JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能研究

程希莹,于 敏,杨瑞敏,张 伟,韩 意

(安徽科技学院 建筑学院,安徽 蚌埠 233100)

0 引言

现代建筑主要根据相关标准化的要求,根据设计规格预先制成,并通过机器操作完成组装[1-2]。经济和社会的发展不断加快,促使建筑业施工技术得到进一步的提高[3]。深入研究建筑结构加固性能,有利于持续提高建筑结构抗震水平,其已成为目前建筑业设计的必然要求[4-5]。建筑结构抗震属于建筑业设计中的一个重要环节,若要提高建筑结构自身抗震性能,必须做好抗震工作[6-7]。

20世纪90年代以来,国内外对建筑胶黏剂的应用非常普遍。比如日本阪神大地震后,损坏桥梁等建筑的钢筋混凝土柱及梁等均大量使用结构胶(乳液双组分型)进行加固和修复。在对建筑结构胶普遍应用的基础上,相关学者一方面加强了对粘接构件承载性能与行为的研究,另一方面不断建立更完善的施工规范化标准[8]。

目前,国内外的建筑结构胶制备技术正向着高水平系列化发展,如混凝土修补胶、接缝专用胶、可用于金属预制件拉伸的高强胶、快速锚固胶等。而国内学者针对建筑结构胶的研究则是向着多样化发展。这其中,以环氧乙烯基酯结构胶、环氧结构胶的应用效果更为显著。环氧乙烯基酯结构胶以丙烯酸、环氧树脂为主要原料,在合成环氧乙烯基酯树脂后,通过乙烯基丙基MT硅树脂完成改性处理,经固化后完成制备[9]。材料中的乙烯基丙基MT硅树脂能够提高环氧乙烯基酯树脂的拉伸强度和断裂伸长率,使其具有较好的耐老化性能。但高温环境会对环氧乙烯基酯结构胶的弹性压缩能力产生破坏,导致其易产生压缩弹性变形,降低了其抗震和抗冲击能力。环氧结构胶是在真空灌胶环境下,以环氧树脂和改性芳胺固化剂为主要原料,配合填料、偶联剂、触变剂及碳纤维完成制备[10]。但由于在制备环氧结构胶的过程中加入了较多的改性组分,导致固化后环氧结构胶的均匀性和致密性受到影响,降低了其拉伸强度、压缩强度以及耐久性,在地震力、剪力等强冲击力的作用下,环氧结构胶的粘接性能失效。

针对目前常用结构在抗震加固性能方面存在的不足,以上述传统的制备方法为基础,将提高结构胶的拉伸强度、压缩强度和压缩弹性作为研究目标,本研究以JGN型耐高温建筑结构胶为研究对象,在制备的基础上,重点分析了其抗震加固性能。

在本文的研究中,分别以高活性酚醛胺(T-31)、聚酰胺树脂(PA)作为主、辅固化剂,利用气相白炭黑、超细石英砂、石棉纤维、纳米材料、环氧树脂等材料,完成对JGN型耐高温建筑结构胶的制备,并在高温环境下分析材料掺量变化的情况及结构胶拉伸强度、压缩强度的变化趋势,从而确定材料的最佳配比如下:固化剂质量比为45∶15、气相白炭黑掺量为4.5%、超细石英砂掺量为10%、石棉纤维掺量为10.5%、纳米SiO2掺量为3.5%、纳米CaCO3掺量为2.5%,并通过试验对比结果突出了研究成果的抗震加固有效性。

1 材料方法

1.1 试验材料设计

环氧树脂:工业级,来自无锡博瑞宇化工科技有限公司;

聚酰胺树脂(固化剂PA、T-31):工业级,来自湖北鑫润德化工有限公司;

硅烷偶联剂:工业级,来自南京全希化工厂;

气相白炭黑:工业级,来自湖北汇富纳米材料股份有限公司;

水泥:工业级,来自珠海市华润水泥厂家;

超细石英砂:工业级,来自灵寿县黑山石英砂厂;

石棉纤维:工业级,来自瓜州县柳园学校化工厂;

高活性酚醛胺:工业级,来自山东德源环氧科技有限公司。

纳米材料:纳米SiO2、纳米CaCO3,工业级,来自南京先丰纳米材料科技有限公司。

具体试验材料的优点如表1所列。

表1 试验材料优点Table 1 Advantages of test materials

1.2 JGN型耐高温建筑结构胶制作

使用合适的环氧树脂、气相白炭黑在玻璃烧杯中进行搅拌,搅拌速度是1 100～1 350 r/min;导进固化剂、硅烷偶联剂进行搅拌,搅拌速度是550～650 r/min;导进水泥、超细石英砂、石棉纤维进行搅拌[12-13]。把混合料放在密闭环境中,去除气泡后放在模具里,12小时后脱模,获取JGN型耐高温建筑结构胶试样。

1.3检测方法

根据GB/T2567—2019标准[14],使用万能试验机检测所制备JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能,采用日本日立公司的S-3400N型扫描电子显微镜和型号为JEM-1200EXII的透射电子显微镜进行观察。

JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能主要通过力学性能指标体现。在本研究中,性能测试主要通过拉伸强度、压缩强度以及压缩弹性模量指标体现。

2 检测方案与结果分析

2.1 固化剂质量比测试与结果分析

通常来说,固化剂配比越低,相应的成本就会越低。但是为了保证材料制备质量,固化剂不能过少,否则结构胶的脆性将有所提高。结合相关经验,将聚酰胺树脂(固化剂PA、T-31)的比例设定在1～3之间,即达到21∶21、29∶19、33∶18、41∶16、45∶15。其余材料的用量如下:气相白炭黑掺量是4.5%,超细石英砂掺量是40%、石棉纤维掺量是10.5%,纳米SiO2掺量是3.5%,纳米CaCO3掺量是2.5%。在此条件下分析固化剂质量比对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响。

测试结果如图1所示。

图1 固化剂质量比变化下的压缩强度与压缩 弹性模量的测试结果Fig.1 Test results of compressive strength and compressive elastic modulus with varying curing agent mass ratio

通过分析图1可以发现,在固化剂质量比由21∶21变化至45∶15的逐渐增加的过程中,JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度与压缩弹性均呈现出下降的态势,且二者的下降幅度相当,最终分别下降至70.0 MPa、1.6 GPa。

PA:T-31固化剂质量比变大会使得JGN型耐高温建筑结构胶压缩强度和压缩弹性模量变小,此时结构胶的韧性伴随固化剂掺量变大而变大。产生这种情况的原因在于,T-31固化剂分子结构是一种短链模式,和环氧树脂交联后衍生的交联点距离不大,交联键进行内旋转运动时受到约束。PA属于大分子固化剂,与环氧树脂固化后交联点距离变大,交联键内旋转运动的空间越大。此时,交联键运动的自由度增加,使材料的压缩弹性模量变小、韧性加强。因此,把固化剂T-31和PA结合后,不仅可以使JGN型耐高温建筑结构胶的使用寿命变长,还可以优化其韧性,此时JGN型耐高温建筑结构胶的抗震加固性能也得以优化。因此,为了是JGN型耐高温建筑结构胶具有线性组合的抗震加固性能,固化剂配比需要设成45∶15。

2.2 气相白炭黑掺量测试与结果分析

经相关学者研究发现,橡胶类材料的耐高温老化性能会随着气相法白炭黑用量的增加先升后降,且以用量为4%～45%为宜[15]。因此,借鉴相关学者的研究成果,为分析气相白炭黑掺量变化下的压缩强度与压缩弹性模量,本研究将测试过程中的气相白炭黑掺量依次设成0%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%。其余材料的用量如下:固化剂质量比设成45∶15,超细石英砂掺量是40%、石棉纤维掺量是10.5%,纳米SiO2掺量是3.5%,纳米CaCO3掺量是2.5%。在此条件下,分析气相白炭黑掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响。

气相白炭黑的FS电镜照片如图2所示。

图2 气相白炭黑的FS电镜照片Fig.2 FS electron microscope image of fumed silica

分析图2可知,气相白炭黑的团聚物由许多原生粒子构成,粒径在7～16 nm之间,原生粒子的相互作用构成一次团聚物,正是这种聚合物,会与分子发生氢键作用,生成氢键结构,抑制了交联键的运动,使JGN型耐高温建筑结构胶的固化性能得到增强。

测试结果如图3所示。

图3 气相白炭黑掺量变化下的压缩强度与压缩 弹性模量的测试结果Fig.3 Test results of compressive strength and compressive elastic modulus with varying content of fumed silica

通过分析图3可以发现,在气相白炭黑掺量由0%增加至4.5%的过程中,JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度与压缩弹性均呈现出下降的态势,最终分别下降至70.0 MPa、1.6 GPa。

产生上述结果的原因在于,JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度和压缩弹性模量会随着气相白炭黑掺量增大而变小,增加了JGN型耐高温建筑结构胶的韧性。当气相白炭黑加入环氧树脂中,会与分子发生氢键作用,生成氢键结构,抑制了交联键的运动,使交联聚合物里面交联键数量变少,降低交联密度,交联网络的均匀性变差。气相白炭黑虽然对JGN型耐高温建筑结构胶的触变性与韧性进行优化,但是对JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度存在负面影响,所以在制作JGN型耐高温建筑结构胶时,气相白炭黑的掺量可设成4.5%,此时JGN型耐高温建筑结构胶的固化性能最佳。

2.3 超细石英砂掺量测试与结果分析

为分析超细石英砂掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响,将JGN型耐高温建筑结构胶中的超细石英砂掺量依次是0%、10%、20%、30%、40%,固化剂质量比设成45:15,气相白炭黑掺量是4.5%,石棉纤维掺量是10.5%,纳米SiO2掺量是3.5%,纳米CaCO3掺量是2.5%。在此条件下,分析超细石英砂掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响。

测试结果如图4所示。

图4 超细石英砂掺量变化下的压缩强度与压缩 弹性模量的测试结果Fig.4 Test results of compressive strength and compressive elastic modulus with varying content of ultrafine quartz sand

通过分析图4可以发现,在气相白炭黑掺量由0%增加至40%的过程中,JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度与压缩弹性均呈现出上升的态势。其中,压缩强度由75 MPa上升至93 MPa,压缩弹性模量由1.6 GPa上升至3.4 GPa。

JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度和压缩弹性模量会随着超细石英砂掺量变多而变大。产生这一结果的原因在于超细石英砂是刚性材料,其压缩强度与压缩弹性模量很大,将超细石英砂加入环氧树脂中,可以帮助环氧树脂稳固自身,从而增加JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度和压缩弹性模量,JGN型耐高温建筑结构胶得到优化。而超细石英砂颗粒分布于环氧树脂基体中,超细石英砂颗粒与环氧树脂发生作用,环氧树脂表面会形成了大量环氧树脂分子链,组合成无机-有机复合界面。当受到外力作用时,外力会沿着复合界面产生作用,此时界面将出现小裂缝,耗损很多能量。JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度因超细石英砂掺量的变多而变大,JGN型耐高温建筑结构胶的弹性模量也变大,结构胶和基材的粘接性能将会变差。因此,在实际应用中需要将超细石英砂掺量设成10%。

2.4 石棉纤维掺量测试与结果分析

为分析石棉纤维掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响,将JGN型耐高温建筑结构胶中的石棉纤维掺量依次是0%、5.5%、10.5%、15.5%,固化剂质量比设成45:15,气相白炭黑掺量是4.5%,超细石英砂掺量是40%、纳米SiO2掺量是3.5%,纳米CaCO3掺量是2.5%。在此条件下,分析石棉纤维掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响。

石棉纤维在扫描电镜下放大10 000倍的SEM如图5所示。

图5 石棉纤维的SEM图像Fig.5 SEM image of asbestos fiber

图5中,石棉纤维呈现出长宽较大、表面光滑、没有明显的分丝帚化现象,拥有大量的活性基团,可以平均分散于环氧树脂基体中,增强树脂拉伸强度,防止环氧树脂基体产生应变。

测试结果如表2所列。

表2 高温环境下石棉纤维掺量变化对结构胶抗震加固性能的影响Table 2 Effect of the variation of asbestos fiber content on seismic performance of structural adhesive at high temperature

分析表2可知,随着石棉纤维的掺量增加,JGN型耐高温建筑结构胶的抗拉强度增加。如果其掺量为10.5%,那么其抗拉强度将达到最大值。

产生上述结果的原因在于,在石棉纤维量较少的情况下,将石棉纤维加入环氧树脂基体中时,石棉纤维会分散于环氧树脂基体中,产生分散相、连续相,从而增加树脂拉伸强度,在增强体系承受外力时,外力主要作用于纤维中,在一定程度上能够防止环氧树脂基体产生应变。石棉纤维能够使作用于环氧树脂上的力分布得更均匀,并随着树脂/纤维的应力减小,从而使结构胶的抗拉强度得到优化。若石棉纤维掺量过多,JGN型耐高温建筑结构胶的黏度变大,则大量纤维在JGN型耐高温建筑结构胶中伸展度变差,团聚力变强,拉伸强度将变差。为此,石棉纤维掺量的最佳值是10.5%,此时JGN型耐高温建筑结构胶的拉伸强度为最大值,其抗震加固性能最佳。

2.5 纳米材料测试与结果分析

为分析石棉纤维掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响,将JGN型耐高温建筑结构胶中的纳米SiO2掺量依次是0%、1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%,纳米CaCO3掺量依次是0%、2.5%、4.5%、6.5%、8.5%、10.5%,固化剂质量比设成45:15,气相白炭黑掺量是4.5%,超细石英砂掺量是40%、石棉纤维掺量是10.5%。在此条件下,依次分析纳米SiO2掺量、纳米CaCO3掺量对JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能的影响。

纳米SiO2和纳米CaCO3的SEM图像如图6所示。

图6 纳米SiO2及CaCO3的SEM图像Fig.6 SEM images of nano-SiO2 and nano -CaCo3

通过观察6中的纳米SiO2和纳米CaCO3的结构可以发现,纳米SiO2和纳米CaCO3不是分散为单颗粒形式存在,而是多个颗粒聚合形式存在,能够优化结构胶基体。

测试结果如表3所列。

表3 纳米材料掺量对结构胶抗震加固性能的影响分析Table 3 Influence of nanomaterials content on seismic strengthening performance of structural adhesive

分析表3结果可知,在JGN型耐高温建筑结构胶中逐渐增加纳米SiO2,其拉伸强度、压缩强度先变大后变小,整体变动幅度较小。如果纳米SiO2掺量是3.5%,其拉伸强度为55.74 MPa,此时为最大值,压缩强度也为最大值。原因是纳米SiO2粒子自身的强度与模量较为显著,纳米SiO2掺量变多,结构胶基体的强度便得以优化。纳米SiO2掺量较少,纳米SiO2粒子在结构胶基体树脂里分布均匀性较好,特别是纳米SiO2掺量为3.5%时,纳米SiO2粒子在结构胶基体树脂里分布均匀,拉伸强度最显著。当纳米SiO2掺量为5.5%时,纳米SiO2粒子将会优化JGN型耐高温建筑结构胶的触变性、黏度,气泡将不便处理,拉伸强度、压缩强度便会变小。纳米SiO2掺量变多,JGN型耐高温建筑结构胶的压缩弹性模量变大。原因是纳米SiO2粒子的自身模量显著,可以优化JGN型耐高温建筑结构胶的弹性模量。弹性模量变大,JGN型耐高温建筑结构胶抵抗拉伸变形的性能被优化。

分析表3结果还可知,纳米CaCO3掺量较多时,JGN型耐高温建筑结构胶的拉伸强度变小,当纳米CaCO3掺量不大于8.5%时,拉伸强度变小的幅度不大,如果纳米CaCO3掺量为10.5%,拉伸强度为35.31 MPa。此时拉伸强度变小的原因是JGN型耐高温建筑结构胶中气泡和纳米钙分散后聚合于一体,当掺量较少时,JGN型耐高温建筑结构胶的气泡处理难度小,同时纳米粒子聚集的条件不多,JGN型耐高温建筑结构胶强度较高。如果纳米CaCO3掺量是10.5%,JGN型耐高温建筑结构胶的黏度变大,气泡处理难度变大,留在结构胶里的气泡很多,这时纳米粒子聚集性较好,JGN型耐高温建筑结构胶的韧性则较差、易开裂,抗震加固性能下降。纳米CaCO3掺量增多后,JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能指标中压缩弹性模量变大。因为纳米CaCO3自身属于刚性粒子,模量显著,可优化JGN型耐高温建筑结构胶的压缩弹性模量,抗震加固性能得以优化。因此,综合考虑,纳米CaCO3掺量最优值应为2.5%。

3 抗震加固性能对比

为进一步验证本研究设计的JGN型耐高温建筑结构胶的抗震加固性能,将其与目前常用的环氧乙烯基酯结构胶、环氧结构胶展开对比。

试验试件为3组相同的隐式混凝土幕墙结构,分别将本研究设计的JGN型耐高温建筑结构胶、环氧乙烯基酯结构胶、环氧结构胶作为试验对象。隐式混凝土幕墙结构参数如表4所列。

表4 试验试件结构参数Table 4 Structural parameters of test specimen

试验在伺服系统中完成,在37 ℃环境下,沿水平方向输入人工地震波,地震强度变化为3～8级。对照检验结果以结构胶连接处发生弯折或倒塌为验证标准,并测试不同实验组混凝土幕墙的抗倒塌安全储备系数。

抗倒塌安全储备系数ν的计算方式如下:

(1)

式中:κ表示建筑结构出现倒塌的临界地震强度;σ表示建筑结构在罕见地震作用下的相应地震强度。

测试结果如表5所列。

表5 不同结构胶的测试结果Table 5 Test results of different structural adhesive

分析表5可知,在高温环境地震作用下,应用JGN型耐高温建筑结构胶的隐式混凝土幕墙结构的抗倒塌安全储备系数为4.75,与应用环氧乙烯基酯结构胶、环氧结构胶的幕墙结构的抗倒塌安全储备系数相比更高,说明其地震作用需求更高。应用JGN型耐高温建筑结构胶后,隐式混凝土幕墙结构分别在地震强度为6.7级和7.5级时发生弯折形变和折断,说明JGN型耐高温建筑结构胶可以有效加固建筑幕墙连接处。此外,JGN型耐高温建筑结构胶胶体的抗拉强度和抗弯强度均处于较高的水平,说明其抗震、抗倒塌性能更强,有利于对建筑结构的加固。

4 结论

本文在制备JGN型耐高温建筑结构胶的基础上,测试了不同固化剂、气相白炭黑、超细石英砂、石棉纤维、纳米材料配比下,结构胶的抗震加固性能。

经测试发现:(1)固化剂质量比变大会使得JGN型耐高温建筑结构胶压缩强度和压缩弹性模量变小,此时结构胶的韧性伴随固化剂掺量变大而变大;(2)JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度和压缩弹性模量会随着气相白炭黑掺量增大而变小,从而增加了JGN型耐高温建筑结构胶的韧性;(3)JGN型耐高温建筑结构胶的压缩强度和压缩弹性模量会随着超细石英砂掺量变多而变大;(4)石棉纤维的掺量不应过多,否则会导致JGN型耐高温建筑结构胶的黏度变大,则大量纤维在JGN型耐高温建筑结构胶中伸展度变差,削弱拉伸强度;(5)纳米SiO2粒子的自身模量显著,使用在环氧树脂基体里,两相符合将会优化JGN型耐高温建筑结构胶的弹性模量;(5)纳米CaCO3掺量增多,JGN型耐高温建筑结构胶抗震加固性能指标中的压缩弹性模量会在一定程度内变大。

因此,在经过测试后发现,当固化剂质量比为45:15、气相白炭黑掺量为4.5%、超细石英砂掺量为10%、石棉纤维掺量为10.5%、纳米SiO2掺量为3.5%、纳米CaCO3掺量为2.5%时,JGN型耐高温建筑结构胶性能最好,其抗震加固性能可得以优化。本研究结果可作为建筑结构胶抗震加固性能优化、建筑结构胶应用方案中的参考资料,具有一定的参考价值。