建筑用改性双酚A型环氧树脂结构胶的制备及性能研究

李文辉

(甘肃省静宁县建设工程服务中心,甘肃 平凉 743400)

环氧结构胶凭借其优良的抗渗耐久性、粘接密实性和防水防腐蚀性能,在工程建设中的应用不断增加,主要用于混凝土结构二次结构植筋、砼孔洞蜂窝露筋等损坏修补、裂缝修复,以及钢结构的粘接与地下管道坝基等接口的修补加固及密封防腐,水池、建筑内外墙防渗、防水、防腐、防潮等修复工作。由于环氧树脂的使用越来越广泛,很多建筑物的植筋加固项目对它的综合特性有了更高的需求。但环氧树脂建筑结构胶具有低强度性、高脆性、低 弹性模量、容易开裂和拉伸强度低等缺陷,特别是高温情况下,结构胶固化速率较快且凝固时间较短,整个过程不超过 30 min,正是由于该过程所经历时间 较短会造成工程施工困难[1]。为了进一步优化结构胶整体力学性能,需要对环氧树脂结构胶进行改性处理[2]。基于此,在结构胶中添加纳米碳酸钙和硅微粉,通过对掺入不同原料环氧树脂结构胶进行抗压、抗拉、流 淌性分析,提高结构胶抗拉、抗压、流淌性能。

1 试验部分

1.1 试验原材料

主要材料:双酚A型环氧树脂,河南驰奥商贸;低分子聚酸胺,上海艾研生物科技;固化剂,上海凯茵化工;偶联剂,南京向前化工;丁基缩水甘油醚,武汉曙尔生物科技;水泥,华新水泥股份;纳米碳酸钙,上海缘江化工;硅微粉,江西宸鑫新材料。

1.2 试验仪器及结构胶制备

主要试验仪器:XWB-300A型温度测试仪,北京鑫生卓锐科技;WDW100型万能电子实验仪,上海五久自动化设备;JZ-A型高速分散搅拌机,北京九州晟欣科技;HCTJ-10型粘接检测仪,深圳市沃霖电子;MTS-810型万能拉伸机,山东万辰试验机;EK-i2000电子天平,杭州朗多检测仪器;SB100烧杯,宁波金驰塑料;GG-17玻璃棒,台州市椒江环光玻璃仪器;500X电子显微镜,深圳市酷凌科技。

按GB/T 2567—2008规范制备结构胶,纳米碳酸钙、硅微粉配比为1∶1;固化剂占环氧树脂用量的1/3和1/4,稀释剂、偶联剂各占环氧树脂用量的12%和5%[3-5]。将搅拌好的胶水倒入模具中,在60 ℃下进行30 min的固化,凝固后脱模,并置于室温下进行一星期的硬化[6]。

1.3 测定标准

通过上述获取的改性后的环氧树脂结构胶和准备好的试验仪器,对其进行抗拉抗压和流淌性测定。

1.3.1抗压抗拉性能

使用电子万能试验仪对结构胶进行7 d的抗压强度、抗拉强度和弹性模数测定,试验测试所用装置[7]。

结构胶拉伸弹性模量,计算公式为:

(1)

式中:Δp表示装置对结构胶加载变化量;s、Δs分别表示结构胶被拉伸量和变化量,将初始直线段斜率作为胶体拉伸弹性模量,计算结构胶拉伸强度:

(2)

式中:q表示结构胶被拉伸时所能承受的最大拉力荷载;h表示结构胶长度;d表示结构胶厚度,将结构胶拉伸强度数值作为结构胶最终拉伸强度测定标准值[8]。

结构胶压缩强度,计算公式为:

(3)

式中:p表示屈服荷载,将结构胶抗压强度作为结构胶最终抗压强度测定标准值。

1.3.2流淌性能

在测定建筑用改性环氧树脂结构胶流淌性时,选择一片光滑洁净的150×50 mm的玻璃纤维板,并在试验时将(40×40)mm、3 mm厚的建筑用改性环氧树脂建筑结构胶涂于模板上。在涂布完毕后,将玻璃板竖直放置30 min,以测定其流淌性。

2 试验结果与分析

在保证工程使用期限之内建筑用改性环氧树脂结构胶不出现固化情况,必须保证在使用完毕后及时进行硬化,以最大速度达到所需固化强度。以垂直方式涂胶,防止结构胶流挂,并保证涂层厚度。固化后结构胶需要具备良好接合能力,防止接缝脱落,并具有强压缩和拉伸能力,以保证结构胶承受足够强的应力。

2.1 结构胶抗拉抗压试验

2.1.1纳米碳酸钙对结构胶抗拉强度影响

通过对结构胶拉伸加载,得到的位移-抗拉曲线如图1所示。

图1 结构胶拉伸加载曲线

由图1可知,3%纳米碳酸钙曲线的加载过程,将试验分为3个阶段:第1阶段从 O点向A1点,位移-应力曲线呈线性变化,在应力-应变曲线上表现出显著弹性特性;第2阶段曲线的倾斜度逐渐变小,在达到峰值以前,建筑用改性环氧树脂结构胶塑性会日益显著;第3阶段加载曲线达到最高点以后,该曲线开始下降,拉伸强度逐渐减小,直到断裂为止;第3阶段曲线下降的主要原因是建筑用改性环氧树脂建筑结构胶拉伸到达最大强度时,结构胶发生了缩颈现象,结构胶接触面逐渐减小,直至断裂为止。由图1还可知,7%纳米碳酸钙曲线的加载过程,与大部分结构胶不同,这一类型的加载过程可分成2个阶段,与3%纳米碳酸钙曲线加载过程前2个阶段类似。第1阶段在OA2的初始加载作用下,位移-应力曲线呈线性变化,在应力-应变曲线上表现出显著弹性特性。超过A2点后该曲线的倾斜度减小,在倾斜度由0达到B2点时,抗拉强度达到最大,结构胶突然断裂,第2阶段加载试验结束;7%纳米碳酸钙曲线加载过程没有第3阶段,不会出现缩颈现象,结构胶突然发生断裂。

2.1.2硅微粉对结构胶抗压强度影响

通过对结构胶压缩加载,得到的位移-抗压曲线如图2所示。

图2 结构胶压缩加载曲线

图2所示硅微粉掺量为3%的结构胶压缩加载曲线,不同掺量硅微粉加入的建筑用改性环氧树脂结构胶在加载曲线上表现出相似之处。将结构胶黏接的施工工艺分成3个阶段:第1阶段OA1,该过程结构胶抗压应力迅速升高,加载向下凸起,压应力比横梁更大,而结构胶横梁位移则是由材料和填充物的弹性而决定的,结构胶外观没有发生显著改变。第2阶段的加载曲线是凸起的,压应力的变化速率开始减小,结构胶形成速率升高,压应力持续增大,这是一个塑性和弹性同时发生的阶段,在该阶段结构胶内有细小的气泡没有被充分地排放出来。该曲线上B1不光滑部分是指在结构胶中未完全排出的空气气泡,在C1处,是一条具有较强弹性的构造胶鼓,在受拉过程中,会出现一些微小的裂缝,这些裂缝会随压力而增加,直至应力完全消失,停止加载,此为第3阶段。

图2所示硅微粉掺量为5%的结构胶压缩加载曲线,添加了硅微粉可以提高其抗压性能。当结构胶位移小于3 mm时,5%的硅微粉加入比3%的硅微粉加入的结构胶抗压强度高;当结构胶位移大于3 mm时,5%的硅微粉加入比3%的硅微粉加入的结构胶抗压强度低,但强度仍整体高于基体抗压强度。

硅微粉建筑用改性环氧树脂结构胶抗压破坏过程,如图3所示。

(a)加载前

从图3可以看出,将结构胶的两个末端都磨平,然后放到电子万能试验机的夹头中心,在最初施压过程中,结构胶与试验机夹具的接触表面会逐渐变成鼓状,鼓状相对不显著,此时没有裂纹出现。受力结构胶受力后,整个受压致密,鼓形显著,此时仍未出现裂纹。在连续的受力作用下,结构胶表面出现了微小裂纹,随后裂纹不断扩展直到被压碎。

2.2 纳米碳酸钙、硅微粉对结构胶流淌性试验分析

在对建筑用改性环氧树脂建筑结构胶流淌性进行分析时,由于不同填料用量和质量比例直接影响结构胶改性力学性能,所以在结构胶流淌性分析过程中,保证纳米碳酸钙、硅微粉配比1∶1不变,加入双氧水进行试验分析。此时结构胶中存在大量H+,它能与结构胶中的氢键发生反应,从而使其在垂直方向上的流挂距离变小。

由于水泥与建筑用改性环氧树脂结构胶的接触面较大,使得结构胶的黏度随着环氧树脂分子链的相对移动产生的摩擦而变得更大,从而缩短了垂直流挂距离。与水泥相比,纳米碳酸钙、硅微粉具有较大的接触面,因此,在缩短垂直流挂距离作用上,其作用优于水泥。

通过上述分析可知,在不同纳米碳酸钙、硅微粉中加入的比例下,其对流淌性的影响如表1所示。

表1 不同掺量比例比对结构胶垂直流挂距离影响

由表1可知,在建筑用改性环氧树脂结构胶中,垂直流挂距离与填充物的用量呈反比例关系,当水泥:纳米碳酸钙:硅微粉=17∶10∶3.2时,建筑用改性环氧树脂结构胶不再出现流淌现象。在这种情况下,建筑用改性环氧树脂结构胶具有最佳流淌性,改性后的环氧树脂建筑结构胶持久性较高。

3 房屋建筑工程结构胶植筋使用案例

甘肃静宁某住宅建设项目4栋住宅楼及地下车库,总建筑面积44 628.79 m2,18层框架剪力墙结构,设计使用年限为70年。采用填充墙砌体拉结筋、GZ和框架梁柱、剪力墙二次结构钢筋的植筋锚固。

3.1 施工流程与操作要点

定位:按设计要求标示钻孔位置;钻孔清孔:钻孔孔径及钻孔深度如表2所示。钢筋处理:钢材表面的浮锈污渍清除干净,用棉纱蘸丙酮擦洗钢筋锚固区段,直至露出金属光泽;制胶:取干净容器,严格按说明调制搅拌;注胶:注胶时保证孔洞内胶体饱满;插筋:用旋转法将钢筋边旋转边插入至孔底,迅速植入钢筋,防止胶液流出;钢筋定位及密封处理:钢筋在植入的过程中位置会有所偏转,胶液也会有流淌,批量植筋完成后进行检查,将流淌的胶液重新填回,同时对偏转的钢筋进行定位处理,胶固化后再进行钢筋的定位;固化保护:在固化完成之前,应按照结构胶养护条件进行固化养护,固化期间禁止扰动;质量检验。

表2 钻孔孔径及钻孔深度

3.2 结构胶植筋抗拔承载力现场非破损检测与验收

施工完毕后,抽样做拉拔试验,检验拉拔力结果如表3所示。

表3 结构胶植筋现场拉拔力检测结果

依据《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ 145—2013,使用ZY-20数显式锚杆拉力计检测,混凝土无裂缝、植筋未滑移,结构胶植筋静力拉拔试验符合要求。

4 结语

(1)通过对环氧树脂结构胶抗拉改性,发现低掺量的纳米碳酸钙可以显著地改善其抗拉性能,而高掺量的纳米碳酸钙对结构胶拉伸强度改善作用不大;

(2)通过对环氧树脂结构胶抗压改性,发现结构胶位移小于3 mm时,5%的硅微粉掺量比3%的硅微粉掺量的结构胶抗压强度高,反之则较低;

(3)通过对环氧树脂结构胶流淌改性,发现当水泥:纳米碳酸钙:硅微粉=17∶10∶3.2时,改性后环氧树脂结构胶无流淌。