缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂配方试验研究

邓卫娟，王桥，胡伟，杨帆，惠湛

（西部机场集团有限公司，西安 710075）

0 前言

缓黏结预应力技术是改善结构正常使用状态的一种新型预应力混凝土技术，缓黏结预应力钢绞线混凝土构造如图1所示。胶黏剂是缓黏结预应力技术的关键。胶黏剂材料前期具有一定的流动性和钢材附着性，后期固化将预应力筋与混凝土融为一体，从而使缓黏结预应力技术既具有无黏结预应力施工的简便易行，又具备有黏结预应力的力学效果［1-3］。随着生产技术的发展，缓黏结预应力技术越来越广泛应用在住宅、公用与工业建筑的大跨度梁、板中［4-5］。然而，胶黏剂材料的选择对于预应力结构的安全性至关重要。由于环氧树脂通常与聚酰胺固化剂相互作用形成复合胶黏剂体系，固化后聚合物具有优良的化学稳定性、力学性能和耐久性，以此复合胶黏剂体系为基体材料成为缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂材料研究领域的一个热点［6-7］。然而相关缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂具体成分配比及性能研究报道较少，对此需要研制一类缓黏结预应力钢绞线专用胶黏剂。非活性稀释剂不参与环氧树脂与固化剂的化学反应［8］，在基体材料中适当添加非活性稀释剂可以调节胶黏剂的锥入度。缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂需要合理控制锥入度，锥入度太大会增加钢绞线的摩擦损耗，锥入度太小，流动性增加会污染模板，给施工造成不便。固化剂聚酰胺650结构中的伯胺基、仲胺基和酰胺基基团上的活性氢与环氧树脂发生交联反应［9］，胶黏剂体系中固化剂掺量不同对固化速率及固化后聚合物的性能有明显影响。缓黏结预应力钢绞线施工工期长，要求胶黏剂的固化期一般在180天以上，胶黏剂体系中固化剂含量一般较少。在环氧树脂类胶黏剂体系中，添加填料作为增量剂来降低制造成本或改进某些性能［10-13］。环氧树脂E51/聚酰胺650体系已经是一个较成熟的固化体系，但其在缓黏结预应力钢绞线中的应用是近年来预应力技术新的突破。对此研究一种缓黏结预应力钢绞线专用胶黏剂配方，特别需要满足：（1）固化期较长；（2）胶黏剂固化前期，缓黏结预应力钢绞线容易张拉及操作方便；（3）胶黏剂固化后期，胶黏剂的力学性能和耐久性保证缓黏结预应力钢绞线混凝土的稳固性。

图1 缓黏结预应力钢绞线混凝土示意图Fig.1 Schematic diagram of retarded-bonding prestressed concrete

本文设计不同聚酰胺掺量、不同水泥掺量的胶黏剂体系，利用物理共混的方法制备胶黏剂，研究其理化性能、力学性能和耐久性，优选出适用于缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂配方，为缓黏结预应力钢绞线专用胶黏剂的发展提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

双酚A环氧树脂，E51，环氧当量为208 g/mol，蓝星化工新材料股份有限公司；

聚酰胺，PA-650，定远县丹宝树脂有限公司；

邻苯二甲酸二丁酯（DBP），分析纯，天津市大茂化学试剂厂；

促进剂，DMP-30，天津市大茂化学试剂厂；

白色硅酸盐水泥，425#，河北省易县白水泥厂。

1.2 主要设备及仪器

润滑脂和石油脂锥入度测定仪，SC-217，长沙思辰仪器科技有限公司；

邵氏硬度计，TH210，北京时代山峰科技有限公司；

电子万能试验机，CL-20kN，扬州昌隆试验机械有限公司；

微机电液伺服压力试验机，HYE-300，三思纵横科技股份有限公司；

场发射电子显微镜（SEM），SU8020，美国FEI公司。

1.3 样品制备

配方设计：本文为研究一种固化期较长、固化前稠度适中（采用锥入度表示）和固化后力学性能和耐久性良好的预应力筋用胶黏剂。首先制备E51/PA650/DBP/DMP-30体系胶黏剂（配方1～配方4），以固化剂为变量，比较不同固化时间胶黏剂固化后的硬度和强度。然后选择固化时间最长的胶黏剂作为基体材料，以填料为变量，在E51/PA650/DBP/DMP-30体系胶黏剂中添加不同含量水泥（配方5～配方8），一方面可以降低产品成本；另外，可以增加胶黏剂的稠度，满足胶黏剂在钢绞线黏结界面的附着性。同时可以改善胶黏剂的某些性能。试验配比设计见表1。最终，以胶黏剂的理化性能和力学性能作为评价指标，获得适用于缓黏结预应力钢绞线的胶黏剂配方。

表1 胶黏剂配比Tab.1 Ratio of adhesives with different PA-650 amounts

胶黏剂及试样制备：按照表1中配方1～配方4胶黏剂配比，将E51、PA650、DBP和DMP-30依次加入搅拌杯，然后放入真空搅拌机进行搅拌得到胶黏剂。搅拌时间15 min，转速为300 r/min。同理，按照表1中配方5～配方8胶黏剂配比，配制E51/PA650/DBP/DMP-30体系胶黏剂基体，再取适量基体加入搅拌杯，随后按比例分别加入填料，搅拌15 min后即得到胶黏剂。

将配制的配方1～配方8胶黏剂试验试件，力学性能测试试件见图2。其中，单搭接拉伸剪切强度试样，模拟钢绞线材料，黏合样品基材使用100 mm×25 mm×1.6 mm的钢82B 5420，黏结区域面积为25 mm×12.5 mm，涂抹胶黏剂之前对黏结区域用酒精棉擦拭干净；抗折/抗压强度试样，样品尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

图2 胶黏剂试样Fig.2 Adhesive sample

为了降低时间成本，加速胶黏剂固化。将配方1～配方8的硬度试件和力学性能试样首先在25 ℃恒温箱中预固化24 h。随后放入80 °C恒温箱中养护24 h后完全固化，取出试样放入25 °C恒温箱中继续养护24 h后进行测试。

1.4 性能测试与结构表征

锥入度：按照标准GB/T 269—2023中1/4尺寸润滑脂工作器的规定进行测试，每次测试3个样品，结果取平均值。

邵氏硬度：按照标准GB/T 531.1—2008第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）的规定进行测试，每次测试取1个样品。

固化时间：按照标准JG/T 370—2012测试。

拉伸剪切强度试验：依据标准GB/T 7124—2008进行单搭接拉伸剪切强度试验，加载速率为（45±10）N/s，测试5个样品，结果取平均值。

抗折/抗压强度试验：依据标准GB/T 17671—1999进行抗折/抗压强度试验，测试抗折强度时，加载速率为（50±10）N/s，每次测试3个样品，结果取平均值。测试抗压强度时，加载速率为（2 400±200）N/s，每次测试6个样品，结果取平均值。

耐久性能：依据标准JG/T 370—2012对拉伸剪切强度试样进行耐湿热老化性能试验和高低温交变性试验，在耐久测试周期后测试5个试样，计算拉伸剪切强度下降率。

拉伸剪切断面SEM分析：对不同填料掺量样品的拉伸剪切断裂面进行形貌测试，断裂面执行2次喷金处理，加速电压为5.00 kV。

2 结果与讨论

2.1 固化剂掺量对胶黏剂性能的影响

表1中不同固化剂掺量胶黏剂试样（配方1～配方4）在80 °C条件下快速固化后的性能测试结果见表2。可以看出，不同固化剂掺量胶黏剂的邵氏硬度相接近，在85 D～87 D之间。随着固化剂含量的增加，胶黏剂的拉伸剪切强度、抗折强度、抗压强度均增加。这是由于随着固化剂含量的增加，固化剂与环氧树脂反应生成的三维网络体聚合物的交联密度增加，显著影响了胶黏剂的力学性能。而且胶黏剂的耐湿热老化性能和高低温交变性能稍有改善。缓黏结预应力钢绞线在实际工程施工中工期较长，对胶黏剂的固化期要求也较长，而胶黏剂固化剂含量较少（配方1）时，固化期较长，力学性能较差。以较长固化期配方1为基体，下面试验研究添加填料对胶黏剂性能的影响。

表2 不同固化剂掺量胶黏剂的性能测试结果Tab.2 Property of adhesives with different dosages of curing agent

2.2 填料掺量对胶黏剂性能的影响

2.2.1 胶黏剂的固化时间

在常见的环境温度（25～55 ℃）固化条件下测试表1中配方5～配方8体系的固化时间，测试结果见表3。由表可知，随着温度升高，所有配方体系的固化时间均缩短，55 ℃条件下的固化时间相比于25 ℃条件缩短约1/2。任一温度下，从配方5～配方8，随着填料的增加，胶黏剂的固化时间缩短。可见，实际工程中需要根据环境温度和缓黏结预应力钢绞线的张拉时间选择适当填料掺量的胶黏剂配方。

表3 配方体系的固化时间 hTab.3 Curing time of various formula h

2.2.2 胶黏剂的锥入度

由于胶黏剂锥入度与缓黏结预应力钢绞线前期张拉操作密切相关，对4种配方体系的锥入度进行了测试研究。缓黏结预应力钢绞线中，胶黏剂前期的锥入度是评估钢绞线张拉试用期的重要指标。锥入度太大时，胶黏剂的流动性较大，一方面造成胶黏剂从钢绞线端口流出，给施工造成不便；另一方面会使钢绞线周围的胶黏剂厚度不均匀，导致钢绞线与混凝土的粘接锚固性下降。锥入度太小时，胶黏剂的流动性差，虽然增加了胶黏剂在钢绞线上附着性，但会增加钢绞线的张拉摩擦力，影响预应力结构的稳定性。试验研究胶黏剂在25 °C条件下锥入度的变化，见图3。

图3 胶黏剂锥入度随时间的变化曲线Fig.3 Change curve of penetration of adhesive with time

结果表明，配方体系的锥入度随着时间的推移而逐渐减小到0。从配方5到配方8，随着填料的增加，胶黏剂的初始锥入度逐渐减小，固化时间也逐渐缩短。配方5至配方7胶黏剂的初始锥入度在52（0.1 mm）～85（0.1 mm）范围之间，流动性适中，且在4 h之内锥入度变化较小，满足缓黏结预应力钢绞线前期的易张拉操作。而配方8胶黏剂的初始锥入度（40）较小，流动性较差，将阻碍钢绞线的张拉，导致摩擦损耗增加。

2.2.3 胶黏剂的力学性能及耐久性

为缩短试验时间，不同填料掺量的胶黏剂试样在80 °C条件下快速固化后的性能测试结果见表4。由表4可知，随着填料的不断增加，胶黏剂的邵氏硬度稍有变化，邵氏硬度范围在85D～90D之间；胶黏剂的拉伸剪切强度先增大后减小，配方7的拉伸剪切强度最大，为18.92 MPa；胶黏剂的抗折、抗压强度逐渐增大，配方8的抗折、抗压强度最大，分别为25.68、89.73 MPa；胶黏剂的耐久性也有明显改进，而且配方7的耐久性最佳。对于未添加填料的基体（配方1），基体脆性较强，受外力时，基体中裂纹段应力集中明显，破坏迅速。当基体中加入刚性水泥时，刚性粒子与环氧树脂界面结合处产生少许微裂纹，不断吸收外部的冲击能，力学性能有所提高。当填料用量增加到一定值时，填料与环氧树脂界面结合处的微裂纹增加较多，形成缺陷，力学性能也会降低，如拉伸剪切强度减小。胶黏剂在钢绞线和混凝土肋之间［14］，受力形式以拉伸剪切强度为主。胶黏剂较大的拉伸剪切强度可以使缓黏结预应力钢绞线与混凝土紧紧结合在一起，而且良好的耐久性可以保证整体结构的长久稳固。所以配方7的性能表现最优。

表4 不同填料掺量胶黏剂的性能测试结果Tab.4 Property of adhesives with different fillers

2.2.4 填料掺量对黏结界面微观形貌的影响

为了研究不同份数的填料对胶黏剂黏结界面微观形貌的影响，对表1中不同份数水泥掺量样品的拉伸剪切破坏试样断面进行SEM扫描，观察其微观形貌，见图4。由图4可知：胶黏剂拉伸剪切断面出现了大小不同的“沟壑”状。随着水泥填料的增加，配方4～配方8断面中的“沟壑”逐渐减少，即填料分散到树脂相。说明胶黏剂的抗韧性破坏能力增强，解释了表4中随着填料掺量的增加，胶黏剂的抗折/抗压强度不断增加。另外，从图4（d）中看出，填料掺量太多时试件断面出现明显的微裂纹，说明胶黏剂中填料过量会阻断环氧树脂高聚物的链接，形成较多的小断面。这也是配方8拉伸剪切强度减小的原因。总之，胶黏剂中的填料分散到树脂相中，固化后形成了类似增强复合材料聚合物，胶黏剂的内聚力减小，增加了与黏结界面的结合力，从而提高了黏结强度。

图4 不同份数水泥填料胶黏剂拉伸剪切断口的SEM照片Fig.4 SEM photographs of bonding interface of adhesive with different amounts of filler

2.3 最优配方综合性能

综合以上试验结果分析得到最优胶黏剂为配方7，即m（环氧树脂）∶m（固化剂）∶m（稀释剂）∶m（填料）∶m（促进剂）=100∶1.14∶5.7∶290.4∶2.86。配方7的综合性能测试结果见表5，各项性能均满足行业标准的要求［15］。配方7的初始锥入度为53.6（0.1 mm），有利用缓黏结预应力钢绞线的前期张拉；固化后抗压强度75.14 MPa和拉伸剪切强度18.92 MPa远大于有黏结预应力钢绞线中水泥砂浆的抗压强度（40 MPa）和抗剪强度（4 MPa），确保缓黏结钢绞线与混凝土的紧密结合。其酸碱度呈中性以及良好的耐久性也适用于缓黏结预应力钢绞线。

表5 最优配方综合性能测试结果Tab.6 Comprehensive property of the optimal formula

3 结论

（1）胶黏剂固化后邵氏硬度在85D以上，固化剂掺量增加，胶黏剂的力学性能和耐久性均有提高。

（2）胶黏剂中填料掺量增加，胶黏剂的初始锥入度减小，固化时间缩短。

（3）随着填料掺量增加，胶黏剂的拉伸剪切强度、抗折/抗压强度以及耐久性均发生明显变化。配方7的拉伸剪切强度最大（18.92 MPa）以及耐久性最佳，考虑到胶黏剂在缓黏结预应力钢绞线中主要受拉伸剪切力的作用，故配方7的性能较优。

（4）配方7的初始锥入度、力学性能及耐久性均满足行业标准的要求，是适用于缓黏结预应力钢绞线的最佳配方。