶体中，产生气泡，形成缺陷。而活性稀释剂BGE和增韧剂的黏度很小，特别是BGE的黏度小于5 mPa·s（接近水的黏度），二者能有效降低结构胶的黏度，有利于气泡在发生固化反应前逸散出来，使结构胶的抗拉强度提高。

（2）各因素对断裂伸长率的影响顺序是：A≈D＞B＞C，即活性稀释剂和填料对断裂伸长率影响最大，其次是增韧剂，固化剂作用不显著。最优组合为A3D1B3C2，即当BGE为15份、硅微粉为120份、增韧剂为7.5份、固化剂为30份（9#试样）时，结构胶的断裂伸长率最优。这是由于当BGE掺量最大、硅微粉掺量最低时，结构胶的黏度最低，结构胶中的气泡能很快的逸散出去，此时作为分散相的填料掺量较少，能均匀地分散在连续相树脂基体中，结构胶的结构完善，断裂伸长率高。当BGE掺量减少、硅微粉掺量增加时，结构胶的黏度增大，气泡逸散慢，在气泡全部逸散出结构胶前就已经发生固化反应，气泡被永久地留在结构胶中，产生孔洞；而且填料越多，树脂基体就越少，破坏基体树脂的连续性，使结构胶的断裂伸长率下降。

（3）各因素对抗压强度、抗弯强度的影响顺序分别为：C＞B＞D＞A、C＞B＞A＞D，即固化剂对抗压、抗弯强度影响最大，增韧剂次之。抗压强度的最优组合为C1B1D2A1，即当固化剂为25份、增韧剂为2.5份、硅微粉为140份、BGE为10份时，结构胶的抗压强度最优；抗弯强度的最优组合为C3B2A3D3，即当固化剂为35份、增韧剂为5份，BGE为15份，硅微粉为160份时，结构胶的抗弯强度最优。

（4）各因素对钢对钢拉伸抗剪强度的影响顺序为：A＞B≈D＞C，即稀释剂对拉伸抗剪强度影响最大，增韧剂、填料、固化剂作用依次减弱。最优组合为A3B1D3C2，即当BGE为15份、增韧剂为2.5份、硅微粉为160份、固化剂为30份时，结构胶的拉伸剪切强度最优。当BGE掺量较多时，能有效降低结构胶的黏度，有利于消除结构胶气泡，使结构胶的结构更加完善，因此拉伸剪切强度高。

图2是结构胶固化物的简易模型，其中长链代表的是环氧树脂，短链表示固化剂，长短链连接点代表化学硬质交联点[5]，这也是结构胶在宏观上力学强度的来源。

图2 结构胶固化物模型

图2（a）中短链和交联点比较少，是当固化剂掺量较少时的模型，此时的网状结构有较大的柔性，受拉或受压时均能产生较大的变形。图2（b）中短链和交联点多，是固化剂掺量较多时的模型，此时交联点密集，网状结构牢固，需受较大的拉力或压力才能产生一定的变形。抗压强度是用受到的最大压应力和截面积的比值来表示的，此截面积是受力之前的截面积。当添加较少固化剂的结构胶受到压力时，会产生较大的变形，即横截面积会变大，要使构胶发生破坏，需施加比原始截面积破坏力更大的压力，所以抗压强度会较大。而抗弯强度的一侧受到压应力作用，另一侧受到拉应力作用，当固化剂含量较多时，结构胶的网状结构更加稳定，需要较大的力才能发生破坏，因此抗弯强度较大。

3 结语

（1）在试验选定体系下，活性稀释剂BGE对结构胶抗拉强度、断裂伸长率、拉伸抗剪强度影响最大，固化剂对结构胶的抗压强度、抗弯强度影响最显著。

（2）在试验研究因素范围内，当EP1为70份、EP2为30份、BGE为15份、硅微粉为120份、端环氧醚增韧剂为7.5份、改性酚醛胺固化剂为30份时，结构胶的断裂伸长率最优，为1.72%，抗拉强度达44.1 MPa，抗压强度102.8 MPa，抗弯强度76.8 MPa，拉伸剪切强度31.4 MPa，优于GB 50728—2011对Ⅰ类A级粘贴纤维加固用结构胶的性能要求。

[1]陈君君，龙玉辉.对建筑加固结构设计的探析[J].中国新技术新产品，2013（2）：195-196.

[2]张春雪，张忠武，于浩.环氧树脂胶粘剂在建筑加固领域中的应用[C]//中国环氧树脂应用技术学会.第十次全国环氧树脂应用技术学术交流会论文集，天津，2003：36-41.

[3]曾兵，马凤淑，张仁瑜，等.结构加固用胶粘剂测试技术的评价与探讨[J].中国胶粘剂，2015，24（1）：39-44

[4]Cunha J，Chaves L P.The use of topology optimization in disposingcarbonfiberreinforcementforconcretestructures[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization，2014，49：1009-1023.

[5]罗筑，陈梅红，涂兴文，等.PP/PP-g-MAH/Talc/EP复合材料的性能[J].高分子材料科学与工程，2012，28（5）：73-76.

Study on the effect factors of the mechanical performance of epoxy building structural adhesive

CHEN Meihong，WU Yusheng，QIN Xianming，PENG Pengfei，YANG Zongqiang，HUANG Zhou
（China Building Material Test&Certification Group Xiamen Hongye Co.Ltd.，Xiamen 361028，China）

In order to study on the mechanical performance of the epoxy structural adhesive for strengthening bonded fiber-reinforced polymer（FRP），the key ingredients have been optimized by orthogonal design.The result shows that，the diluent was the most important factor for tensile strength，elongation at break，tensile shear strength of structural adhesive，and the curing agent was the most important factor for compressive strength，bending strength of structural adhesive.When the EP1 was 70，the EP2 was 30，the BGE content was 15，silica powder was 120，toughener was 7.5，curing was 30（Wt），the structural adhesive had the best elongation at break，and could meet standard request of the structural adhesive for strengthening bonded FRP，the elongation at break，tensile strength，compressive strength，bending strength and tensile shear strength was 1.72%，44.1MPa，102.8MPa，76.8MPa，31.4MPa.

fiber-reinforced polymer（FRP），structural adhesive，mechanical performance，orthogonal test，reactive diluent

TU58+1.21

A

1001-702X（2016）07-0014-03

厦门市建设局科技计划项目（XJK2015-1-7）；

厦门市科技局科技计划项目（3502Z20150055）

2016-01-21；

2016-03-21

陈梅红，女，1986年生，福建莆田人，工程师，主要从事建筑加固材料、密封材料的研究。