陳曉龍，朱華

（蘇州市姑蘇新型建材有限公司，江蘇省高性能建筑材料工程技術研究中心，江蘇 蘇州 215132）

一種新型化學錨栓用膠粘劑的制備與性能研究

陳曉龍，朱華

（蘇州市姑蘇新型建材有限公司，江蘇省高性能建筑材料工程技術研究中心，江蘇 蘇州 215132）

研究不同種類的稀釋劑、固化劑在不同用量下對化學錨栓用膠粘劑抗壓強度、拉拔強度、固化時間等性能的影響，通過使用1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、甲基戊二胺和環(huán)烷酸銅等原料，制備出一種能低溫固化的高強度化學錨栓用膠粘劑，此類膠粘劑主要用于化學錨栓錨固工程中。

化學錨栓；錨固；膠粘劑；甲基戊二胺

0 前言

近年來，后錨固技術作為一種施工簡便、效果可靠的新型施工技術，在加固、改建、裝修等建筑領域得到了大量運用[1]。后錨固技術目前有2種基本方案：機械膨脹（如膨脹螺釘）和化學錨固。前者錨固強度一般較低，且對基體產(chǎn)生應力不能作為結構性永久定位，但價格低，可用于臨時性和低強度的固定；化學錨固是通過化學交聯(lián)固化，使得錨桿和基體相粘接，從而達到錨固的目的，這種方法也被稱為“整體錨固法”，俗稱“化學錨栓”，一般應用在結構永久性固定定位。

化學錨固技術的廣泛應用得益于德國的喜利得和慧魚2家公司，把國外的一些先進的理念帶入中國了，并在市場的前期作了大量的推廣工作[2]?；瘜W錨栓是靠錨桿與混凝土之間的握裹力和機械咬合力共同作用來抗拔和螺栓本身來抗剪。目前，市場上的化學螺栓大部分應用玻璃管式的藥劑管，其中藥劑管中裝有化學錨固用膠粘劑。但市場上化學錨固用膠粘劑的質(zhì)量參差不齊，基本都是用價格低廉的不飽和聚酯樹脂和苯乙烯配制而成，但在國家的相關規(guī)范中不飽和聚酯樹脂禁止用于結構性粘結，只能用于非結構的臨時定位，所以使用此類化學錨固用膠粘劑將直接影響化學錨栓及錨固的性能。本文研制了一種新型軟包裝化學錨栓，內(nèi)部膠粘劑由反應型樹脂（環(huán)氧甲基丙烯酸類）、反應型稀釋劑（環(huán)氧基類、甲基丙烯酸甲酯類）、過渡金屬促進劑、過氧化物、脂肪胺、抑制劑、填料、觸變劑等助劑配制而成，不含不飽和聚酯樹脂和苯乙烯，性能符合GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規(guī)范》中錨固型快固結構膠的標準要求。

1 實驗

1.1 主要原料

環(huán)氧丙烯酸樹脂，ARZ-2000，工業(yè)級，無錫阿爾茲化工有限公司；稀釋劑：1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA），工業(yè)級，煙臺厚德功能高分子材料有限公司；甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA），工業(yè)級，江西瑞祥化工有限公司；芐基縮水甘油醚（692），工業(yè)級，安徽新遠化工；固化劑：甲基戊二胺，Dytek A，工業(yè)級，翁開爾有限公司；引發(fā)劑：過氧化苯甲酸叔丁酯，工業(yè)級，山東鄒平恒泰化工有限公司；促進劑：環(huán)烷酸銅，工業(yè)級，山東豪輝新材料有限公司；觸變劑：氣相二氧化硅，工業(yè)級；填料：400目硅微粉、800目高嶺土、1250目超細硅酸鋁、7號石英砂。

1.2 主要儀器設備

JB90-D型強力電動攪拌機，上海標本模型廠；HZFA1000型電子天平，福州華志科學儀器有限公司；YA-3000型液壓式萬能試驗機，上海申克試驗機有限公司。

1.3 化學錨栓膠粘劑的配制

甲組分的制備：將30份環(huán)氧丙烯酸樹脂、2.0～4.0份稀釋劑、3.0份過氧化苯甲酸叔丁酯、30份填料和0.5份觸變劑按比例混合攪拌均勻，出料即可。

乙組分的制備：將8.0～17.0份甲基戊二胺、0.5～1.0份環(huán)烷酸銅、10～20份1.4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、25份填料、1.5份觸變劑按比例混合攪拌均，出料即可。

使用時按照m（甲組分）∶m（乙組分）=5∶1混合均勻即可，測試拉拔強度時，將甲組分裝入塑料軟包裝，乙組分裝入細塑料軟包裝中，封裝待用。

1.4 性能測試方法

（1）抗壓強度：按照GB/T 2567—2008《樹脂澆筑體性能試驗方法》進行測試，試件成型和養(yǎng)護均在（23±2）℃的環(huán)境中進行，養(yǎng)護7 d，進行強度測試。

（2）拉拔強度：按照GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規(guī)范》成型試件，試件成型和養(yǎng)護溫度由試驗要求確定，按要求養(yǎng)護時間，進行強度測試。

2 結果與討論

為了提高化學錨栓專用膠粘劑的性能，使用環(huán)氧基-胺和碳碳雙鍵-引發(fā)的雙官能團反應體系，即環(huán)氧丙烯酸樹脂（ARZ-2000），其中丙烯酸官能團能進行自由基共聚反應，另外的1個環(huán)氧基官能團與胺進行開環(huán)聚合反應。由于環(huán)氧丙烯酸樹脂自身黏度很大，需要活性稀釋劑對其進行降黏，針對環(huán)氧丙烯酸樹脂，目前可用的稀釋劑主要有2大類：第一類為環(huán)氧類活性稀釋劑，如正丁基縮水甘油醚、芐基縮水甘油醚、乙二醇二縮水甘油醚等；第二類為丙烯酸類活性稀釋劑，如乙二醇二甲基丙烯酸酯、1，4丁二醇二甲基丙烯酸酯等。

2.1 活性稀釋劑對化學錨栓膠性能的影響

選用丙烯酸類1.4-丁二醇二甲基丙烯酸酯為稀釋劑，此類含有烯鍵的稀釋劑主要是參與環(huán)氧乙烯基樹脂中乙烯基引發(fā)反應，不會與環(huán)氧基團反應。另一類活性稀釋劑能與胺反應，選用芐基縮水甘油醚（692）作為胺類反應稀釋劑，這種活性稀釋劑能有效降低體系黏度，活性稀釋劑的基團能與環(huán)氧基團反應。研究1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA）和芐基縮水甘油醚用量（相對于環(huán)氧丙烯酸樹脂用量）對體系抗壓強度的影響，BDDMA和芐基縮水甘油醚單獨使用，試驗結果見圖1和圖2。

圖1 BDDMA用量對體系抗壓強度的影響

圖2 芐基縮水甘油醚用量對體系抗壓強度的影響

從圖1可見，隨著BDDMA用量的增加，體系的抗壓強度不斷增大，當BDDMA用量為乙烯基樹脂用量的10%，體系的抗壓強度達到最大值；繼續(xù)增加BDDMA的用量，體系的抗壓強度開始不斷下降。從圖2可見，隨著芐基縮水甘油醚用量的增加，體系的強度一直下降。由于配方中含有自由基反應和胺類環(huán)氧反應，單用BDDMA稀釋環(huán)氧丙烯酸基樹脂，體系以自由基反應為主，反應速度很快，強度也很高。但單用芐基縮水甘油醚稀釋環(huán)氧丙烯酸基樹脂，體系中的胺類環(huán)氧反應增加，減少了甲基戊二胺在體系中的含量，引發(fā)-促進體系產(chǎn)生自由基能力不足，整個體系隨著芐基縮水甘油醚稀釋增加，反應變緩，強度不斷降低。所以BDDMA和芐基縮水甘油醚都能有效降低環(huán)氧丙烯酸基樹脂的黏度。

但從圖1和圖2可以看出，芐基縮水甘油醚不適用于此配方體系，因此只選用1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA）為稀釋劑，推薦用量為環(huán)氧丙烯酸樹脂的10%。

2.2 固化劑對化學錨栓膠性能的影響

上述反應型樹脂只有在適當固化劑條件下固化后，樹脂膠聯(lián)成網(wǎng)狀的結構，才能體現(xiàn)出優(yōu)異的物理與力學性能，具有實用價值。本研究選用的環(huán)氧丙烯酸反應型樹脂含有環(huán)氧基和碳碳雙鍵化合物，體系的反應包括環(huán)氧-胺的反應和自由基引發(fā)反應。所以固化劑體系中必須含有與環(huán)氧反應的物質(zhì)和能產(chǎn)生自由基的物質(zhì)，所選的胺至少帶有2個伯脂族胺基為甲基戊二胺。自由基引發(fā)反應中的引發(fā)劑選用過氧化苯甲酸叔丁基酯，促進劑選用過渡金屬化合物選自Cu，同時環(huán)氧與甲基戊二胺反應產(chǎn)生少量叔胺也能作為促進劑，促進引發(fā)劑引發(fā)，產(chǎn)生活潑的自由基，引發(fā)體系反應。在2種固化體系的共同作用下，快速固化樹脂體系，體系的各項強度指標符合標準要求。

過氧化苯甲酸叔丁基酯為中高溫引發(fā)劑，其促進劑復合使用甲基戊二胺和環(huán)烷酸銅引發(fā)劑。甲基戊二胺在反應體系中2個伯脂族胺基能與環(huán)氧基團反應產(chǎn)生少量叔胺，叔胺也能作為促進劑，能活化環(huán)烷酸銅（濃度8%），降低產(chǎn)生自由基的溫度，加快體系的反應。固定環(huán)烷酸銅用量為環(huán)氧丙烯酸樹脂的0.05%時，甲基戊二胺用量對體系固化時間和抗壓強度的影響見圖3和圖4；固定甲基戊二胺用量為環(huán)氧丙烯酸樹脂的0.05%時，環(huán)烷酸銅用量對體系固化時間和抗壓強度的影響見圖5和圖6。

圖3 甲基戊二胺用量對體系固化時間的影響

圖4 甲基戊二胺用量對體系抗壓強度的影響

從圖3可以看出，在甲基戊二胺用量為0時，環(huán)烷酸銅（0.05%環(huán)氧丙烯酸樹脂）促進引發(fā)劑的能力是很小的，隨著甲基戊二胺的加入，體系固化時間迅速加快，當甲基戊二胺用量在10%環(huán)氧丙烯酸樹脂的時候，固化時間是5 min左右，這是理想的固化時間，繼續(xù)增加甲基戊二胺的用量，反應劇烈，固化時間在1 min。從圖4可見，隨著甲基戊二胺用量的增加，體系的抗壓強度逐步增加，當甲基戊二胺用量在10%環(huán)氧丙烯酸樹脂的時候，抗壓強度達到最大，繼續(xù)增加甲基戊二胺的用量，對提高體系抗壓強度幾乎沒有幫助，反而是由于反應太劇烈，使抗壓強度開始下降。

從圖3和圖4可以看出，應將甲基戊二胺的合理用量控制在10%環(huán)氧丙烯酸樹脂左右，使體系抗壓強度達到最大值，同時具有合適的快速固化時間。

圖5 環(huán)烷酸銅用量對體系固化時間的影響

圖6 環(huán)烷酸銅用量對體系抗壓強度的影響

從圖5、圖6可見：

（1）環(huán)烷酸銅用量為0時，甲基戊二胺（環(huán)氧丙烯酸樹脂用量的0.05%）的促進效果有限。隨著環(huán)烷酸銅用量的增加，體系反應速度加快，抗壓強度開始上升；當環(huán)烷酸銅用量為0.15%環(huán)氧丙烯酸樹脂時，固化時間在5 min左右，體系的抗壓強度最大；繼續(xù)增加環(huán)烷酸銅用量，體系的抗壓不斷下降。

（2）樹脂反應體系對環(huán)烷酸銅的用量很敏感，0.05%用量差別就會使體系的固化速度和強度發(fā)生很大的變化。所以含有環(huán)烷酸銅的組分一定要精確計量環(huán)烷酸銅的質(zhì)量，將環(huán)烷酸銅攪拌均勻，保證環(huán)烷酸銅濃度的均一。環(huán)烷酸銅用量為0.15%時，能使體系的抗壓強度達到最大值。

2.3 溫度對化學錨栓膠性能的影響

化學錨栓需要在不同環(huán)境溫度下使用，環(huán)境溫度對化學錨栓膠粘劑的固化時間和固化物性能有影響。化學錨栓通過膠粘劑的粘接力和本體強度，增強混凝土與螺桿的連接，目的是使兩者能協(xié)同工作以承擔來自各種荷載產(chǎn)生拉力以及彎矩、扭矩等，這是化學錨栓的作用機理。以M12的鍍鋅螺桿為實驗用螺桿，螺桿的等級為5.8級鋼，其理論屈服強度為400 MPa，M12的螺紋鋼理論屈服強度為400 MPa，屈服拉力為41.1 kN，設計拉力為23.8 kN。試驗模擬實際工程中的化學錨栓操作流程：先用電錘在混凝土上鉆孔，打孔直徑為14 mm，深度為110 mm，然后將孔中浮灰吹干凈，放置在恒溫恒濕箱中，同時將化學錨栓膠粘劑和化學螺桿也放置在恒溫恒濕箱中，調(diào)節(jié)溫度，放置24 h備用。

在不同溫度下，將化學錨栓插入預先打好的孔洞中，接著用電鉆快速把Φ12 mm的螺桿轉入14 mm的孔洞中，不同溫度下養(yǎng)護1 d，測試拉拔強度。本試驗使用恒溫恒濕箱，將溫度恒定在-10～100℃某個溫度點（見圖7），測試不同溫度下化學錨栓膠粘劑的現(xiàn)場拉拔性能。本試驗自制的套筒拉拔夾具，其頂端是螺母固定，中間為液壓拉拔儀、底部為套筒（見圖8）。一般拉拔使螺桿屈服即可，螺桿屈服時螺桿沒有破壞，混凝土也沒有破壞，不影響化學錨栓的繼續(xù)使用。為了測試本文研制的化學錨栓的性能，一般會將化學錨栓拉斷、拔出或混凝土碎裂。不同溫度下化學錨栓拉拔試驗結果見表1。

圖7 不同溫度下化學錨栓膠固化

圖8 化學錨栓膠的拉拔試驗

從表1可見，拉拔試驗的破壞載荷均大于23.8 kN（Φ12的設計值），且環(huán)境溫度越高，反應越快，破壞的載荷力越大，其中-5～10℃時的破壞形式是螺桿拔出，15～35℃時的破壞形式是螺桿拉斷。

表1 不同溫度下化學錨栓的拉拔試驗結果

針對其中-5～10℃破壞形式是螺桿拔出，本文重新成型拉拔試件，在不同溫度下進行養(yǎng)護，測試1、3、5、7 d不同養(yǎng)護時間下的拉拔強度，結果見表2。

表2 養(yǎng)護時間對化學錨栓拉拔試驗結果影響

從表2可見，增加養(yǎng)護時間能提高拉拔力，10℃條件下養(yǎng)護3 d，即可將螺桿拔斷；0℃條件下養(yǎng)護5 d將螺桿拔斷；-5℃需要7 d將螺桿拔斷；而所有試件在1 d的拉拔強度都是大于23.8 kN的設計強度，是符合標準要求的。綜上，低溫環(huán)境會影響環(huán)氧基-胺和碳碳雙鍵-引發(fā)固化體系，特別是其中丙烯酸官能團能進行自由基（共）聚合反應，在低溫情況下降低了產(chǎn)生自由基的數(shù)量，造成反應不徹底，強度不高。但體系中環(huán)氧基官能團與甲基戊二胺在低溫下慢慢進行開交聯(lián)合反應，隨著養(yǎng)護時間的延長，反應越徹底，這也是本文配方體系中在低溫情況下增加養(yǎng)護時間能提高拉拔強度的原因。

3 結語

（1）選用環(huán)氧丙烯酸樹脂，其中丙烯酸官能團能進行自由基（共）聚合反應，另外的一個環(huán)氧基官能團與胺進行開環(huán)聚合反應，有利于提高化學錨栓用膠粘劑的性能。

（2）環(huán)氧類活性稀釋劑不適用于環(huán)氧丙烯酸體系，環(huán)氧與甲基戊二胺反應，減少了甲基戊二胺在體系中的含量，降低引發(fā)-促進體系產(chǎn)生自由基能力，選用1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA）作為稀釋劑，推薦使用量為10%的環(huán)氧丙烯酸樹脂。

（3）以過氧化苯甲酸叔丁基酯為引發(fā)劑，復合使用甲基戊二胺和環(huán)烷酸銅為促進劑，建議將甲基戊二胺的用量控制在10%環(huán)氧丙烯酸樹脂左右，環(huán)烷酸銅的用量控制0.15%環(huán)氧丙烯酸樹脂，使體系強度達到最大值，同時具有合適的快速固化時間。

（4）低溫會影響拉拔強度，但延長養(yǎng)護時間能提高拉拔強度，本文研制的化學錨栓用膠粘劑1 d能達到設計的拉拔強度，7 d在-5～35℃均能拔斷。

[1]史俊領．淺談化學錨栓工程施工技術[J]．科技資訊，2010（8）：111-112．

[2]朱麟勇，林建偉、甘水平．力寶-安泰化學錨栓的研制[J]．石材，2003（3）：29-34．

Research on preparation and properties of a novel chemical anchor adhesive

CHEN Xiaolong，ZHU Hua
（Suzhou Gusu New Building Materials Co.Ltd.，Jiangsu High Performance Building Materials Engineering Research Center，Suzhou 215132，China）

This paper studies the effect of different types of diluents and curing agents at different dosage on the compressive strength，pulling strength and curing time of adhesive for chemical anchor use.Through the use of 1，4-butanediol dimethacrylate，methyl pentane diamine and copper naphthenate as raw material，a high-strength low-temperature curing adhesive for chemical anchor use can be prepared for chemical anchor anchoring engineering.

chemical anchor，anchoring，adhesives，methyl pentane diamine

TU58+1

A

1001-702X（2016）12-0036-04

2016-06-06；

2016-09-30

陳曉龍，男，1976年生，江蘇蘇州人，高級工程師，主要研究方向為新型建筑材料。