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(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215132）

一種新型化學(xué)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(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215132）

研究不同種類(lèi)的稀釋劑、固化劑在不同用量下對(duì)化學(xué)錨栓用膠粘劑抗壓強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度、固化時(shí)間等性能的影響，通過(guò)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(qiáng)度化學(xué)錨栓用膠粘劑，此類(lèi)膠粘劑主要用于化學(xué)錨栓錨固工程中。

化學(xué)錨栓；錨固；膠粘劑；甲基戊二胺

0 前言

近年來(lái)，后錨固技術(shù)作為一種施工簡(jiǎn)便、效果可靠的新型施工技術(shù)，在加固、改建、裝修等建筑領(lǐng)域得到了大量運(yùn)用[1]。后錨固技術(shù)目前有2種基本方案：機(jī)械膨脹（如膨脹螺釘）和化學(xué)錨固。前者錨固強(qiáng)度一般較低，且對(duì)基體產(chǎn)生應(yīng)力不能作為結(jié)構(gòu)性永久定位，但價(jià)格低，可用于臨時(shí)性和低強(qiáng)度的固定；化學(xué)錨固是通過(guò)化學(xué)交聯(lián)固化，使得錨桿和基體相粘接，從而達(dá)到錨固的目的，這種方法也被稱(chēng)為“整體錨固法”，俗稱(chēng)“化學(xué)錨栓”，一般應(yīng)用在結(jié)構(gòu)永久性固定定位。

化學(xué)錨固技術(shù)的廣泛應(yīng)用得益于德國(guó)的喜利得和慧魚(yú)2家公司，把國(guó)外的一些先進(jìn)的理念帶入中國(guó)了，并在市場(chǎng)的前期作了大量的推廣工作[2]?；瘜W(xué)錨栓是靠錨桿與混凝土之間的握裹力和機(jī)械咬合力共同作用來(lái)抗拔和螺栓本身來(lái)抗剪。目前，市場(chǎng)上的化學(xué)螺栓大部分應(yīng)用玻璃管式的藥劑管，其中藥劑管中裝有化學(xué)錨固用膠粘劑。但市場(chǎng)上化學(xué)錨固用膠粘劑的質(zhì)量參差不齊，基本都是用價(jià)格低廉的不飽和聚酯樹(shù)脂和苯乙烯配制而成，但在國(guó)家的相關(guān)規(guī)范中不飽和聚酯樹(shù)脂禁止用于結(jié)構(gòu)性粘結(jié)，只能用于非結(jié)構(gòu)的臨時(shí)定位，所以使用此類(lèi)化學(xué)錨固用膠粘劑將直接影響化學(xué)錨栓及錨固的性能。本文研制了一種新型軟包裝化學(xué)錨栓，內(nèi)部膠粘劑由反應(yīng)型樹(shù)脂（環(huán)氧甲基丙烯酸類(lèi)）、反應(yīng)型稀釋劑（環(huán)氧基類(lèi)、甲基丙烯酸甲酯類(lèi)）、過(guò)渡金屬促進(jìn)劑、過(guò)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(shù)脂和苯乙烯，性能符合GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中錨固型快固結(jié)構(gòu)膠的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂，ARZ-2000，工業(yè)級(jí)，無(wú)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(jí)，煙臺(tái)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(jí)，江西瑞祥化工有限公司；芐基縮水甘油醚（692），工業(yè)級(jí)，安徽新遠(yuǎn)化工；固化劑：甲基戊二胺，Dytek A，工業(yè)級(jí)，翁開(kāi)爾有限公司；引發(fā)劑：過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯，工業(yè)級(jí)，山東鄒平恒泰化工有限公司；促進(jìn)劑：環(huán)烷酸銅，工業(yè)級(jí)，山東豪輝新材料有限公司；觸變劑：氣相二氧化硅，工業(yè)級(jí)；填料：400目硅微粉、800目高嶺土、1250目超細(xì)硅酸鋁、7號(hào)石英砂。

1.2 主要儀器設(shè)備

JB90-D型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，上海標(biāo)本模型廠(chǎng)；HZFA1000型電子天平，福州華志科學(xué)儀器有限公司；YA-3000型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，上海申克試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.3 化學(xué)錨栓膠粘劑的配制

甲組分的制備：將30份環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂、2.0～4.0份稀釋劑、3.0份過(guò)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(shí)按照m（甲組分）∶m（乙組分）=5∶1混合均勻即可，測(cè)試?yán)螐?qiáng)度時(shí)，將甲組分裝入塑料軟包裝，乙組分裝入細(xì)塑料軟包裝中，封裝待用。

1.4 性能測(cè)試方法

（1）抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆筑體性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，試件成型和養(yǎng)護(hù)均在（23±2）℃的環(huán)境中進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)7 d，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

（2）拉拔強(qiáng)度：按照GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》成型試件，試件成型和養(yǎng)護(hù)溫度由試驗(yàn)要求確定，按要求養(yǎng)護(hù)時(shí)間，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

為了提高化學(xué)錨栓專(zhuān)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(tuán)反應(yīng)體系，即環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂（ARZ-2000），其中丙烯酸官能團(tuán)能進(jìn)行自由基共聚反應(yīng)，另外的1個(gè)環(huán)氧基官能團(tuán)與胺進(jìn)行開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)。由于環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂自身黏度很大，需要活性稀釋劑對(duì)其進(jìn)行降黏，針對(duì)環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂，目前可用的稀釋劑主要有2大類(lèi)：第一類(lèi)為環(huán)氧類(lèi)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(lèi)為丙烯酸類(lèi)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(duì)化學(xué)錨栓膠性能的影響

選用丙烯酸類(lèi)1.4-丁二醇二甲基丙烯酸酯為稀釋劑，此類(lèi)含有烯鍵的稀釋劑主要是參與環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂中乙烯基引發(fā)反應(yīng)，不會(huì)與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)。另一類(lèi)活性稀釋劑能與胺反應(yīng)，選用芐基縮水甘油醚（692）作為胺類(lèi)反應(yīng)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(tuán)能與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)。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(duì)于環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂用量）對(duì)體系抗壓強(qiáng)度的影響，BDDMA和芐基縮水甘油醚單獨(dú)使用，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 BDDMA用量對(duì)體系抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 芐基縮水甘油醚用量對(duì)體系抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1可見(jiàn)，隨著B(niǎo)DDMA用量的增加，體系的抗壓強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)BDDMA用量為乙烯基樹(shù)脂用量的10%，體系的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；繼續(xù)增加BDDMA的用量，體系的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始不斷下降。從圖2可見(jiàn)，隨著芐基縮水甘油醚用量的增加，體系的強(qiáng)度一直下降。由于配方中含有自由基反應(yīng)和胺類(lèi)環(huán)氧反應(yīng)，單用BDDMA稀釋環(huán)氧丙烯酸基樹(shù)脂，體系以自由基反應(yīng)為主，反應(yīng)速度很快，強(qiáng)度也很高。但單用芐基縮水甘油醚稀釋環(huán)氧丙烯酸基樹(shù)脂，體系中的胺類(lèi)環(huán)氧反應(yīng)增加，減少了甲基戊二胺在體系中的含量，引發(fā)-促進(jìn)體系產(chǎn)生自由基能力不足，整個(gè)體系隨著芐基縮水甘油醚稀釋增加，反應(yīng)變緩，強(qiáng)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(shù)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(shù)脂的10%。

2.2 固化劑對(duì)化學(xué)錨栓膠性能的影響

上述反應(yīng)型樹(shù)脂只有在適當(dāng)固化劑條件下固化后，樹(shù)脂膠聯(lián)成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，才能體現(xiàn)出優(yōu)異的物理與力學(xué)性能，具有實(shí)用價(jià)值。本研究選用的環(huán)氧丙烯酸反應(yīng)型樹(shù)脂含有環(huán)氧基和碳碳雙鍵化合物，體系的反應(yīng)包括環(huán)氧-胺的反應(yīng)和自由基引發(fā)反應(yīng)。所以固化劑體系中必須含有與環(huán)氧反應(yīng)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(gè)伯脂族胺基為甲基戊二胺。自由基引發(fā)反應(yīng)中的引發(fā)劑選用過(guò)氧化苯甲酸叔丁基酯，促進(jìn)劑選用過(guò)渡金屬化合物選自Cu，同時(shí)環(huán)氧與甲基戊二胺反應(yīng)產(chǎn)生少量叔胺也能作為促進(jìn)劑，促進(jìn)引發(fā)劑引發(fā)，產(chǎn)生活潑的自由基，引發(fā)體系反應(yīng)。在2種固化體系的共同作用下，快速固化樹(shù)脂體系，體系的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

過(guò)氧化苯甲酸叔丁基酯為中高溫引發(fā)劑，其促進(jìn)劑復(fù)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(yīng)體系中2個(gè)伯脂族胺基能與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)產(chǎn)生少量叔胺，叔胺也能作為促進(jìn)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(yīng)。固定環(huán)烷酸銅用量為環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的0.05%時(shí)，甲基戊二胺用量對(duì)體系固化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3和圖4；固定甲基戊二胺用量為環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的0.05%時(shí)，環(huán)烷酸銅用量對(duì)體系固化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5和圖6。

圖3 甲基戊二胺用量對(duì)體系固化時(shí)間的影響

圖4 甲基戊二胺用量對(duì)體系抗壓強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，在甲基戊二胺用量為0時(shí)，環(huán)烷酸銅（0.05%環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂）促進(jìn)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(shí)間迅速加快，當(dāng)甲基戊二胺用量在10%環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的時(shí)候，固化時(shí)間是5 min左右，這是理想的固化時(shí)間，繼續(xù)增加甲基戊二胺的用量，反應(yīng)劇烈，固化時(shí)間在1 min。從圖4可見(jiàn)，隨著甲基戊二胺用量的增加，體系的抗壓強(qiáng)度逐步增加，當(dāng)甲基戊二胺用量在10%環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的時(shí)候，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，繼續(xù)增加甲基戊二胺的用量，對(duì)提高體系抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有幫助，反而是由于反應(yīng)太劇烈，使抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降。

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

圖5 環(huán)烷酸銅用量對(duì)體系固化時(shí)間的影響

圖6 環(huán)烷酸銅用量對(duì)體系抗壓強(qiáng)度的影響

從圖5、圖6可見(jiàn)：

（1）環(huán)烷酸銅用量為0時(shí)，甲基戊二胺（環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂用量的0.05%）的促進(jìn)效果有限。隨著環(huán)烷酸銅用量的增加，體系反應(yīng)速度加快，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始上升；當(dāng)環(huán)烷酸銅用量為0.15%環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂時(shí)，固化時(shí)間在5 min左右，體系的抗壓強(qiáng)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(shù)脂反應(yīng)體系對(duì)環(huán)烷酸銅的用量很敏感，0.05%用量差別就會(huì)使體系的固化速度和強(qiáng)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(jì)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(shí)，能使體系的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2.3 溫度對(duì)化學(xué)錨栓膠性能的影響

化學(xué)錨栓需要在不同環(huán)境溫度下使用，環(huán)境溫度對(duì)化學(xué)錨栓膠粘劑的固化時(shí)間和固化物性能有影響?；瘜W(xué)錨栓通過(guò)膠粘劑的粘接力和本體強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土與螺桿的連接，目的是使兩者能協(xié)同工作以承擔(dān)來(lái)自各種荷載產(chǎn)生拉力以及彎矩、扭矩等，這是化學(xué)錨栓的作用機(jī)理。以M12的鍍鋅螺桿為實(shí)驗(yàn)用螺桿，螺桿的等級(jí)為5.8級(jí)鋼，其理論屈服強(qiáng)度為400 MPa，M12的螺紋鋼理論屈服強(qiáng)度為400 MPa，屈服拉力為41.1 kN，設(shè)計(jì)拉力為23.8 kN。試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工程中的化學(xué)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(shí)將化學(xué)錨栓膠粘劑和化學(xué)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(xué)錨栓插入預(yù)先打好的孔洞中，接著用電鉆快速把Φ12 mm的螺桿轉(zhuǎn)入14 mm的孔洞中，不同溫度下養(yǎng)護(hù)1 d，測(cè)試?yán)螐?qiáng)度。本試驗(yàn)使用恒溫恒濕箱，將溫度恒定在-10～100℃某個(gè)溫度點(diǎn)（見(jiàn)圖7），測(cè)試不同溫度下化學(xué)錨栓膠粘劑的現(xiàn)場(chǎng)拉拔性能。本試驗(yàn)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(jiàn)圖8）。一般拉拔使螺桿屈服即可，螺桿屈服時(shí)螺桿沒(méi)有破壞，混凝土也沒(méi)有破壞，不影響化學(xué)錨栓的繼續(xù)使用。為了測(cè)試本文研制的化學(xué)錨栓的性能，一般會(huì)將化學(xué)錨栓拉斷、拔出或混凝土碎裂。不同溫度下化學(xué)錨栓拉拔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 不同溫度下化學(xué)錨栓膠固化

圖8 化學(xué)錨栓膠的拉拔試驗(yàn)

從表1可見(jiàn)，拉拔試驗(yàn)的破壞載荷均大于23.8 kN（Φ12的設(shè)計(jì)值），且環(huán)境溫度越高，反應(yīng)越快，破壞的載荷力越大，其中-5～10℃時(shí)的破壞形式是螺桿拔出，15～35℃時(shí)的破壞形式是螺桿拉斷。

表1 不同溫度下化學(xué)錨栓的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)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(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)試1、3、5、7 d不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的拉拔強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)化學(xué)錨栓拉拔試驗(yàn)結(jié)果影響

從表2可見(jiàn)，增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間能提高拉拔力，10℃條件下養(yǎng)護(hù)3 d，即可將螺桿拔斷；0℃條件下養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度都是大于23.8 kN的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。綜上，低溫環(huán)境會(huì)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(tuán)能進(jìn)行自由基（共）聚合反應(yīng)，在低溫情況下降低了產(chǎn)生自由基的數(shù)量，造成反應(yīng)不徹底，強(qiáng)度不高。但體系中環(huán)氧基官能團(tuán)與甲基戊二胺在低溫下慢慢進(jìn)行開(kāi)交聯(lián)合反應(yīng)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)越徹底，這也是本文配方體系中在低溫情況下增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間能提高拉拔強(qiáng)度的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）選用環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂，其中丙烯酸官能團(tuán)能進(jìn)行自由基（共）聚合反應(yīng)，另外的一個(gè)環(huán)氧基官能團(tuán)與胺進(jìn)行開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)，有利于提高化學(xué)錨栓用膠粘劑的性能。

（2）環(huán)氧類(lèi)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(yīng)，減少了甲基戊二胺在體系中的含量，降低引發(fā)-促進(jìn)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(shù)脂。

（3）以過(guò)氧化苯甲酸叔丁基酯為引發(fā)劑，復(fù)合使用甲基戊二胺和環(huán)烷酸銅為促進(jìn)劑，建議將甲基戊二胺的用量控制在10%環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂左右，環(huán)烷酸銅的用量控制0.15%環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂，使體系強(qiáng)度達(dá)到最大值，同時(shí)具有合適的快速固化時(shí)間。

（4）低溫會(huì)影響拉拔強(qiáng)度，但延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間能提高拉拔強(qiáng)度，本文研制的化學(xué)錨栓用膠粘劑1 d能達(dá)到設(shè)計(jì)的拉拔強(qiáng)度，7 d在-5～35℃均能拔斷。

[1]史俊領(lǐng)．淺談化學(xué)錨栓工程施工技術(shù)[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(xué)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾滦徒ㄖ牧稀?/p>