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        一種高性能注射式植筋膠的制備與性能研究

        2020-06-30 19:02:58朱華
        江蘇建材 2020年3期
        關(guān)鍵詞:二胺植筋雙酚

        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 215004)

        0 引言

        近年來伴隨著建筑技術(shù)的發(fā)展,特別是加固技術(shù)的提高,國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了對(duì)老舊建筑物加固改造的高峰。 對(duì)老舊建筑物加固改造,延長(zhǎng)其使用年限,能有效緩解人口、資源和環(huán)境之間的關(guān)系。 植筋錨固技術(shù)是老舊建筑物改造最常用的加固方法之一,通過植筋將不同的構(gòu)件進(jìn)行有效連接, 可以增加混凝土中的配筋量,提高加固質(zhì)量。 在植筋錨固中又以化學(xué)植筋技術(shù)最為常用,我國(guó)在2006 年頒布的GB 50367—2006[1]《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中就明確提出植筋錨固用膠及植筋錨固的技術(shù)要求。

        隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展和GB 50728—2011[2]《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》的實(shí)施,對(duì)植筋膠的要求有了進(jìn)一步提高。 現(xiàn)在市場(chǎng)的植筋膠質(zhì)量參差不齊,GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》 明確規(guī)定了不飽和聚酯不能作為結(jié)構(gòu)粘結(jié)用膠, 因?yàn)椴伙柡蜆渲胁伙柡突鶊F(tuán),在長(zhǎng)時(shí)間的光、熱、水等環(huán)境因素作用下,雙鍵容易斷裂,一些強(qiáng)度指標(biāo)將大大下降,達(dá)不到結(jié)構(gòu)粘結(jié)的要求。 但部分廠家為了降低成本,將不飽和樹脂和環(huán)氧樹脂復(fù)配使用,降低產(chǎn)品的耐老化性能, 同時(shí)還存在膠體耐熱性能不佳、使用產(chǎn)品不方便等問題。針對(duì)市場(chǎng)上植筋膠存在的問題,試驗(yàn)研究了一種高性能注射式植筋膠,該植筋膠具有耐老化性好、耐熱性佳、觸變性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn),用3∶1 注射式管對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行包裝,使用時(shí)通過混合器將甲、乙組分混合均勻即可。 研制的注射式植筋膠性能符合GB 50728—2011 《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的以混凝土為基材的植筋膠基本性能和長(zhǎng)期性能。

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        環(huán)氧樹脂:E-51,工業(yè)級(jí)(牌號(hào)W-618),無錫藍(lán)星新材料有限公司;有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂:工業(yè)級(jí)(牌號(hào)SH-023, 深圳市吉鵬硅氟材料有限公司;氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂:工業(yè)級(jí)(牌號(hào)AL-3040), 煙臺(tái)奧利?;び邢薰荆?稀釋劑:1,4-丁二醇二縮水甘油醚(622)、正丁基縮水甘油醚(BGE)、芐基縮水甘油醚(692),工業(yè)級(jí),湖北綠色家園材料技術(shù)股份有限公司;固化劑:甲基戊二胺(Dytek A),工業(yè)級(jí),翁開爾有限公司;聚醚胺(D-230):工業(yè)級(jí),美國(guó)亨斯曼;偶聯(lián)劑(KH-550):工業(yè)級(jí),南京曙光化工有限公司;促進(jìn)劑(DMP-30):工業(yè)級(jí),無錫光明化工廠;潤(rùn)濕分散劑(BYK-W985):工業(yè)級(jí),德國(guó)畢克公司;流變助劑(BYK-606):工業(yè)級(jí),德國(guó)畢克公司;觸變劑(A-200):工業(yè)級(jí),德國(guó)贏創(chuàng);填料:400 目硅微粉。

        1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

        JB90-D 型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī),上海標(biāo)本模型廠;FA-001 型電子天平, 上海方瑞儀器有限公司;0~200 mm 型游標(biāo)卡尺, 無錫錫工量具有限公司;CTM-2200 微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),協(xié)強(qiáng)儀器(上海)有限公司;DLH-5 實(shí)驗(yàn)型動(dòng)力混合機(jī),佛山市金銀河智能裝備有限公司。

        1.3 注射式植筋膠的配制

        (1)甲組分的制備

        按照配方中的重量比例,稱取組成甲組分的各種成分,先將雙酚A 環(huán)氧樹脂、氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅環(huán)氧樹脂、稀釋劑、增韌劑在捏合機(jī)中混合30 min,將混合均勻后的改性環(huán)氧樹脂全部加入到強(qiáng)力分散機(jī)中,加入偶聯(lián)劑A、潤(rùn)濕分散劑、填料、觸變劑、流變助劑升溫到65 ℃,使攪拌的線切割速度10 m/s,進(jìn)行抽真空,真空度達(dá)到-0.098 MPa,保持30 min,進(jìn)行保壓,保壓攪拌25 min,通冷卻水,進(jìn)行降溫,溫度達(dá)到30 ℃,甲組分制備完成。

        (2)乙組分的制備

        按照配方中的重量比例,稱取組成乙組分的各種成分,先將聚醚胺、1,3-BAC、促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑B、流變助劑加入到強(qiáng)力分散機(jī)中, 低速攪拌均勻,然后加入填料、觸變劑到強(qiáng)力分散機(jī)中升溫到85 ℃,保持?jǐn)嚢璧木€切割速度8 m/s,進(jìn)行抽真空,真空度達(dá)到-0.098 MPa,保持30 min,進(jìn)行保壓,保壓攪拌25 min,通冷卻水,進(jìn)行降溫,溫度達(dá)到30 ℃,乙組分制備完成。

        (3)注射植筋膠的包裝

        注射式植筋膠的包裝材料為體積比3∶1 的雙膠管,用液壓出料機(jī)和雙組分管式包裝機(jī),將甲組分物料從雙管(大管)頭部進(jìn)行壓力灌注,待尾塞達(dá)到底部即灌注結(jié)束,注射式植筋膠的甲組分制備完成。 將乙組物料從雙管(小管)頭部進(jìn)行壓力灌注,待尾塞達(dá)到底部即灌注結(jié)束,注射式植筋膠的乙組分制備完成。 最后,將甲、乙組分注滿膠的膠管,頭部用帽蓋旋緊, 即得到一種改性環(huán)氧注射式植筋膠。

        1.4 測(cè)試或表征

        (1)抗壓強(qiáng)度:按照GB/T 2567—2008《樹脂澆注體性能試驗(yàn)方法》[3],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)鋼-鋼拉伸剪切強(qiáng)度:按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》[4]標(biāo)準(zhǔn),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。

        (3)熱變形溫度:按照GB∕T 1634.2—2019《塑料負(fù)荷變形溫度的測(cè)定》[5]第2 部分:塑料和硬橡膠測(cè)試0.45 MPa 作用下不同溫度對(duì)膠體的彎曲應(yīng)力B 法。

        2 結(jié)果與討論

        試驗(yàn)主要研究一種高性能注射式植筋膠,研制的植筋膠具有耐老化性好、耐熱性佳、觸變性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。為了提高植筋膠的耐老化性和耐熱性能,對(duì)主體環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性和復(fù)配,E-51 環(huán)氧樹脂是市場(chǎng)上應(yīng)用量最大的液體環(huán)氧樹脂,性價(jià)比高且綜合性能優(yōu)異。 但E-51 環(huán)氧樹脂也有缺點(diǎn):內(nèi)部含有苯環(huán)結(jié)構(gòu),具有一定不飽和性,在長(zhǎng)時(shí)間日照作用下,苯環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞,材料的耐老化性能不佳。普通環(huán)氧樹脂的熱變性溫度在50 ℃左右,達(dá)不到GB 50728—2011 《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的大于等于65 ℃。為了解決上述兩個(gè)問題, 使用氫化雙酚A 與普通環(huán)氧樹脂復(fù)配,降低不飽和性,使用耐熱性有機(jī)硅環(huán)氧樹脂,提高環(huán)氧樹脂的熱變形溫度。

        2.1 環(huán)氧樹脂復(fù)配試驗(yàn)

        雙酚A 型環(huán)氧樹脂中的E-51 樹脂是建筑結(jié)構(gòu)用膠常用的原料,但單獨(dú)使用,存在不耐老化、不耐熱等問題。 普通環(huán)氧樹脂E-51 中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu),不耐老化, 這也是普通環(huán)氧樹脂一般不能外露使用的原因。 我們將分子中不含雙鍵的氫化雙酚A 與環(huán)氧樹脂中的E-51 復(fù)合使用,可以降低環(huán)氧樹脂的不飽和性,提高復(fù)配環(huán)氧樹脂耐老化性,同時(shí),氫化雙酚A環(huán)氧樹脂粘度低,物理性能接近雙酚A 環(huán)氧樹脂。

        從圖1 可見, 隨著氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂的加入,體系的抗壓強(qiáng)度不斷增大,當(dāng)氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂∶普通雙酚A 環(huán)氧樹脂用量達(dá)到70∶30 時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值, 后續(xù)再增加氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂的用量,體系的抗壓強(qiáng)度開始下降;同時(shí),90 d耐濕老化后的抗壓強(qiáng)度和拉伸抗剪強(qiáng)度的下降率,隨著氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂的用量增加而降低,說明氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂能提高普通雙酚A 環(huán)氧樹脂的耐老化性能。

        圖1 氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂用量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

        從圖2 中可以發(fā)現(xiàn),鋼-鋼拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí),氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂∶普通雙酚A 環(huán)氧樹脂用量為80∶20,所以我們建議氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂用量占環(huán)氧樹脂用量的20%~30%。

        2.2 環(huán)氧樹脂耐熱變溫度的提高

        圖2 氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂用量對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響

        熱變形溫度(簡(jiǎn)稱HDT),是表達(dá)被測(cè)物的受熱與變形之間關(guān)系的參數(shù),是對(duì)高分子材料或聚合物施加一定的負(fù)荷下以一定的速度升溫,并達(dá)到規(guī)定形變時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度,是衡量聚合物或高分子材料耐熱性優(yōu)劣的一種量度。 對(duì)于環(huán)氧結(jié)構(gòu)用膠,當(dāng)環(huán)境溫度超過熱變形溫度時(shí),環(huán)氧膠的性能將急劇下降,所以提高熱變形溫度很重要。 建筑用環(huán)氧膠粘劑為熱固型樹脂,其熱變形溫度主要取決于環(huán)氧樹脂、固化劑和固化溫度。 由于建筑用膠粘劑為室溫固化,提高固化溫度現(xiàn)場(chǎng)很難做到,所以對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性, 可提高普通環(huán)氧樹脂的熱變形溫度。 有機(jī)硅環(huán)氧樹脂是分子結(jié)構(gòu)中含有硅的環(huán)氧化物,是由聚甲基苯基硅氧烷與環(huán)氧樹脂共縮聚而成,能夠一定程度提高體系的熱變形溫度。

        從圖3 可見, 隨著有機(jī)硅環(huán)氧樹脂用量的增加,體系的熱變形溫度不斷提高,當(dāng)用量達(dá)到10%后,體系的熱變形溫度隨有機(jī)硅環(huán)氧樹脂的增加在提高, 但提高幅度不大。 綜合使用成本符合GB 50728—2011 《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)定》中植筋膠的標(biāo)準(zhǔn)要求,熱變形溫度≥65 ℃,我們建議有機(jī)硅環(huán)氧樹脂的用量占環(huán)氧樹脂用量的5%~10%。

        圖3 有機(jī)硅環(huán)氧樹脂對(duì)HDT 性能的影響

        2.3 復(fù)合使用聚醚胺和甲基戊二胺

        環(huán)氧樹脂只有在適當(dāng)?shù)臈l件下固化、交聯(lián)成網(wǎng)狀的熱固結(jié)構(gòu)后,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。聚醚胺是一種常用的固化劑,在聚脲噴涂、大型復(fù)合材料制成以及環(huán)氧樹脂固化劑和汽車汽油清凈劑等眾多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。聚醚胺D-230 具有粘度低、 適用期長(zhǎng)、 強(qiáng)度高等特點(diǎn),通過選用聚醚胺D-230 固化劑,研制的改性環(huán)氧注射植筋膠常溫性能符合GB 50728—2011 《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)定》中植筋膠的標(biāo)準(zhǔn)要求。

        聚醚胺固化劑韌性好,親水性好,但環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí),與環(huán)氧樹脂反應(yīng)相對(duì)緩慢,通常必須加入2、4、6-三(二甲氨基甲基)苯酚(即DMP-30)促進(jìn)反應(yīng)。 本試驗(yàn)使用甲基戊二胺代替DMP-30。甲基戊二胺具有固化物強(qiáng)度高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn),反應(yīng)時(shí)放熱明顯,可在潮濕環(huán)境下操作,同時(shí),反應(yīng)過程中產(chǎn)生叔胺也能作為聚醚胺的促進(jìn)劑。 通過使用聚醚胺和甲基戊二胺來固化環(huán)氧體系, 可提高植筋膠的強(qiáng)度性能。

        從圖4 中可以看出,復(fù)合使用聚醚胺和甲基戊二胺固化劑后,體系的反應(yīng)加快時(shí)間縮短。 在不添加甲基戊二胺、 全部用聚醚胺固化劑時(shí),10 ℃下固化環(huán)氧的時(shí)間在5 h 左右,當(dāng)使用甲基戊二胺后,固化時(shí)間加快,當(dāng)甲基戊二胺的用量為總固化劑用量的60%時(shí),固化時(shí)間為30 min,進(jìn)一步增加甲基戊二胺的用量,對(duì)固化時(shí)間影響很小。 同時(shí),從固化強(qiáng)度可見,隨著甲基戊二胺的加入,環(huán)氧固化物的抗壓強(qiáng)度不斷增大, 當(dāng)甲基戊二胺C 的用量為60%時(shí),體系的抗壓強(qiáng)度為最大,再增加甲基戊二胺的用量,體系的抗壓強(qiáng)度開始下降,這是因?yàn)榉磻?yīng)過于劇烈,導(dǎo)致內(nèi)部放熱量大,膠體中產(chǎn)生汽泡,影響抗壓強(qiáng)度。 所以, 選用聚醚胺∶甲基戊二胺用量為40∶60,體系的固化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳效果。

        圖4 10 ℃甲基戊二胺用量對(duì)膠體固化性能的影響

        2.4 膠體擠出性和觸變性的解決

        膠體擠出性能和觸變性能是注射植筋膠的兩個(gè)重要施工性能,這兩個(gè)性能相互制約。 為便于施工,通常通過加入大量稀釋劑來增強(qiáng)擠出性。 一般加入量要超過樹脂用量的20%, 通過加入超細(xì)填料增加觸變性。但是大量稀釋劑會(huì)對(duì)膠體力學(xué)性能和耐熱變性能產(chǎn)生影響。

        通過使用BYK-W 985 潤(rùn)濕分散劑來降低體系粘度,注射式植筋膠中含有填料,潤(rùn)濕分散劑能降低含有填料的膠粘劑的體系粘度,粘度通??山档?0%~50%。為了減少稀釋劑的使用量,可通過使用潤(rùn)濕分散劑來降低體系粘度,提高擠出性,且不影響膠體的性能。 我們按GB/T 13477.3—2017《建筑密封材料試驗(yàn)方法》[6]的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試擠出性。

        從圖5 可見,隨著BYK-W 985 潤(rùn)濕分散劑用量的增加,擠出效果比沒有加BYK-W 985 大大改善,當(dāng)BYK-W 985 用量達(dá)到樹脂用量的0.6%時(shí),膠體擠出量最大,再增加BYK-W 985 用量,擠出量基本沒有增加。 可見0.6%的BYK-W 985 對(duì)本膠粘劑體系擠出性最佳。

        圖5 潤(rùn)濕分散劑對(duì)膠體擠出性影響

        復(fù)合使用流變助劑(多羥基羧酸酰胺)與觸變劑(氣相白炭黑),調(diào)節(jié)體系到達(dá)合適的觸變指數(shù),所生產(chǎn)的注射式植筋膠具有良好的施工性能,不流掛,適用于頂面和垂直面的施工;在氣相白炭黑和多羥基羧酸酰胺與環(huán)氧樹脂共同作用下,形成非常精細(xì)的針狀微晶,這些微晶彼此間通過氫鍵進(jìn)一步形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 施工時(shí),很低的剪切力就能破壞該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而獲得期望的低施工粘度,在沒有剪切力作用后,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又可迅速恢復(fù),從而提高觸變性。使用本方法可以有效解決膠體擠出性和觸變性的問題。

        從圖6 中可見,不加入任何觸變劑、流變助劑的空白試樣,測(cè)得的下垂度為15 mm,說明該膠體易流淌, 不適用于垂直和頂面的施工。 加入A200氣相白炭黑,體系的下垂度下降到5 mm,膠體流淌性能大大改善。 同時(shí), 加入A200 氣相白炭黑和BYK-606 流變助劑, 膠體的下垂度在1 mm 左右,基本不流淌,膠體可適用于垂直和頂面的施工。

        圖6 膠體觸變性能的提高

        3 結(jié)論

        (1)氫化雙酚A 環(huán)氧樹脂的加入,能有效降低90 d 耐濕熱老化抗壓強(qiáng)度下降率和拉伸剪切強(qiáng)度下降率,提高復(fù)配環(huán)氧樹脂的耐老化性。

        (2)當(dāng)有機(jī)硅環(huán)氧樹脂的用量占環(huán)氧樹脂用量的5%~10%、 體系的熱變形溫度≥65 ℃時(shí), 符合GB 50728—2011 《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)定》中植筋膠的標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (3)聚醚胺可在潮濕環(huán)境下固化,甲基戊二胺具有固化物強(qiáng)度高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn),反應(yīng)過程中產(chǎn)生叔胺也能作為聚醚胺的促進(jìn)劑,促進(jìn)聚醚胺在低溫能快速反應(yīng),通過使用聚醚胺和甲基戊二胺來固化環(huán)氧體系,提高植筋膠的強(qiáng)度性能。

        (4)通過使用潤(rùn)濕分散劑降低含填料體系的粘度,可提高擠出性,通過加入A200 氣相白炭黑和BYK-606 流變助劑降低下垂度, 可提高體系的觸變性,解決植筋膠擠出和觸變問題。

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