增韧剂的种类与用量对桥梁加固用结构胶拉伸性能的影响

郭炳锟

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

随着我国经济进入高速发展阶段，公路建设已由新建逐渐转为建养并重，尤其是对公路中桥梁工程的质量有了更高要求。桥梁是保证公路畅通运行的核心要素。对于桥梁病害的研究与处理已经引起了工程界的足够重视[1]，桥梁的加固技术与加固材料也取得了很大的进展，其中粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料等加固方法中均采用到一种高分子材料——结构胶。结构胶主要材料为环氧树脂。环氧树脂本身为线型、热塑性的，黏稠液体或固体，不具有任何使用价值。待加入固化剂后，固化剂与环氧树脂发生交联反应，生成不溶不熔物，质地坚硬但较脆。环氧树脂的断裂能和断裂韧性分别为0.04～0.37 kJ/m2、0.66～1.5 MN/m1.5，远低于其他塑料，不耐冲击，较大程度限制了环氧树脂的应用。为改善环氧树脂的脆性与低韧性，常在环氧树脂与固化剂体系中加入一定量的增韧剂。

作为增韧的方法，通常是向双酚A环氧树脂的刚性结构导入玻璃化温度更低的柔性链状结构，将链增长，交联点间分子质量增大，交联密度下降，从而起到增韧的作用。目前用于环氧体系增韧的主要有热塑性树脂[2]、热致液晶[3]、纳米粒子[4]、超支化聚合物[5]、前段共聚物[6]、柔性（增韧）固化剂[7]和环氧化脂肪酸甘油酯[8]等。不同种类的增韧剂对环氧树脂体系的作用机理不同，改善程度也不尽相同，本文选择了3种不同种类的增韧剂，研究其对桥梁加固用结构胶的影响作用。

1 试验部分

1.1 原材料

E-51环氧树脂：岳阳石油化工总厂环氧树脂厂；固化剂：自主合成酚醛胺类固化剂；增韧剂1、2、3分别为自主合成3种类型增韧剂（遥爪型分子结构、聚氨酯改性树脂、通用型）固化剂；促进剂DMP-30：常州山峰化工有限公司；硅微粉：东海县晶盛源硅微粉有限公司。

1.2 仪器设备

万能试验机，CMT4304，深圳新三思材料检测有限公司。

1.3 样品制备与性能测试

表1 原材料用量

按表1所述各原材料用量，分别配制桥梁加固用结构胶A、B组分，熟化24 h后进行试验。A、B组分分散均匀后，静置0.5 h排气。拉伸试件按照GB 2567—2008中尺寸浇筑于相应模具中，振荡消泡，制作试件，并于室温下养护7 d，方可进行测试。

表2 试验代号

拉伸性能按《树脂浇铸体性能试验方法》GB/T 2567—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 增韧剂种类及用量对固化物形貌的影响

图1 增韧剂种类及用量对固化物形貌的影响

由图1可以看出，增韧剂的种类不同对环氧树脂固化物形貌的影响差别较大。使用增韧剂1、3后，固化物体系不再透明，呈现出不同程度的变色；使用增韧剂2后，环氧树脂体系固化物仍保持透明。分析原因为：增韧剂1为遥爪型分子结构，属于多官能团嵌段高分子预聚物，增韧剂3为一种低黏度兼具稀释与增韧作用的分子形聚合物，二者在环氧体系中均匀分散，固化前分散，固化后分相，体系形貌发生明显变化。增韧剂2为一种聚氨酯改性树脂，与环氧树脂相容性较好，固化后均不发生分相，体系仍为透明。

2.2 增韧剂种类及用量对拉伸强度的影响

在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉应力即为拉伸强度。由图2可以看出，不同种类的增韧剂对环氧树脂体系的影响不同。增韧剂1对环氧树脂体系的增韧效果稳定于增韧剂2、3。增韧剂1用量变化对体系的增韧效果不大，增韧作用随用量的变化呈现缓慢增长趋势，体系的拉伸强度较高。增韧剂2用量变化对体系增韧作用改善明显，相对于增韧剂用量为5%时，增韧剂用量10%、15%条件下，拉伸强度分别提升10.94%、3.94%。增韧剂3对体系增韧作用，规律性不强，但拉伸强度总体优于增韧剂2。

图2 增韧剂种类及用量对固化物拉伸强度的影响

2.3 增韧剂种类及用量对拉伸模量的影响

图3 增韧剂种类及用量对固化物拉伸模量的影响

在弹性变形区域，材料发生可完全恢复的弹性变形，应力和相应应变呈正比例关系。拉伸曲线中直线部分的斜率即是拉伸弹性模量值，它代表材料的刚度。具体试验结果见图3。由图3可知，3种增韧剂对体系拉伸模量的影响是一致的，且其随用量的变化是一致的，均为随着增韧剂用量的增加，体系的拉伸模量呈不同程度的下降。说明增韧剂的引入降低了环氧体系的刚度，改善了体系的脆性，改变了体系抵抗变形的能力。

2.4 增韧剂种类及用量对伸长率的影响

伸长率是指试样在拉伸断裂后，原始标距的伸长与原始标距之比的百分率。伸长率是表示材料均匀变形或稳定变形的重要参数。具体试验结果见图4。由图4可以看出，3种增韧剂对体系伸长率变化的影响是一致的，且增韧剂的用量对伸长率的影响是一致的，均随着增韧剂用量的增加而增加，增韧剂3对伸长率的改善作用明显。对比图3与图4，可以看出，增韧剂种类与用量变化对体系拉伸模量与伸长率的影响是恰恰相反的。

图4 增韧剂种类及用量对固化物伸长率的影响

3 结论

a）不同种类的增韧剂对固化物形貌的影响不同，是由增韧剂中“增韧分子”的不同而决定。

b）增韧剂的引入，不同程度提高了体系的拉伸强度与伸长率，但拉伸模量有所下降。增韧剂可有效改善体系的刚性，使其在拉伸时，发生稳定变形。