摘 要：針對傳統(tǒng)混凝土施工中環(huán)氧樹脂膠質(zhì)脆韌性不足和高溫易流掛的問題，提出通過氣相白炭黑（MSD）對傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行改性。試驗結(jié)果表明，在酚醛胺固化劑T-31摻量為15%，聚酰胺固化劑PA摻量為40%，硅烷偶聯(lián)劑KH-792 的摻量為 3%，超細(xì)石英砂摻量為40%，納米碳酸鈣摻量為20%，MSD摻量為 3%；短切碳纖維摻量為6%配比下制備的結(jié)構(gòu)膠性能最佳。14 d壓縮強度、拉伸強度、正拉粘接強度和拉伸抗拉強度分別為81、34、5.5和18.5 MPa。表現(xiàn)出良好的阻裂粘接性能，可以在橋梁混凝土加固中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂基結(jié)構(gòu)膠；混凝土加固；三點彎曲試驗；加固效果

中圖分類號：

TQ437

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0044-05

Modification and effect study of epoxy resin adhesive for concrete reinforcement in construction

CHEN Rong，DU Zhuyao，SUN Hu

（Shaanxi Institute of Technology，Xi’an 710300，China）

Abstract：To address the problem of insufficient brittleness and toughness，as well as high temperature prone sagging in the construction process of traditional epoxy resin adhesive，a modification of traditional epoxy resin structural adhesive by gas phase silica （MSD） was proposed.The results showed that the structural adhesive prepared with the ratio of phenolic amine curing agent T-31 15%，polyamide curing agent PA 40%，silane coupling agent KH-792 3%，ultrafine quartz sand 40%，nano calcium carbonate 20%，MSD 3%，and short-cut carbon fiber 6% had the best performance.The 14 d compressive strength，tensile strength，normal pull bond strength and tensile bond strength were 81，34，5.5 and 18.5 MPa respectively.It shows good crack resistance and bonding performance，and can play an important role in bridge concrete reinforcement.

Key words：epoxy resin based structural adhesive;concrete reinforcement;three point bending test;reinforcement effect

環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠是橋梁混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固的主要材料，可以對橋梁裂縫進(jìn)行有效修補。傳統(tǒng)混凝土加固環(huán)氧樹脂膠在施工過程中存在質(zhì)脆韌性不足和高溫易流掛的問題，對加固效果產(chǎn)生影響。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如制備了一種高性能改性環(huán)氧樹脂灌漿材料用于橋梁混凝土的修補［1］。研究了環(huán)氧樹脂類膠粘劑在水工建筑物混凝土中的應(yīng)用研究［2］。制備了一種短切碳纖維為填料的水下快速固化膠粘劑，并對其性能進(jìn)行研究［3］。以上學(xué)者的研究為增強橋梁修補膠粘劑的性能提供了參考，但在膠粘劑加固效果方面還有進(jìn)一步提升的空間?；诖耍囼炓晕墨I(xiàn)［4］的方法為參考，制備了一種改性氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，并對其加固效果進(jìn)行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：氣相白炭黑（AR），敬益新材料；無水乙醇（AR），王牌生物科技；冰乙酸（AR），瑞仁生物工程）；硅烷偶聯(lián)劑KH-792（AR），軒浩新材料；環(huán)氧樹脂（AR），晟豐祥生物科技；聚酰胺固化劑PA（AR），晴天化工；酚醛胺固化劑T-31（AR），匯普防腐材料；超細(xì)石英砂（I級），本格礦產(chǎn)品；納米碳酸鈣（II級），乾富礦產(chǎn)品；短切碳纖維（標(biāo)準(zhǔn)品）東麗新材料。

主要設(shè)備：WDW-GD型萬能試驗機（萬辰試驗機）； ZJB-120S型電子攪拌機（安原儀器）；QWL750CY型超聲分散機（全簡機電）；101-A型電熱烘箱（美睿儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 MSD的制備

（1）將5 g氣相白炭黑放入150 mL無水乙醇中

機械攪拌3 min，然后在超聲分散機的作用下進(jìn)行超聲分散處理，超聲時間為30 min，得到SD分散液;

（2）將20 mL去離子水和100 mL乙醇混合，然后放入1%冰乙酸，調(diào)節(jié)至pH至5。然后放入20 g

硅烷偶聯(lián)劑KH-792，機械攪拌3 min，得到偶聯(lián)劑分散液;

（3）將步驟（1）的產(chǎn)物和步驟（2）的產(chǎn)物進(jìn)行混合，機械攪拌3 min后再超聲分散60 min，得到MSD分散液;

（4）在常溫條件下機械攪拌5 min，提升反應(yīng)溫度繼續(xù)機械攪拌，反應(yīng)溫度和時間分別為80 ℃和3 h。通過抽濾裝置抽濾MSD分散液，得到MSD，通過丙酮和去離子水反復(fù)清洗后再次抽濾，在電熱烘箱的作用下烘干，得到MSD。

1.2.2 TR-EP結(jié)構(gòu)膠的制備

（1）將少量乙醇放入燒杯中，然后根據(jù)配比放入MSD，在磁力攪拌機的作用下充分?jǐn)嚢?，攪拌時間為5 min。攪拌結(jié)束后倒入環(huán)氧樹脂，繼續(xù)恒溫攪拌至乙醇完全揮發(fā)，攪拌溫度為60 ℃;

（2）按照表1配比稱取剩余A組分原料，依次添加至燒杯中，手動攪拌至燒杯中溶液狀態(tài)變?yōu)槟z狀，然后在攪拌機的作用下攪拌混合均勻，攪拌轉(zhuǎn)速和時間分別為400 r/min和2 min。提升轉(zhuǎn)速至800 r/min繼續(xù)攪拌1 min，得到結(jié)構(gòu)膠A組分;

（3）將B組分的材料依次放入燒杯中，然后在磁力攪拌機的作用下進(jìn)行攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速和時間分別為400 r/min和2 min，得到B組分;

（4）將結(jié)構(gòu)膠的A、B組分混合，通過攪拌機進(jìn)行機械攪拌，攪拌過程為，400 r/min攪拌2 min后，800 r/min繼續(xù)攪拌1 min;

（5）在真空除氣爐的作用下進(jìn)行真空脫氣泡處理，脫泡時間為3 min，得到TR-EP結(jié)構(gòu)膠。配比如表1所示。

1.2.3 結(jié)構(gòu)膠加固混凝土試件制備

選擇O-EP膠為對照，通過灌膠加固表征結(jié)構(gòu)膠對混凝土的加固作用。

（1）通過噴水切割機將混凝土切割梁分為2塊，在打磨機的作用下將粘合表面磨至骨料露出，然后用酒精棉清洗干凈。

（2）通過結(jié)構(gòu)膠將對切割混凝土進(jìn)行粘結(jié)，膠層厚度約為1.5 mm。常溫養(yǎng)護(hù)30 d后進(jìn)行試驗。將 O-EP 灌膠加固的試塊和 TR-EP 灌膠加固的試塊分別命名為 OS-beam、TS-beam，未進(jìn)行灌漿的試件命名為O-beam。

1.3 性能測試

固化前適用期：參照GB/T 7123.1—2015進(jìn)行測試［5-6］。

流掛距離：參照GB/T 7123.1—2015進(jìn)行測試［7-8］。

力學(xué)性能：參照GB/T 2567—2008進(jìn)行測試［9-10］。

拉伸剪切強度：參照GB/T 7124—2008進(jìn)行測試［11］。

正拉粘接強度：參照GB 50728—2011進(jìn)行測試［12］。

三點彎曲試驗：通過萬能試驗機進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)膠配比優(yōu)化

2.1.1 固化劑摻量比優(yōu)化

固化前適用期變化結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，結(jié)構(gòu)膠固化前適用期隨T-31摻量減少、PA摻量增加而增加。因此，適合比例的T-31和PA能夠保證結(jié)構(gòu)膠完全固化的基礎(chǔ)上有效延長固化前適用期。當(dāng)T-31與E51的質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比超過20%時，EP結(jié)構(gòu)膠的固化前適用期無法達(dá)到規(guī)范要求。因此要求T-31的摻量不超過20%。

通過壓縮強度和壓縮彈性模量進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)膠固化劑摻量比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，T-31固化劑會增強結(jié)構(gòu)膠脆性，降低其韌性，而PA分子鏈具備較好的柔性。因此，適合的T-31 和 PA 比例可以賦予EP 結(jié)構(gòu)膠良好的韌性而不失剛性。綜合EP 結(jié)構(gòu)膠固化前適用期和力學(xué)性能結(jié)論，選擇T-31摻量為15%，PA摻量為40%。

2.1.2 KH-792摻量優(yōu)化

圖3為KH-792 摻量優(yōu)化情況。

由圖3可知， KH-792摻量越多，EP結(jié)構(gòu)膠固化速率越低。綜合考慮，選擇適合的KH-792的摻量為 3%。

2.1.3 石英砂優(yōu)化

圖4為結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能變化。

由圖4可知，超細(xì)石英砂摻量對結(jié)構(gòu)膠壓縮性能產(chǎn)生積極的影響。但過量的超細(xì)石英砂會縮減膠體單位體積內(nèi) E51環(huán)氧基團(tuán)和固化劑官能團(tuán)所占的空間和比例，使得化學(xué)鍵和化學(xué)交聯(lián)的形成受到阻礙，降低了壓縮強度［19］。選擇超細(xì)石英砂摻量為40%。

2.1.4 納米碳酸鈣摻量

圖5為納米碳酸鈣優(yōu)化結(jié)果。

由圖5可知，20%納米碳酸鈣摻量條件下，結(jié)構(gòu)膠壓縮強度最高。但納米碳酸鈣摻量較多時，會導(dǎo)致交聯(lián)過程中吸附較多小氣泡，影響交聯(lián)結(jié)構(gòu)的完整性，使得結(jié)構(gòu)膠的強度和剛性均有一定下降［20］。

2.1.5 短切碳纖維摻量優(yōu)化

圖6為短切碳纖維摻量優(yōu)化結(jié)果。

由圖6可知，6%短切碳纖維摻量條件下，結(jié)構(gòu)膠拉伸強度達(dá)到了最高點。但短切碳纖維摻量過多時，樹脂無法浸潤全部的樹脂，因此短切樹脂間相互纏繞，形成纖維-纖維的弱界面，對結(jié)構(gòu)膠拉伸強度產(chǎn)生影響。

2.1.6 MSD摻量優(yōu)化

圖7為MSD摻量優(yōu)化結(jié)果。

由圖7可觀察到，MSD含量為2%時，試件破壞

的最大荷載和最大位移均達(dá)到最大值。這是因為MSD在結(jié)構(gòu)內(nèi)具備較

好的分散性，因此可以有效提升結(jié)構(gòu)膠的拉伸抗剪

強度。雖然MSD摻量為2%時，

結(jié)構(gòu)膠具備較大的拉伸抗剪強度。但結(jié)構(gòu)膠拉伸抗剪強度過大在固化初期易出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，無法滿足加固工程施工需求。因此，選擇MSD摻入量為 3%。

2.2 性能分析

由表2可知，固化值適用期80 min，無流掛現(xiàn)象，14 d壓縮強度、拉伸強度、正拉粘結(jié)強度和拉伸抗拉強度分別為81、34、5.5和18.5 MPa，各方面性能均滿足規(guī)范要求，可以發(fā)揮較好的作用。

2.3 三點彎曲試驗結(jié)果

2.3.1 荷載-撓度曲線

圖8載荷-撓度曲線。

由圖8可知，與常規(guī)混凝土預(yù)制切口梁進(jìn)行比較，經(jīng)過O-EP結(jié)構(gòu)膠加固后的預(yù)制切口梁跨中撓度提高了約 25%，極限載荷提升了19%，經(jīng)過TR-EP加固后撓度提升了57%，極限載荷提升了45%。TR-EP結(jié)構(gòu)膠較O-EP結(jié)構(gòu)膠加固后撓度提升了32%，極限載荷提升了約26%。說明TR-EP結(jié)構(gòu)膠對混凝土抗撓性的提升作用優(yōu)于O-EP結(jié)構(gòu)膠。

2.3.2 P-CMOD 曲線

圖9為P-CMOD 曲線。

由圖9可知，經(jīng)過TR-EP結(jié)構(gòu)膠加固后的加固梁上升區(qū)間和下降區(qū)間都相對平穩(wěn)，有效滲流更均勻。經(jīng)過TR-EP結(jié)構(gòu)膠加固的混凝土切口梁裂縫穩(wěn)定擴展階段和失穩(wěn)擴散階段開口位移較O-EP

結(jié)構(gòu)膠提升了62.5%和225%，證明TR-EP結(jié)構(gòu)膠對混凝土抗裂性能提升作用較好。

2.3.3 雙K斷裂參數(shù)

圖10為雙K斷裂參數(shù)變化。

由圖10可知，經(jīng)過，TR-EP 灌膠加固梁的起裂韌度、失穩(wěn)韌度比未加固的混凝土梁分別提升了20.1%、70.4%，比O-EP 灌膠加固梁提升了 8%和19%，表現(xiàn)出良好的阻裂效果，對結(jié)構(gòu)膠-混凝土界面粘接性能有較好的提升作用。

3 結(jié)語

（1）結(jié)構(gòu)膠最佳配比：固化劑T-31摻量為15%，PA摻量為40%，硅烷偶聯(lián)劑KH-792 的摻量為 3%，超細(xì)石英砂摻量為40%，納米碳酸鈣摻量為20%，MSD摻量為3%，短切碳纖維摻量為6%;

（2）最佳配比結(jié)構(gòu)膠性能為固化值適用期80 min，無流掛現(xiàn)象，14 d壓縮強度、拉伸強度、正拉粘接強度和拉伸抗拉強度分別為81、34、5.5和18.5 MPa，表現(xiàn)出良好的綜合性能;

（3）三點彎曲試驗結(jié)果為TR-EP 結(jié)構(gòu)膠加固的混凝土切口梁較O-EP結(jié)構(gòu)膠加固的切口梁撓度提升了32%，極限載荷提升了約26%；裂縫穩(wěn)定擴展階段和失穩(wěn)擴散階段開口位移提升了62.5%和225%，起裂韌度、失穩(wěn)韌度分別提升了8%和19%，表現(xiàn)出良好的阻裂粘接性能。

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