趙華，黃麗華

（恩施職業(yè)技術學院，湖北 恩施 445000）

0 前言

地下綜合管廊是埋于城市地下用于集中布設電力、通信、給排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道，是一種現(xiàn)代化、科學化、集約化的城市基礎設施[1]?！笆濉币?guī)劃期間，我國大力發(fā)展裝配式建筑施工技術，地下綜合管廊預制拼裝技術成為綜合管廊未來重要的發(fā)展趨勢，地下綜合管廊預制拼裝能夠大幅降低施工成本，提高施工質量，節(jié)約施工工期。預制拼裝地下綜合管廊由預制鋼筋混凝土管廊節(jié)段通過膠粘劑拼接、預應力張拉而成，膠粘劑除了起到粘結作用外，還起到填充、密封、抗?jié)B和找平等作用[2]。由于管廊拼接完成之后，需要承受高強的張拉預應力作用，所以采用的粘結劑必須具有較高的抗壓、抗剪、抗拉強度以及較高的粘結強度，以使膠接接頭在長時間內(nèi)能承受高強的抗壓及抗剪荷載。地下綜合管廊面臨復雜的地下腐蝕環(huán)境，為防止接頭腐蝕，對粘結劑的耐久性也具有較高的要求[3]。傳統(tǒng)的環(huán)氧建筑結構膠粘劑不能滿足綜合管廊節(jié)段拼接的特殊要求，因此，需要針對這一需求，開發(fā)新型的地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑，以滿足地下綜合管廊日益發(fā)展的需求。

1 試驗

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂：E-51，環(huán)氧值為0.48～0.54 mol/100 g，粘度為10～11 Pa·s），工業(yè)級，南通星辰合成材料有限公司；固化劑：593（二亞乙烯三胺與丁基縮水甘油醚加成物，活潑氫當量為54.3，粘度為100～150 mPa·s，工業(yè)級，廣州市業(yè)增化工有限公司；液體丁腈橡膠（端環(huán)氧基）：環(huán)氧值為0.0625mol/100g，粘度為500Pa·s，工業(yè)級，北京德沃特化工科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-560，工業(yè)級，湖北楚盛威化工有限公司；水泥：P·O 42.5，上海金山水泥廠；石英粉：2000目，工業(yè)級，梧州市穎豐礦業(yè)有限責任公司；碳纖維：平均長度3 mm，工業(yè)級，南京緯達復合材料有限公司。

1.2 主要儀器設備

JB90-SH型數(shù)顯恒速攪拌器，上海標本模型廠；ZWICK ZO 20/TN25型萬能材料試驗機，德國ZWICK/ROELL集團公司；RSW-10KN蠕變試驗機，長春市智能儀器設備有限公司。

1.3 膠粘劑的制備

1.3.1 基本配合比（見表1）。

表1 環(huán)氧膠粘劑的基本配合比 g

1.3.2 膠粘劑的制備方法

（1）A組分的制備：將環(huán)氧樹脂、液體丁腈橡膠按設計配合比在攪拌機（設置轉速為800r/min）上分散均勻，制得A組分。

（2）C組分的制備：將125 g水泥和150 g石英粉混合均勻，在105℃的烘箱中加熱10 min，取出，邊翻動邊用霧狀噴壺噴入4 g經(jīng)5 ml甲醇稀釋的硅烷偶聯(lián)劑KH-560，加完后，繼續(xù)在烘箱中加熱15 min，關掉烘箱冷卻至室溫，然后按設計配合比加入碳纖維，混合均勻，制得C組分。

（3）膠粘劑的制備：將 A、B、C 三組分按（100～110）∶28∶（125～325）的質量比在攪拌機（設置轉速為400 r/min）上分散均勻，即制得所述膠粘劑。

1.4 性能測試方法

（1）抗流淌性：在干凈光滑的玻璃板表面涂刷一寬高尺寸為5 cm×5 cm，厚度為1.6 mm的膠層，垂直放置30 min后，測試膠粘劑的流淌距離，作為抗流淌性指標。

（2）適用期：參照GB/T 7123.1—2015《多組分膠粘劑可操作時間的測定》進行測試。

（3）抗壓、抗拉及抗彎強度：參照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》進行測試。

（4）拉伸抗剪強度：參照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》進行測試。

（5）正拉粘結強度：參照GB 50728—2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術規(guī)范》中附錄G《粘結材料粘合加固材與基材的正拉粘結強度試驗室測定方法及評定標準》進行測試，粘結基材為C40混凝土。

（6）耐濕熱老化性能試驗：將拉伸抗剪試樣在50℃、相對溫度95%的恒溫恒濕箱中老化90 d后，冷卻至室溫進行拉伸抗剪強度測試，并計算老化后拉伸抗剪強度降低的百分比。

（7）耐長期應力作用能力試驗：在（23±2）℃、（50±5）%RH環(huán)境中，采用蠕變試驗機對拉伸抗剪試件施加4.0 MPa剪應力持續(xù)作用210 d，測量蠕變變形值。

2 試驗結果與討論

2.1 填料用量對膠粘劑性能的影響

固定E-51環(huán)氧樹脂的用量為100 g、593固化劑的用量為28 g（由環(huán)氧值和活潑氫當量計算得的理論用量），其它試驗條件不變，填料水泥和石英粉用量對膠粘劑性能的影響見表2。

表2 填料用量對膠粘劑性能的影響

從表2可以看出，隨著水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的流掛距離不斷縮短，抗壓強度和拉伸抗剪強度先升高后下降，蠕變變形值先減小后增大，當水泥和石英粉的用量分別為125 g、150g時，膠粘劑的抗壓強度和拉伸抗剪強度達到最大，蠕變變形最小。這是因為：

（1）水泥和石英粉具有較大的比表面積，與環(huán)氧樹脂分子鏈間的接觸面積大、界面作用力強，隨著水泥和石英粉用量增加，環(huán)氧樹脂分子鏈間的內(nèi)摩擦力不斷增加，從而導致膠粘劑體系的粘度不斷提高，流掛距離不斷縮短。填料的細度越大，增稠效果越好，石英粉的細度較水泥大得多，具有更大的表面積，增稠效果也更好。

（2）水泥和石英粉都為剛性顆粒狀填料，其抗壓強度遠遠高于環(huán)氧樹脂固化物的抗壓強度，當水泥和石英粉顆粒均勻分散于環(huán)氧樹脂基體中時，起到增強骨料的作用，從而顯著提高環(huán)氧膠粘劑的抗壓強度[4]。所以，隨水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的抗壓強度不斷提高。但當水泥和石英粉的用量分別大于125 g、150 g時，超過填料的飽和用量，過量的填料顆粒無法被環(huán)氧樹脂充分浸潤，在固化后的膠粘劑體系中形成缺陷，從而導致膠粘劑的抗壓強度下降。

（3）水泥和石英粉能顯著提高環(huán)氧樹脂分子鏈間的內(nèi)摩擦力，在承受剪切作用力時，分子鏈間的層間相對滑移力增加。所以，隨水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的拉伸抗剪強度不斷升高。但當水泥和石英粉的用量分別大于125 g、150 g時，膠粘劑的粘度增加較多，對粘結基材的浸潤能力變差，從而導致膠粘劑的拉伸抗剪強度下降。

（4）水泥和石英粉能顯著提高環(huán)氧膠粘劑固化產(chǎn)物的剛性，從而降低膠粘劑在應力作用下產(chǎn)生的變形[5]。所以，隨水泥和石英粉用量增加，膠粘劑的蠕變變形值不斷減小，耐長期應力作用能力不斷提高。但當水泥和石英粉的用量分別大于125 g、150 g時，超過填料的飽和用量，膠粘劑體系的均勻性變差，耐長期應力作用能力下降，蠕變變形值開始增加。

2.2 KH-560用量對膠粘劑性能的影響

固定水泥和石英粉用量分別為125 g、150 g，其它試驗條件不變，偶聯(lián)劑KH-560的用量對膠粘劑性能的影響見表3。

表3 KH-560用量對膠粘劑性能的影響

從表3可以看出，隨著偶聯(lián)劑KH-560用量增加，膠粘劑的適用期不斷延長，抗壓強度及正拉粘結強度先升高后下降。當KH-560用量為3 g時，抗壓強度最高；而當KH-560用量為4 g時，正拉粘結強度最大。這是因為：

（1）偶聯(lián)劑KH-560與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，加入環(huán)氧樹脂后，環(huán)氧樹脂被稀釋，固化反應速率降低；偶聯(lián)劑KH-560的分子結構中還含有醚鍵，對環(huán)氧基團的固化具有抑制作用[6]。所以，隨偶聯(lián)劑KH-560用量增加，膠粘劑的固化反應速率下降，適用期不斷延長。

（2）偶聯(lián)劑的分子特點是在有機環(huán)氧樹脂與無機填料界面間起相容劑作用，提高有機環(huán)氧樹脂與無機填料界面間的作用力，從而提高環(huán)氧膠粘劑微觀體系的均勻性。所以，隨偶聯(lián)劑用量增加，無機填料與環(huán)氧樹脂間的相容性不斷增加，膠粘劑的抗壓強度不斷升高。當偶聯(lián)劑用量為3 g時，在無機填料顆粒表面形成一層均勻的有機膜層，與環(huán)氧樹脂的相容性最好，抗壓強度取得最大值。當偶聯(lián)劑用量超過3 g時，過量的偶聯(lián)劑分子游離分散于環(huán)氧樹脂基體中，破壞了膠粘劑固化交聯(lián)網(wǎng)絡的規(guī)整性，導致抗壓強度下降。

（3）當偶聯(lián)劑用量為4 g時，正拉粘結強度取得最大值，這表明過量的偶聯(lián)劑分子能夠遷移到粘結基材界面與混凝土表面的羥基發(fā)生水解、交聯(lián)反應，產(chǎn)生化學鍵合，從而提高膠粘劑與混凝土界面間的粘結強度[7]。當偶聯(lián)劑用量超過4 g時，過量的偶聯(lián)劑分子在粘結界面形成應力薄弱點，導致正拉粘結強度開始下降。

綜合考慮正拉粘結界面的破壞形式，偶聯(lián)劑KH-560的最佳用量為4 g。

2.3 液體丁腈橡膠用量對膠粘劑抗彎性能的影響

固定水泥和石英粉的用量分別為125 g、150 g，偶聯(lián)劑KH-560的用量為4 g，其它試驗條件不變，液體丁腈橡膠用量對膠粘劑抗彎性能的影響見表4。

表4 液體丁腈橡膠用量對膠粘劑抗彎性能的影響

從表4可以看出，隨著液體丁腈橡膠用量增加，膠粘劑的抗彎強度先升高后下降，抗彎試樣的破壞形式由碎裂破壞轉變?yōu)榉撬榱哑茐模斠后w丁腈橡膠的用量為8 g時，抗彎強度取得最大值，抗彎試樣呈非碎裂破壞狀態(tài)，抗彎性能最優(yōu)。因為，端環(huán)氧基液體丁腈橡膠與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，能均勻分散于環(huán)氧樹脂中，在固化過程中，液體丁腈橡膠的端環(huán)氧基和環(huán)氧樹脂中其它的環(huán)氧基一樣在固化劑的作用下發(fā)生開環(huán)加成反應，成為環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)網(wǎng)絡的一部分，固化結束后，彈性的橡膠鏈段析出，形成以剛性的環(huán)氧樹脂固化物為連續(xù)相，彈性橡膠粒子為分散相的“海島結構”，承受應力作用時，“海島結構”能有效誘導試樣變形的產(chǎn)生，從而顯著提高固化后的環(huán)氧膠粘劑的韌性[8]。所以，隨液體丁腈橡膠用量增加，膠粘劑的韌性不斷提高，抗彎強度不斷增加，抗彎試樣發(fā)生脆韌轉變。但由于液體丁腈橡膠的剛性較小，當液體丁腈橡膠用量超過8 g時，膠粘劑體系的剛性下降較多，抗彎強度開始下降。所以，液體丁腈橡膠的最佳用量為8 g。

2.4 碳纖維用量對膠粘劑性能的影響

固定液體丁腈橡膠的用量為8 g，其它試驗條件不變，碳纖維用量對膠粘劑性能的影響見表5。

表5 碳纖維用量對膠粘劑性能的影響

從表5可以看出，隨著碳纖維用量增加，膠粘劑的流掛距離不斷縮短，抗拉強度先升高后降低，拉伸抗剪強度降低百分比先降低后升高，當碳纖維用量為6 g時，膠粘劑的流掛距離為0，抗拉強度取得最大值，拉伸抗剪強度降低百分比最小，耐濕熱老化性能最好。這是因為：

（1）碳纖維與環(huán)氧樹脂相容性好、尺寸長，表面能吸附大量的環(huán)氧樹脂分子鏈，起到“加筋抗流淌”作用，從而顯著縮短膠粘劑的流掛距離[5]。所以，隨碳纖維用量增加，膠粘劑的流掛距離不斷縮短。

（2）碳纖維的尺寸較長，且具有極高的抗拉強度，均勻分散于環(huán)氧樹脂中時，形成以環(huán)氧樹脂為連續(xù)相、碳纖維為分散相的增強體系，從而顯著提高膠粘劑的抗拉強度[9]。所以，隨碳纖維用量增加，膠粘劑的抗拉強度不斷升高。但當碳纖維用量超過6 g時，用量過多，碳纖維在粘稠的膠粘劑體系中無法完全伸展，形成蜷曲結構，分散應力作用的能力大大降低，導致抗拉強度開始下降。

（3）碳纖維的表面能低，與水的潤濕性差，呈現(xiàn)出疏水特性，因此能顯著提高環(huán)氧膠粘劑的疏水性[10]。所以，隨碳纖維用量增加，膠粘劑的耐濕熱老化能力增加，拉伸抗剪強度降低百分比不斷降低。但當碳纖維用量超過6 g時，膠粘劑體系中環(huán)氧樹脂相對含量下降較多，阻隔性能開始下降，所以，當碳纖維用量超過6 g時，隨碳纖維用量繼續(xù)增加，膠粘劑的耐濕熱老化能力開始下降（拉伸抗剪強度降低百分比升高）。所以，碳纖維的最佳用量為6 g。

2.5 膠粘劑的最優(yōu)配合比及性能

根據(jù)以上試驗結果，制備的環(huán)氧膠粘劑的最優(yōu)配合比為m（E-51環(huán)氧樹脂）∶m（593固化劑）∶m（KH-550）∶m（液體丁腈橡膠）∶m（水泥）∶m（石英粉）∶m（碳纖維）=100∶28∶4∶8∶125∶150∶6。最優(yōu)配合比時，膠粘劑的性能測試結果見表6。

表6 地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的性能

從表6可以看出，制備的環(huán)氧膠粘劑各項性能指標均滿足地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的要求。

3 結論

（1）水泥和石英粉為剛性顆粒狀填料，能顯著提高環(huán)氧膠粘劑的剛性，從而提高環(huán)氧膠粘劑的抗壓強度、拉伸抗剪強度和耐長期應力作用能力。水泥和石英粉的最佳用量分別為125 g、150 g。

（2）彈性的液體丁腈橡膠鏈段從固化后的膠粘劑體系中析出，形成“海島結構”，能有效誘導膠粘劑試樣產(chǎn)生變形，從而顯著提高固化后的環(huán)氧膠粘劑的韌性。液體丁腈橡的最佳用量為8 g。

（3）制備的環(huán)氧膠粘劑的最優(yōu)配合比為m（E-51環(huán)氧樹脂）∶m（593固化劑）∶m（KH-550）∶m（液體丁腈橡膠）∶m（水泥）∶m（石英粉）∶m（碳纖維）=100∶28∶4∶8∶125∶150∶6。制備的環(huán)氧膠粘劑涂膠層厚≥1.6 mm時不流掛，施工適用期為50 min，抗拉強度為34 MPa，抗彎強度為50 MPa（呈非碎裂破壞狀態(tài)），抗壓強度為88 MPa，拉伸抗剪強度為16 MPa，正拉粘結強度為4.0 MPa（為混凝土內(nèi)聚破壞），濕熱老化拉伸抗剪強度降低百分比為8.2%，耐長期應力蠕變變形值為0.3 mm，各項性能指標均滿足地下綜合管廊節(jié)段拼接用環(huán)氧膠粘劑的要求。

[1] 白海龍.城市綜合管廊發(fā)展趨勢研究[J].中國市政工程，2015（6）：78-81.

[2] 王冬，祝燁然，石明建，等.用于港工預應力混凝土大管樁HLCLZ 建筑膠粘劑的研究[J].新型建筑材料，2014，41（6）：22-24.

[3] 嚴林.預制拼裝綜合管廊發(fā)展現(xiàn)狀及接頭防水密封性能的探討[J].混凝土與水泥制品，2017（1）：31-34.

[4] 聶亞楠，王成啟.高緩凝低脆性環(huán)氧建筑膠粘劑的研究[J].新型建筑材料，2017，44（1）：77-80.

[5] 陳禮忠，金仁興.預制節(jié)段梁拼裝中的環(huán)氧粘結劑特性分析及施工運用[J].建筑施工，2008，30（7）：582-584.

[6] 高雅琨.緩凝型環(huán)氧樹脂建筑膠粘劑的制備與性能研究[J].中國膠粘劑，2017，26（2）：50-54.

[7] Heo G Y，Park S J.Effect of coupling agents on thermal，flow，and adhesion properties of epoxy/silica compounds for capillary underfill applications[J].Powder Technology，2012，230：145-150.

[8] Thomas R，Ding Y，He Y，et al.Miscibility，morphology，thermal，and mechanicalpropertiesofaDGEBA based epoxyresin toughened with a liquid rubber[J].Polymer，2008，49（1）：278-294.

[9] 趙艷榮，胡平，梁繼才，等.碳纖維復合材料在汽車工業(yè)中的應用[J].合成樹脂及塑料，2015，32（5）：95-98.

[10] 趙金華，曹海琳，晏義伍.高性能碳纖維表面特性及其對浸潤性能的影響[J].高科技纖維與應用，2014，39（2）：44-50.