唐明????王丽华

(沈阳建筑大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110168)

摘要:目的为进一步改善原无粘结后张法预应力混凝土结构的锚固特征,提高长期稳定性,?配制新型高性能的环氧树脂专用锚固专用胶.方法以环氧树脂E44和相应的固化剂、增韧剂、?偶联剂等为原料,用纳米级SiO2进行改性,同时,用五因素三水平正交试验设计对关键配料参?数进行了优化.并进行了相关的补充试验.结果固化剂、偶联剂、增韧剂、纳米级SiO2和填料?五种因素对粘结的剪切强度的影响是非常显著的,影响大小的顺序为固化剂→偶联剂→增韧?剂→纳米级SiO2→填料.优化和改性后,其性能得到显著提高.结论纳米级SiO2改性环氧树?脂专用锚固胶有效地改善了界面的粘接效应,可大幅度改善环氧树脂胶粘剂的粘接性能.

关键词:结构胶;环氧树脂;纳米级SiO2;强度;室温固化

中图分类号:TU56+1·62　文献标志码:A

0　引　言

环氧树脂锚固胶是植筋锚固技术中常用的材?料,它可以实现对于混凝土结构开裂简捷、有效地?连接与锚固[1].后张法无粘结预应力混凝土技术?是近几十年预应力混凝土工程常用施工技术之?一,由于在使用过程中,锚具发生松动,致使预应?力失效或部分失效[1].为实现后张法预应力混凝?土结构锚固部位的长期可靠性,重点研究了适应?于后张法预应力混凝土专用结构胶粘剂,该结构?胶粘剂可根据需要自动调节固化时间,为进一步?对该结构胶进行改性,采用了纳米级SiO2作为填?料,用五因素三水平正交试验设计进行了优化.研?制的双组分环氧树脂锚固专用胶可在室温或低温?条件下缓慢固化,粘接性能和耐介质性能较好,耐?湿热老化性能良好,能够满足锚固用结构胶的技?术要求,尤其适用于无粘结预应力混凝土技术.

1　原材料及试验方法

1·1　原材料

环氧树脂E-44为蓝星新材料无锡树脂厂?生产;低分子650聚酰胺产于天津燕海化学有限公司;丙酮为沈阳市新化试剂厂生产;液体端羧基?丁腈橡胶为上海衡展化工橡胶有限公司生产;偶?联剂钛酸酯为宜兴市苏南石油化工助剂厂生产;?氧化铝粉为沈阳市试剂三厂生产;纳米级SiO2为?沈阳化工集团有限公司生产.

1·2　胶粘剂的制备

胶粘剂为双组分胶粘剂,A组分为环氧树脂?E-44、液体端羧基丁腈橡胶和少量稀释剂;B组?分为固化剂和少量助剂及填料,使用时,按1:1混?合均匀,涂到被粘接的部件上,在室温下固化7d.

1·3　性能测试方法

剪切强度测试依据国家标准GB/T7124-?1986;冲击强度测试依据国家标准GB/T6328-?1986;耐介质性能测试依据国家标准?GB/T13353-1992;湿热老化性能测试依据《混凝?土结构加固设计规范》附录L《结构用胶粘剂湿热?老化性能测定方法》.

2　试验结果与评价

2·1　胶粘剂配方的优化设计

为了研究各因素对环氧树脂结构胶剪切强度?的影响规律,采用正交试验设计进行优化,选择五个因素分别是A为固化剂掺量、B为增韧剂掺量、?C为纳米级SiO2掺量、D为填料掺量、E为偶联?剂掺量,每个因素变化三个水平.因素水平见表?1.所以选择L18(37)正交表安排试验,取环氧树?脂100份为基础,各因素的组合见表2.严格按照?表2中各因素的水平配制胶粘剂,将配制好的胶?粘剂涂于45#碳钢片粘结后制成试件,测试各试?件的剪切强度,测试结果见表2.

对表2中剪切强度考核指标进行直观分析的?计算,其计算结果见表3.对试验结果进行方差分?析计算,方差分析结果见表4.

由方差分析可知,固化剂、增韧剂、纳米级SiO2、偶联剂等掺量、填料掺量对环氧树脂结构胶?的剪切强度影响是非常显著的,以直观分析中A、?B、C、D、E因素各水平为横坐标,各因素考核指标?剪切强度的平均值作为纵坐标,绘制A、B,C、D、E?因素与指标的关系图如图1.

从图1中可以看出,适量的固化剂可以达到?剪切强度{zg},固化剂过小其强度增长缓慢,而且?最终强度也受到影响;固化剂用量过大时,反应速?度太快,致使结构形成过程中缺陷较多,强度降?低,同时,由于迅速凝结,常常无法操作[2].另外?E-44与聚酰胺为1∶1配比时还能起到增韧效?果,综合考虑,固化剂用量100份为宜.

随着丁腈橡胶掺量增大,粘接试样的剪切强?度先增大后减小,由于选用了带有端胺基活性官?能团的丁腈橡胶进行增韧,在保证对胶粘剂有效?增韧的同时,也提高了胶粘剂的交联密度,使其在?固化体系中,丁腈橡胶的含量过低时,增韧效果不?佳,而丁腈橡胶的含量过高时,又使体系黏度过?大,导致剪切强度下降[3],因此,丁腈橡胶{zj0}掺?量为20份.

随着纳米级SiO2含量的增加,胶粘剂的剪切?强度值先增大后减小,掺量为3份时,胶的剪切强?度值{zd0}.从分子间作用角度讲,由于纳米粒子尺?寸与大分子链的尺寸属同一数量级,甚至更高,纳?米粒子加入后,因其表面严重的配位不足、庞大的?比表面积,使它表现出极强的活性,其与聚合物的?相界面面积也非常大,有利于应力传递,起到改性?的作用[4].然而当掺量进一步增加并超过一定限?度时,粒子间过于接近,团聚后不易分散,导致剪?切强度值下降.

Al2O3粉末虽说是作为填料掺入,但Al2O3颗?粒自身强度很高,能够起增强作用,而且Al2O3粉末吸湿性较弱,可改善环氧胶的润湿能力,增强流?动性,但由于Al2O3颗粒粒径较小,随加入量增大,胶粘剂黏度降低较多,因此,掺入20份时从成?本和效果来看均比较合理.

当偶联剂加入量过少时,不能有效地偶联基?料与基体,致使反应不够充分,剪切强度达不到理?想值.当加入量过多时,偶联剂分子的一端水解析?出的低分子物增多,从而增加了孔隙度,缩小了胶?粘涂层的有效粘接面积.同时由于水分子的残留?及偶联剂自身的聚合造成胶层缺陷,产生内应力,?从而破坏胶粘涂层的剪切强度,所以钛酸酯要适?量加入[5].趋势图表明,掺量为0·2时,可以达到?良好的使用效果.

直观分析和方差分析确认的{zj0}组合为?A2B2C2D1E1,{zy}工艺的平均估计值计算如下:

按式(1)计算区间估计半径

最终确认的{zy}生产条件为A2B2C2D1E1,即?{zy}的环氧树脂专用锚固胶的基本参数为?E-44∶聚酰胺∶丁腈橡胶∶氧化铝粉∶纳米SiO2∶?钛酸酯=100∶100∶20∶20∶3∶0·2.该配比下,结构?胶在室温或低温条件下,经7d固化后剪切强度?的平均估计值为31·36MPa,区间估计值为?30·89和31·83.

2·2　环氧树脂结构胶机械强度对比试验?选用正交设计得出的{zj0}配比配制的结构?胶,与未添加纳米级SiO2改性的结构胶作对比试?验,进行机械强度测试,测试结果见表5.

由表5可以看出,纳米级SiO2的加入,结构?胶的机械强度得到了改善,刚性无机纳米微粒对?聚合物的增韧作用一般归结为银纹机理[8],当受?到外力的冲击或拉伸作用时,均匀地分散在聚合?物基质中的纳米级SiO2微粒周围就会产生应力?集中效应,使聚合物基质和纳米微粒的界面发生?形变和产生银纹而吸收能量[6],因而在纳米微粒?分散良好的前提下,纳米级SiO2的加入改善和?提高了环氧树脂结构胶的机械性能[9].

2·3　胶粘剂的耐介质性能

根据标准试样和胶粘剂在介质中浸泡30min后的强度变化和质量变化进行评定结构胶的?耐介质性能,技术标准规定强度下降率≤20%,质?量变化率≤1%的结构胶耐介质性好[7],室温、不?同固化时间在不同化学介质中浸泡30min前后,?粘接件剪切强度和固化物质量的变化分别见表6?和表7.

由表5可知,改性环氧树脂锚固专用胶标准?试样经不同的介质浸泡后均引起少量的剪切强度?变化,其下降率远远小于标准规定的20%;由表6?可知,试样经不同的介质浸泡后的质量变化率均?小于1%,表明该结构胶的耐介质性能满足标准?要求.

2·4　结构胶的耐湿热老化性能

将钢-钢粘接抗剪强度标准试样在温度50?℃,相对湿度98%的环境条件下,在老化箱内加?速老化90d,然后进行剪切强度测试,并与老化前?进行对比,计算性能保留率;技术标准规定在50?℃,98%相对湿度环境条件下,在老化箱内加速老?化90d,钢-钢粘接抗剪强度降低百分率不大于?10%的耐湿热老化性好[8]·改性环氧树脂锚固专?用胶的湿热老化性能测试结果见图2.

由图2可以看出,随湿热时间的增加,改性前?后体系的剪切强度均呈下降趋势,但改性后的体?系具有一个相对稳定的变化趋势,甚至超过600h?后有一定的缓慢回升,随着湿热时间的增加,?2160h时,改性前体系的剪切强度降低31·3%,而改性后的体系强度降低8·0%,由此可以判断,?纳米级SiO2的加入对于在湿热老化条件下保持?体系的强度是非常有利的,纳米级SiO2改性的环?氧树脂结构胶能延缓老化速度,延长加固结构的?使用寿命.

3　结　论

(1)纳米级SiO2改性环氧树脂锚固专用胶?是一种高性能的结构胶粘剂,优化配制的新型胶?有效地改善了界面的粘结效应,可大幅度改善环?氧树脂胶粘剂的粘接性能.

(2)方差分析表明固化剂、增韧剂、纳米级?SiO2、填料五个因素对改性环氧树脂锚固专用胶?的粘结剪切强度影响是非常显著的,影响大小的?顺序为固化剂→偶联剂→增韧剂→纳米级SiO2→?填料.经五因素三水平正交试验设计优化和改性?处理后,其性能得到显著提高.

(3)纳米级SiO2改性环氧树脂锚固专用胶耐?介质性能良好,在介质中浸泡30min后的强度下?降率<20%,质量变化率<1%,满足建筑工程相?关技术标准的要求.

(4)在老化条件的影响下,改性后的固化试样?剪切强度值有所下降,但强度损失较为缓慢,纳米?级SiO2的加入对于保持体系的强度是非常有利?的,改性环氧树脂结构胶具有良好的耐久性.

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