无机锚固胶（共3篇）
无机锚固胶 篇1
现代建筑工程的绿色施工技术。是在建筑工程质量需求的基础上针对社会环保理念的进一步深化。后锚固植筋技术在新工程中的应用日趋广泛, 过去使用的有机质类锚固材料主要成分是有机环氧树脂类或氨基甲酸酯类物质, 可以起到较好的锚固作用, 但在应用中也存在较多不足, 例如, 有机锚固材料的有机化学胶管含有有毒物质, 施工时如操作不当可腐蚀工人的皮肤, 对身体造成伤害;有机锚固材料抗老化性能、耐久性差, 容易老化而失去粘结效力, 降低后植筋的强度。 另外, 这类材料本身不耐高温, 温度达到400℃左右时其粘结力就会大幅下降, 不利于火灾等突发事件中的结构安全, 此外, 这类材料本身具有毒性, 不是绿色环保产品, 不符合目前的国际发展趋势, 通过挥发会污染空气, 影响人的身体健康。
随着人民生活水平普遍提高, 人对生产、生活环境的质量也在不断提高, 有机胶锚固技术在施工中会产生的有毒物质的弊端越来越明显, 无机锚固材料作为新兴的一种锚固材料, 它早强、高强、且无毒的特性渐渐受到关注, 如何规范的应用到工程建设中实现环保施工、保证工程质量是目前探讨的问题。
1 无机胶后锚固的技术特点
1.1 稳定性高
以无机锚固材料为主要原料的无机胶后锚固技术具有较高的强度, 硬化时间适宜, 可以保证锚固材料与被锚固混凝土结构界面之间足够的粘结锚固强度, 达到稳定有效传递锚固应力的作用。 无机锚固材料的主要成份为无机胶凝材料, 硬化后具有稳定的矿物组成、较强的耐久性和一定的碱性, 可有效抵抗侵蚀介质的腐蚀作用。
1.2 整体性强
无机胶后锚固技术充分考虑了后植筋的整体性, 利用无机锚固材料与普通混凝土同属无机矿物胶凝材料的特点, 它的热膨胀系数、弹性模量等性质与混凝土基本一致, 在应力作用下的弹、塑性变形和随温、湿度变化引起的变形等性能与被锚固钢筋混凝土结构的性能基本一致, 有利于保持锚固硬化体与被锚固结构在应力作用下的整体性;无机锚固材料的热稳定性与混凝土相近, 体积稳定性好, 锚固硬化结构可不受焊接作业产生的高温影响, 对火灾的耐火极限与混凝土结构相近。
1.3 绿色环保
无机胶后锚固技术使用无机锚固材料进行锚固, 无机锚固材料由无机矿物微粉和无机固化剂水溶液双组分组成, 生产成本低, 无毒且无刺激性气味, 施工时不会对工人的身体造成伤害。
2 无机胶后锚固技术工作原理
无机胶后植筋锚固技术是利用无机锚固材料粘结性能, 通过改良的植筋施工技术将普通钢筋有效的锚固于混凝土内, 并达到设计要求的力学性能和耐久性。
无机胶后植筋锚固技术中胶体与混凝土之间的粘结主要由以下三方面组成: (1) 胶层与混凝土之间的摩擦力; (2) 胶与混凝土之间的粘着作用; (3) 胶与混凝土之间的锁键作用。由于混凝土材料是一种多相材料, 其中存在着大量的毛细孔及微裂缝。这样, 液态的粘着胶体就会流到混凝土中的微裂缝和毛细孔中, 胶体硬化之后, 不单产生摩擦力, 还会形成比较明显的锁键效果。
钢筋与胶体之间的粘结主要由以下三方面组成: (1) 胶层与钢筋之间的摩擦力; (2) 胶与钢筋之间的粘着作用; (3) 钢筋与胶层之间产生的机械咬合作用。 由于钢筋表面的粗糙不平及钢筋肋的存在, 在受力的过程中钢筋肋和固化后胶体之间因相互挤压, 就会产生很大的机械咬合力。
无机胶后锚固技术就是利用无机胶与混凝土、 钢筋的粘着作用、摩擦力、锁键作用以及机械咬合力, 从而达到钢筋有效锚固的目的。
3 现场施工工艺
3.1 钻孔
钻孔时首先根据植筋的设计位置, 用红色油漆在需要植筋的位置上标记出点位, 对既有结构的钢筋布置情况进行调查, 用仪器探明位置钻孔时不得损伤原结构钢筋, 确保正确后用电锤钻孔至锚固深度。
3.2 清孔
钻孔结束后, 用专门的气筒和钢丝刷清除孔内的混凝土碎屑, 用空压机将粉末吹出, 检查孔壁的完整性, 不应有裂纹和损伤。
3.3 冲孔
清除混凝土碎屑后, 用水冲洗锚孔, 将残留的粉尘冲洗干净, 露出混凝土内壁, 再用空压机将残留的水吹出, 使孔壁保持潮湿且孔内无积水。
3.4 钢筋备料
钢筋采用工厂集中加工, 按照图纸配好下料单, 送加工场地集中加工和保护, 避免对施工现场污染和防止钢筋锈蚀。
3.5 配置锚固胶
采用散装粉料式无机胶, 应按随货提供的产品说明书上的推荐用水量加入水并搅拌均匀。 用手提式电动搅拌机进行搅拌, 搅拌时间宜为1min~2min。
3.6 注胶
利用无机胶流动性好的特点, 利用无机胶自重自由流至孔的最深处。 仅靠无机胶的自重不能满足施工要求时, 采用高位料斗提高无机胶的位能差, 使无机胶自由流至孔的最深处。 注胶量一般为锚孔深度的1/2~2/3。
3.7 植筋
无机胶注入孔内后, 应及时将锚筋边旋转边插入孔内, 使无机胶自孔底向孔口填充均匀密实, 并充分排出孔内空气, 直至锚筋达到锚固深度并出现锚固浆溢出孔口为止。 钢筋插入锚孔后, 立即校正钢筋方向。 校正时应缓慢, 使植入钢筋与孔壁的间隙均匀, 以保证锚固效果。
3.8 养护
后锚固完毕后3h内应对无机胶加以覆盖并保湿养护, 保湿时间不少于24h, 施工后24h禁止任何扰动, 以保证锚固料的锚固性能正常工作, 72h内不得承受外部荷载作用。
3.9 检验
72h后对已植的钢筋进行拉拔试验, 检验时以同一规格型号、基本相同的施工条件和受力状态的锚筋为同一检验批。检验数量为同一检验批数量的3%, 且不少于5 根进行随机抽样。
4 无机胶后锚固技术要领
4.1 锚筋进场时应有质量合格证书, 并应按现行国家标准 《钢筋混凝土用钢》GB 1499、《钢筋混凝土用余热处理钢筋》GB 13014 等的相应规定抽取试件做力学性能检验, 其质量应符合上述标准的规定。
4.2 无机胶存放期间不得受潮, 不得有结块。 当在使用中对无机胶质量有怀疑或无机胶出厂超过两个月时, 应对其外观质量、初凝时间、氯离子含量、1d抗压强度进行复验, 并按复验结果使用。
4.3 锚筋应平直、 无损伤, 表面不得有裂纹、 油污、 颗粒状或片状老锈。 锚筋锚固段应除去浮锈, 宜根据锚固深度做出临时标记。
4.4 拌制无机胶的水质应符合国家现行标准 《混凝土拌合用水标准 》JGJ 63 的规定。
4.5 后锚固完毕后3h内应对无机胶加以覆盖并保湿养护, 保湿时间不少于24h。 外露无机胶表面不应有龟裂或分层裂缝。 冬季施工时, 应考虑相应措施。
4.6 对锚筋成品应进行保护, 24h内不得对其进行碰撞, 72h内不得承受外部荷载作用。
4.7锚筋可采用焊接方式连接, 焊接时无机胶的龄期不得少于72h。
5 效益分析
5.1 经济效益
无机胶后锚固植筋技术是一种更加先进可靠的施工技术, 提高了后植筋结构的稳定性和耐久性, 与现行的有机胶锚固植筋技术相比, 无机锚固材料价格低, 当前1kg有机锚固材料将近50元左右, 而等量无机锚固材料20元左右, 整个工程耗用锚固材料约11t, 因此大大节约了材料成本;另外, 无机锚固材料固化快, 强度高, 只需要3天即可达到设计强度, 而与之相对的有机锚固材料固化时间长需要7天达到设计强度, 因此, 采用无机胶后锚固技术可大大缩短工期, 减少周转工具、机械的租赁费用;此外, 有机胶锚固技术施工工艺复杂, 对施工环境要求高, 必须无水环境方可施工, 而且锚固胶拌合时较复杂, 且易因拌合不均匀而降低粘结力, 而无机胶后锚固技术对施工环境的要求低, 在湿润的时候即可施工, 而且散装无机胶流动性好, 利用高位漏斗产生的压力即可实现无机胶注入, 锚固包式的锚固胶不须拌合只须浸泡1min~2min塞入锚孔便可完成, 更为简便, 因此无机胶后锚固施工技术大大降低了施工难度且保证了施工质量。
5.2 环保效益
与现行的有机胶锚固技术相比, 采用无机胶后锚固避免了使用有毒的有机粘结剂, 适用绿色环保材料符合国际发展趋势, 同时避免了有机材料施工时可能对皮肤造成的伤害, 避免了散发气味和毒素对空气的污染和对人体的毒害作用, 另外无机材料拌合简单, 降低了施工时的局限性, 避免了间接污染和材料浪费。此外, 无机材料具有较好的耐久性和耐高温的特性, 这对建筑物的耐久性和对火灾等突发事件的应对能力均有极大的良性作用。
无机锚固胶 篇2
关键词：碳纤维布,钢筋混凝土梁,无机胶,加固,附加锚固措施
碳纤维布加固钢筋混凝土结构常出现因碳纤维布从混凝土结构上剥离而破坏,致使碳纤维材料的优良性能没有得以充分发挥,严重影响了加固效果。国内外许多研究人员[1,2,3,4,5,6]对碳纤维粘结破坏的机理进行了研究,取得了一定的进展。研究合理的锚固措施,以防止结构发生早期粘结破坏,提高碳纤维布的利用效率和加固效果,是当前碳纤维加固钢筋混凝土构件所面临的一个重要课题。本文通过两根用无机胶粘贴碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的试验,一根梁没采用U形箍作为附加锚固措施,另一根梁采用U形箍作为附加锚固措施,通过两根梁的对比来考察附加锚固措施的影响。
1 试验设计
1.1 试验材料
试验用混凝土为C30商品混凝土。试验加固用的碳纤维为日本东丽公司生产的T700SC(UT70-20)型碳纤维布。试验用无机胶为氯氧镁水泥(MOC水泥)。
1.2 试件制作
试验采用矩形梁,横截面尺寸为b×h=150 mm×300 mm,梁长3 200 mm,计算跨径3 000 mm。试验梁纵向受力钢筋为2ϕ12的HRB335级钢筋。试验梁配筋见图1。抗弯试验梁见表1。
对于加固梁,碳纤维片材的粘贴位置为梁底净跨段,长度3 000 mm,宽度150 mm。为避免试验梁出现CFS早期剥离,对试验梁B2采用CFS封闭U形箍进行锚固,具体见图2。
1.3 试验装置及方法
试验采用机械螺旋千斤顶加载,加载方式为两点对称加载。加载示意图见图3。
2 本次试验中对U形箍锚固研究的成果
B1梁和B2梁的破坏形态见图4,图5。由于梁底碳纤维布延伸到了支座,另外试验梁在剪弯段配置了较多的箍筋,两试验梁均未发生端部剥离破坏,只是B1梁在钢筋屈服后很快破坏,而且破坏较为突然;与B1梁相比,B2梁的极限荷载稍有提高,跨中挠度稍有下降,这可能是由于附加锚固措施限制了梁底粘结裂缝的发展,从而提高了梁的承载力和刚度。且B2梁破坏时裂缝数目更多,碳纤维逐条被拉断,比B1梁表现出更好的延性破坏的特征。可见,采用U形箍作为附加锚固措施,对防止碳纤维出现端部剥离、提高承载力、提高延性等方面都起到了积极的作用;对于配箍率较低的梁其作用将更加明显。因此,粘贴碳纤维布加固时采用U形箍作为附加锚固措施是十分必要的。
3 目前U形箍锚固试验及理论研究的主要成果
碳纤维U形箍锚固具有方便、易施工、不损伤加固纤维等优点,是比较理想的锚固措施,有必要对其进行深入研究。
1)叶列平、方团卿、杨勇新等[8]通过14根梁的试验,研究了U形箍的抗剥离机理和设置位置、U形箍量和形式等参数对梁底碳纤维布抗剥离性能的影响,并根据试验研究结果给出了设置U形箍的有关建议。他们试验研究的主要结论和建议如下:U形箍应在粘结延伸长度范围均匀设置,U形箍净间距不大于梁高的1/4,高度不小于梁高的1/2,每道U形箍量不小于梁底CFRP加固量的1/2。
在他们的试验中,大多梁的剪弯段出现斜裂缝,并因斜裂缝的发展导致梁底CFRP布的剥离。对于剪弯段受剪承载力足够、剪弯段斜裂缝发展不显著的情况,有待今后进一步研究。
2)于天来[9]通过5根梁的试验对碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行了U形箍锚固试验研究,根据试验研究结果,提出了用碳纤维进行受弯加固时设置U形箍的建议:5 cm宽U形箍的锚固效果不理想,随着U形箍宽度增大和间距减小,锚固效果增强。根据试验结果,U形箍宽度最好在10 cm以上;在试验中,破坏多发生在加载点附近(剪力和弯矩较大区域),因此在剪力和弯矩较大区域设置U形箍是十分必要的。
以上研究都是针对有机胶粘贴碳纤维布的附加锚固措施的研究,这些研究为进一步完善U形箍锚固措施提供了重要的试验和理论依据。
4防止界面剥离破坏的构造措施
《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》[7]中第4.3.8条和第4.3.9条规定了防止碳纤维剥离的构造措施。但这些锚固措施除粘结锚固长度有明确计算外,其余仅是一些构造性规定和建议。
5无机胶粘贴碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁附加锚固措施的建议
1)对梁、板正弯矩区进行受弯加固时,碳纤维片材宜延伸至支座边缘。在集中荷载作用点两侧宜设置构造的碳纤维片材U形箍或横向压条。针对本次试验中的试验梁,由于试验梁多在靠近加载点处最先发生破坏,建议在靠近加载点处纯弯段内设置两附加U形箍;2)在剪力和弯矩较大处及有突变处设置U形箍;3)U形箍应在粘结延伸长度范围均匀设置,U形箍净间距不大于梁高的1/4,高度不小于梁高的1/2,每道U形箍量不小于梁底CFRP加固量的1/2;4)U形箍宽度最好在10 cm以上。
参考文献
[1]叶列平,方团卿,杨勇新.碳纤维布在混凝土梁受弯构件加固中抗剥离性能的试验研究[J].建筑结构,2003,33(2):61-65.
[2]杨勇新,岳清瑞.碳纤维与混凝土粘结性能的试验研究[J].建筑结构学报,2001,22(3):36-41.
[3]欧阳煜,钱在兹.粘贴片材加固混凝土梁的端部剥离应力分析[J].建筑结构,2000,30(8):51-53.
[4]ZhiShen Wu,Jun Yin.Fracturing Behaviours of FRP-Strength-ened Concrete Structures[J].Engineering Fracture Mechanics,2003(9):1339-1355.
[5]J.G.Teng,S.T.Smith.Intermediate crack-induced debondingin RC Beams and Slabs[J].Construction and Building Materi-als,2003(17):447-462.
[6]阵瑜,关建光,徐福泉.碳纤维布加固混凝土构件的粘贴构造与锚固技术[J].建筑科学,2000,16(6):34-37.
[7]CECS 146∶2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].
[8]叶列平,方团卿,杨勇新,等.CFRP布在混凝土梁受弯加固中抗剥离性能的试验研究[A].高性能纤维增强复合材料在土木工程中应用的基础研究论文集[C].2007:337-349.
无机锚固胶 篇3
关键词：环氧锚固胶,芳香胺固化剂,聚酰胺固化剂,耐腐蚀性,耐老化性,热稳定性
0前言
锚固胶俗称植筋胶,在建筑行业中主要用来增强混凝土与钢筋的连接。钢筋混凝土结构在我国工业与民用建筑中占有极其重要的地位和相当大的数量,随着我国经济建设及产业结构的发展,近年来锚固胶得到了迅速的发展与广泛的应用[1]。迄今,锚固胶的研究主要集中在不饱和聚酯、聚氨酯、丙烯酸酯和环氧树脂等4类树脂中。其中,不饱和聚酯类反应活性大、固化时间短,但含有苯乙烯稀释剂毒性较大[2];丙烯酸树脂型锚固胶一般可以做到快速凝胶,短时间内达到最大强度,但是其抗拉拔强度较低,不能满足锚固抗拉拔条件[3];聚氨酯树脂类的锚固胶耐湿热性较好,但是室温固化需要的凝胶时间较长,一般要2~3 h,并且抗拉拔强度较差[4];比较而言,环氧树脂胶粘剂具有固化时间短、力学强度高、收缩率低、耐化学介质、固化物无毒不污染环境等优点[5,6]。
目前,国内外环氧锚固胶发展迅速,已有较多市售的环氧锚固胶产品[7,8,9,10]。现在研究多集中在耐高温、耐湿热老化、耐低温、阻燃等领域[11,12,13,14,15]。相对于国外产品,国内生产的环氧锚固胶的主要性能差了一些,例如力学性能不够,粘接强度满足不了建筑行业的要求。市场上销售的慧鱼、喜利得等国外品牌,性能较好,但价格较高,仍然垄断着国内市场。因此,开发高性能、低成本的环氧锚固胶具有重要的意义。本文采用双酚A型环氧树脂、改性芳香胺固化剂A和自制改性聚酰胺固化剂B、聚丙二醇二缩水甘油醚活性稀释剂、无机填料、触变剂气相二氧化硅以及其它助剂,制备了高性能、低成本的环氧锚固胶,具有良好的力学性能、耐高温、耐腐蚀、耐老化性能。目前,该产品已进行批量生产,在实际工程中得到应用,效果良好。
1 试验
1.1 试验原料
环氧树脂(EP):E-44、E-51,工业级,广州维立纳化工有限公司;改性芳香胺固化剂A:工业级,济南中维化工有限公司;改性聚酰胺固化剂B:自制;聚丙二醇二缩水甘油醚:工业级,广州一夫化工物资有限公司;石英砂:300目;石英粉:5000目,云母粉:300目,高岭土:300目,均为工业级,广州荣粤化工原料有限公司;硅烷偶联剂:KH-550;促进剂:DMP-30,工业级,广州井冈化工有限公司;海螺牌硅酸盐水泥:海南海誉达实业有限公司;触变剂:气相二氧化硅,工业级,广州拓亿有限公司;二聚酸、混合脂肪胺、甲苯:AR,阿拉丁试剂。
1.2 试验仪器设备
永磁直流电动机ZD-90W,北京京伟电器有限公司;智能化电子万能试验机,深圳市瑞格尔仪器有限公司;电动液压千斤顶,上海业泰电气有限公司;NDJ-5S数字式黏度计,上海安德仪器设备有限公司;TM50Cr D型胶体磨,上海越磁电子科技有限公司;DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱,巩义市予华仪器有限公司;Bruker FT-VERTEX 70型红外光谱仪;Pyris6型TGA热重分析仪,日本岛津公司;紫外线老化试验箱,北京恒泰丰科试验设备有限公司;Q2000DSC,美国TA公司。
1.3 改性聚酰胺固化剂B的制备方法
称取一定量的二聚酸放入装有搅拌桨、回流装置、除水器、温度计的四口瓶中,再加入适量甲苯溶剂,搅拌加热。温度升至55℃时,把一定量的混合脂肪胺和10 ml甲苯通过恒压滴液漏斗缓慢滴加,通氮气保护。滴加完毕后,再反应1.5 h,然后升温至140℃继续反应,除水器中无水出现时,停止反应,减压蒸馏除去甲苯和副产物,即得到低分子质量聚酰胺固化剂。
1.4 植筋胶的制备
甲组份的制备:将双酚A环氧树脂E-44、双酚A环氧树脂E-51、稀释剂、无机填料、偶联剂KH-550按一定比例混合后搅拌均匀,然后加入适量触变剂,搅拌均匀后,用胶体磨研磨均匀即可。
乙组份的制备:将促进剂DMP-30、固化剂、无机填料、偶联剂KH-550等按一定比例混合搅拌均匀,然后加入适量触变剂,搅拌均匀后,用胶体磨研磨均匀即可。
使用时按照m(甲组份)∶m(乙组份)=3∶1比例,混合均匀固化即可。
1.5 性能测试与表征
弯曲强度、拉伸强度:试件室温固化2 d后,按照GB/T2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》进行测试,实验机拉伸速率为10 mm/min。
压缩强度:试件室温固化2 d后,按照GB/T 2567—2008进行测试,实验机拉伸速率为5 mm/min。
剪切粘接强度:试件室温固化2 d后,按照GB/T 7124—2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》进行测试,粘接45#钢片材料,试验机拉伸速率5 mm/min。
拉拔试验:按照GB 50367—2006《混凝土结构加固设计规范》,在C30的混凝土上钻Φ25 mm、深150 mm的孔,注入锚固胶,植入Φ22 mm的螺旋道钉,固化5 d后,可采用拉力计(千斤顶)对所植钢筋进行拉拔试验加载方式。
凝胶时间和固化时间:按照GB/T 7193.6—1987《不饱和聚酯树脂25℃凝胶时间测定方法》进行测试。
紫外老化试验:采用紫外线老化试验箱,UV波长320~400 nm,辐照强度为3 W/m2,连续照射粘接钢板试样7 d,测试其粘接强度变化。
冻融试验:在-18℃下冷冻8 h,然后在60℃下加热8 h,为一个循环,10个循环后测试剪切粘接强度。
耐腐蚀试验:固化后的锚固胶分别用10%Na Cl、25%H2SO4、25%Na OH浸泡7 d后,观察变化。
扫描电镜观察锚固胶断裂截面:采用Hitachi,S-4800扫描电镜(SEM)进行观察。
热重分析:采用Pyris6型TGA热重分析仪进行样品扫描,升温速率10℃/min,测试温度30~800℃。
DSC测试:采用Perkin-Elmer Diamond DSC,USA,进行测试,升温速率10℃/min,氮气氛围,测试温度0~250℃。
2 结果与讨论
2.1 树脂及其配比对植筋胶强度的影响
双酚A型环氧树脂最早商品化,产量也最大,综合性能好,占环氧树脂总产量的90%,也是环氧胶粘剂中应用最普遍、工艺最成熟的一种环氧树脂[16]。其中,环氧树脂E-44与环氧树脂E-51比较常用,价格较低,原料易得。环氧树脂E-44的黏度大于环氧树脂E-51,分子链较长、环氧值较低、韧性较大,与E-51配合使用可以改善环氧树脂固化物的脆性。因此,采用环氧树脂E-44与E-51配合使用,它们复配后的黏度见表1。
为了选择树脂E-44与E-51的最佳复配比,将固化剂A与自制固化剂B的比例固定为1∶1,改变树脂E-44与E-51的复配比,制样固化后分别测试了弯曲强度、抗压强度和剪切强度,结果如图1所示。
从图1可以看出,混合树脂中,随着E-51比例的增大,锚固胶的弯曲强度、抗压强度和剪切强度均先提高后降低。这是因为随着E-51比例的提高,混合树脂黏度下降,流动性提高,从而与胺类固化物、填料等的浸润性、渗透性提高了,使得固化反应进行得更加彻底。但是,当树脂E-51加入量超过40%时,抗压强度明显下降;超过50%时,弯曲强度和剪切强度均明显下降。这主要是因为环氧树脂E-44的含量减少导致了固化物的韧性明显下降。因为环氧树脂E-44的分子链较长,链段运动较慢,可以增加环氧树脂固化物的韧性[16]。综合考虑,选择m(E-44)∶m(E-51)=60∶40作为最佳配比,这时混合树脂的黏度和固化后的锚固胶力学性能最佳。
2.2 固化剂对锚固胶性能的影响
固化剂的选择将对锚固胶的性能起到关键的作用。锚固胶主要在建筑行业中使用,需要在室温下固化,固化后抗拉拔强度高,而且要适用于湿热环境。室温固化的固化剂种类主要有改性脂肪胺、低分子聚酰胺、改性多元胺、聚硫醇、改性芳香胺和酚醛胺等,其中能满足高力学强度的固化剂主要有改性芳香胺、聚硫醇、酚醛胺、聚酰胺等。这几种固化剂均可室温固化,并且所得固化物的刚性强度大,耐热性好,耐腐蚀性好以及抗紫外老化性好。改性芳香胺导致固化物刚性较大,聚酰胺可以改善固化物韧性[17]。本研究选择改性芳香胺A和自制聚酰胺B复配使用,混合树脂比例为m(E-44)∶m(E-51)=60∶40。不同固化剂复配比例对锚固胶性能的影响见图2。
从图2可以看出,改性芳香胺固化剂A与自制改性聚酰胺固化剂B复配使用后,随着后者比例的增大,固化物的弯曲强度和剪切强度都明显提高,尤其是弯曲强度。改性聚酰胺含量由0增加到30%时,弯曲强度提高了101%。因为改性芳香胺能使固化物刚性增大,但随着改性聚酰胺含量的增加,固化物的韧性得到提高,所以弯曲强度、剪切强度均提高。当聚酰胺加入量由30%增加到70%,剪切粘接强度及弯曲强度均达到最大值,随后发生下降。这是因为聚酰胺过量时,韧性较大。综合考虑,选择m(固化剂A)∶m(固化剂B)=30∶70为最佳比例,此时固化物的剪切和弯曲性能最好。
2.3 填料对锚固胶性能的影响
加入填料的目的主要是提高力学性能、抗紫外老化性能、耐湿热性能以及降低成本等。综合考虑各种性能的补偿,选择了耐化学品、耐紫外较好的云母、高岭土,以及耐热性好的石英粉、硅酸盐水泥进行对比试验。
2.3.1 填料种类的影响
为了考察各种填料对锚固胶力学性能的影响程度,在锚固胶中加入适量不同复配的石英粉、石英砂、高岭土、云母和硅酸盐水泥,无机填料总量占甲组份的50%。锚固胶固化后进行力学性能测试,结果如表2所示。
由表2可见,当石英粉、石英砂与高岭土配合使用对提高锚固胶的力学性能最好。填料粒度大会导致黏度下降,放置时会出现沉降问题。因此,将细填料和粗填料组合在一起使用,可以控制黏度,解决沉降问题。
2.3.2 填料用量的影响(见图3)
由图3可见,环氧锚固胶的剪切强度随着无机填料用量的增大先增加后下降。当锚固胶甲组份中填料占40%时,剪切强度达到最大值26.07 MPa,其中m(石英粉)∶m(石英砂)∶m(高岭土)=2∶1∶1。在此合适的填料与配比下,将其应用于混凝土植筋测试中,结果显示拉拔力高达68.5 k N。这是因为含有适量的无机填料可以均匀地分散在胶层中,作为强化相可均匀地承受外加载荷,从而提高胶层内部滑移摩擦力,但过多的填料分散不均匀,容易导致粘接强度降低,进而拉伸强度也下降[16]。
为了进一步考察填料粒径与锚固胶剪切强度的关系。利用SEM分别扫描测试了添加石英粉和石英砂的锚固胶的断裂截面(100 g甲组份中,添加40 g无机填料),结果见图4。
由图4可见,在相同固化条件下,随着无机填料粒径的增大,锚固胶中产生的气泡较大,导致剪切强度下降。
2.4 其它助剂的对锚固胶性能的影响
为了进一步改善锚固胶的综合性能,在配方中还需要加入助剂,如促进剂、稀释剂、偶联剂、触变剂、增韧剂等,助剂的添加对于胶黏剂的性能有显著的影响[18,19,20,21]。
促进剂用量对环氧锚固胶的剪切性能有一定影响。本实验采用的促进剂为2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP-30),属于叔胺类促进剂。它能有效地降低固化时间、降低固化温度,适量的加入对固化过程起到明显的加速作用,并且可以提高固化反应程度,进而改善固化物的剪切强度、耐热、耐潮湿性能。
对于环氧组分,因为环氧树脂黏度较大,再加入的其它填料很难分散均匀,浸润性差,进而导致固化物的力学性能降低。通常要加入稀释剂来解决这个问题。在本实验中,采用活性稀释剂聚丙二醇二缩水甘油醚,它不但对树脂进行了稀释,提高对无机填料的浸润性,而且可以与固化剂产生交联,提高了固化物的耐热性、耐腐蚀性以及韧性。
为了提高填料的增强改性效果,通常采用偶联剂对其表面进行处理。本配方采用硅烷偶联剂γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)。主要通过将无机填料与环氧树脂、稀释剂混合均匀后,加入偶联剂,物理共混搅拌均匀。偶联剂会与无机填料以及环氧树脂间发生反应,起到“桥梁”的作用,有效地加强了固化物的粘结力[22]。
由于锚固胶中加入较多的无机填料,长时间的存储易于沉淀、分相,而且环氧树脂易于流动,固化剂黏度也较低,同样存在易流动,不适于施工。因此,在配方中采用具有增稠效果的触变剂气相二氧化硅。触变剂的存在使得胶黏剂的流动性下降,不易滴落,易于施工和方便应用[22]。
综上,得出了较合理的环氧锚固胶的配方(见表3)。
2.5 锚固胶的性能测试
2.5.1 锚固胶的耐腐蚀性、耐老化性及耐冻融性
环氧锚固胶若长期暴露于自然环境中,会受到酸雨或其它化学品的腐蚀,以及紫外照射,四季温度变化等的影响。锚固胶样品在各种酸碱环境中的耐腐蚀性能、抗紫外性能及耐冻融性能如表4所示。
由表4可见,在盐水以及碱性环境下浸泡7 d,外观没有变化;在酸性环境下浸泡7 d,锚固胶有部分脱色,酸溶液溶解了部分小分子胺。紫外光照射7 d后,锚固胶的拉伸剪切强度仍能保持81.8%;冻融循环10次后剪切强度能保持88.5%,表明该锚固胶具有良好的耐腐蚀、抗紫外老化和耐冻融性能。
2.5.2 锚固胶的热稳定性
锚固胶的热稳定性通过DSC和热重分析(TGA)来测试,结果见图5、图6。
由图5可以看出:(1)固化后环氧锚固胶的玻璃化转变温度Tg为85℃左右。在温度低于Tg时,锚固胶处于玻璃态,温度高于Tg时,锚固胶处于高弹态。(2)在125℃左右,有吸热峰存在,对比TGA结果可知,小分子物质在此刻开始挥发,在175℃时放热明显,出现波峰,随后,小分子自由水结合水等挥发严重,固化物形态发生变化,稳定性下降。
由图6可以看出,锚固胶有3个失重区:175℃以前为第1失重区,原因是锚固胶中的自由水和结合水、低分子物的挥发与分解;175~370℃为第2失重区,原因是过量的固化剂、活性稀释剂在这个温度区间发生挥发分解;370~550℃为第3失重区,环氧锚固胶固化物开始分解。550℃以后锚固胶基本完全分解,剩余的质量多为无机填料。在370℃之前,热稳定性较好,质量保留率为87.5%以上。
2.6 锚固胶的基本性能及与市售产品的对比
为了更加直观与市售产品(主要是康驰、慧鱼、喜利得等品牌产品)进行对比,在相同条件下测试了环氧锚固胶室温固化的凝胶时间、室温固化48 h后的主要力学性能(拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和45#钢片剪切强度),结果如表5所示。
由表5可以看出,自制锚固胶的各项力学性能优良,主要力学性能符合GB 50728—2011《工程结构加固材料应用安全性鉴定规范》中建筑用锚固胶的Ⅰ类胶A级性能要求。同时,自制锚固胶的成本明显低于上述市售产品。
3 结语
考察了环氧树脂、无机填料以及固化剂的选择与复配对锚固胶性能的影响,并分析测试了锚固胶的耐腐蚀性、耐老化性、耐冻融性及热稳定性。
(1)通过环氧树脂E-51和E-44共混复配提高锚固胶的力学性能,通过抗压、剪切、弯曲强度测试表明,其最佳配比为m(E-44)∶m(E-51)=60∶40。
(2)固化剂采用改性芳香胺和自制聚酰胺,改性芳香胺固化物刚性较大,聚酰胺固化剂可以改善固化物韧性。选择改性芳香胺A、自制聚酰胺B复配使用,当m(固化剂A)∶m(固化剂B)=30∶70,锚固胶的剪切和弯曲性能最佳。
(3)通过力学性能测试,得到了性能优良的锚固胶配方:甲组份为:m(E-44)∶m(E-51)∶m(稀释剂)∶m(无机填料)∶m(偶联剂)∶m(触变剂)=30∶20∶5∶40∶1∶4;乙组份为:m(促进剂)∶m(固化剂A)∶m(固化剂B)∶m(无机填料)∶m(偶联剂)∶m(触变剂)=4∶22.5∶52.5∶12∶0.5∶8.5。使用时,按m(甲组份)∶m(乙组份)=3∶1,锚固胶固化后的综合性能最佳。
(4)经测试,该锚固胶的拉伸强度为43.8 MPa、压缩强度为103.5 MPa、弯曲强度为105.5 MPa、剪切强度为26.6 MPa,主要力学性能符合工程加固材料安全应用标准。