高品质建筑结构胶的配方组成设计.doc

高品质建筑结构胶的配方组成设计刘宇星1 张炜1 赵世琦2北京金岛奇士材料科技有限公司1 清华大学高分子研究所2摘 要：在建筑结构胶配方设计中，采用环氧树脂/改性脂环胺和芳胺类固化体系，引入原位分相的奇士增韧剂及偶联剂等辅料，使粘钢胶、碳纤维浸渍胶的性能全面达到混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)A级胶水平。关键词：奇士增韧剂 建筑结构胶一、前言2006年11月开始执行的新国家标准混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)1对建筑结构胶中的粘钢胶、碳纤维胶提出了更全面、更科学的要求。新国标要求结构胶钢钢拉伸剪切强度须经过湿热老化试验，在50和相对湿度98%条件下，老化90天，A级胶的剪切强度保持率不低于90%。新国标除对结构胶的粘结性能做出了全面的要求外，还对其本体性能提出了要求。粘钢胶的断裂伸长率从原来的1%提高到1.3%，同时拉伸模量还要求达到4000MPa。粘钢胶的配方中通常添加硅微粉作填料，模量会增加，断裂伸长率则降低，二者同时达标，需要配胶技术改进。新规范的另一个值得关注的地方是钢钢拉伸剪切强度评价标准从原来的算术平均值变为标准值，如粘钢胶的原来的指标为算术平均值（mk）18MPa，新国标规定标注值（k）15MPa。拉伸剪切强度标准值（k）应根据剪切试件的测试结果按下式确定：kmks (1) 式中：k 按n个试件算得的材料剪切强度标准值； mk按n个试件算得的材料剪切强度平均值；s 按n个试件算得的材料剪切强度标准差；k与正态概率分布的分布值、检测加固材料性能所取的置信水平（置信度）c和n有关的材料强度标准值计算系数。如果试样的件数n为5时，根据规范(=0.05,c0.90)；k取值3.400。假如有几种胶粘剂，5个试件的拉伸剪切强度的算术平均值都是20MPa，然而具有同样剪切强度平均值的检测试样，标准值可能相差很大，假定标准差值分别为0.5、1、1.5、2、2.5MPa,按照上式计算的拉伸剪切强度标准值列于下表表1 拉伸剪切强度测量值标注差对剪切强度标准值的影响拉伸强度标准值k,MPa拉伸强度平均值m,MPa5个剪切强度标准差s,MPa18.3200.516.6201.014.9201.513.2202.011.5202.5从计算的结果可知，原来可以达标的胶种现在完全有可能达不到新标准的要求，新标准出于设计安全性考虑，将剪切强度的平均值改为标准值，表明对结构胶的要求更科学、更严格了。二、 关于高性能建筑结构胶配方组成的几点思考目前，建筑结构加固胶大部分采用双酚A型环氧树脂/胺类固化剂组成的配方体系，其经济合理性与技术可行性被广泛认同。为使结构胶的耐湿热老化性能达到规范的要求，固化剂可以选用室温固化的改性脂环胺和芳香胺。国内许多专家对结构胶的湿热老化性能做了大量的研究2、3、4，研究表明，选用此类固化剂是可行的。通常双酚A型环氧树脂/胺类固化物质地硬脆，耐开裂和冲击性能较差，如果仅在环氧树脂、固化剂种类、配比方面进行调配是难于满足新规范对建筑结构胶粘剂提出的性能要求。采用环氧树脂增韧技术，是制备高性能建筑结构胶粘剂有效的技术手段。李福志高工5在国内首先原位分相成“海岛结构”环氧树脂增韧技术应用于建筑结构胶实际产品中，并取得了显著的效果。这种增韧技术的优点在于，增韧剂以与环氧树脂或固化剂互溶的液态物质形式加入其中，不增加粘度，还会有利于填料的添加。可以适应不同的树脂/固化剂体系。选用恰当的奇士增韧剂，固化物可以形成“海岛结构”，分散相的颗粒尺寸通常在微米尺寸级，可以大幅度提高材料自身的断裂韧性（即抵抗裂纹扩展的能力）、拉伸断裂伸长率和粘接性能6。添加活性稀释剂，降低体系的粘度，有利于填料的添加并增强胶粘剂的浸润能力。目前环氧活性稀释剂品质参差不齐，存在同牌号不同物质的相象，应该引起使用者的注意。偶联剂的加入有利于增加填料的添加量，增加胶粘剂与填料表面、被粘接表面的化学键合作用，最终能提高耐湿热老化性能。三、建筑结构胶配方组成实例胶粘剂树脂用双酚A型环氧树脂DYD128或CYD128。 环氧活性稀释剂用苄基缩水甘油醚，692，四川隆昌承华胶业公司产品。固化剂用相对价廉的脂环胺与芳香胺复合改性固化剂，QS5。适合上述树脂/固化剂体系能形成“海岛结构”的增韧剂用奇士增韧剂QS-BE 偶联剂用硅烷偶联剂KH560。填料用200目活性硅微粉。使用上述组成配制的两种碳纤维浸渍胶，其中一种没有添加奇士增韧剂。碳纤维浸渍胶通过粘贴纤维，对建筑的受弯构件及受压构件进行加固。两种碳纤维浸渍胶的性能、配方组成列于表2。表2 碳纤维浸渍胶组成与性能配方组成（重量份 pbw）增韧前增韧后GB50367A级胶指标甲组分环氧树脂DYD128100100/稀释剂6921010 奇士增韧剂QSBE/8偶联剂KH56011乙组分固化剂QS54040使用比例（重量比）3：1(甲：乙)固化工艺23/7天固化物外观透明半透明胶体性能抗拉强度 MPa325040抗拉弹性模量 MPa320025502500伸长率 %1.28.01.5压缩强度 MPa8672.570粘结性能钢钢拉伸剪切强度（标准值） MPa/20.014.3湿热老化3个月后的保持率/ 9090 从表中可以看出，未加入增韧剂的，固化物碳纤维胶固化物，脆性较大，拉伸强度、断裂伸长率都较低，未能达到新标准的指标。引入增韧剂QSBE后，拉伸强度、和断裂伸长率都有大幅度的提高，拉伸剪切强度的标准值达到20MPa，全面达到碳纤维浸渍胶A级标准。加入增韧剂QSBE会引起胶体压缩强度和拉伸模量的降低，使用者应注意用量的增减。在添加有增韧剂的碳纤维浸渍胶中添加硅微粉填料，制成粘钢胶，用它粘钢板可对受弯和受压构件进行加固。粘钢胶配方组成和性能列于表3。表3 粘钢胶配方组成与性能配方组成（重量份 pbw）增韧后GB50367A级胶指标甲组分环氧树脂DYD128100/稀释剂69210 奇士增韧剂QSBE8偶联剂KH5601200目活性硅微粉178.5乙组分固化剂QS540200目活性硅微粉60使用比例（重量比）3：1(甲：乙)固化工艺23/7天胶体性能抗拉强度 MPa5030抗拉弹性模量 MPa75004000断裂伸长率 %2.11.3压缩强度 MPa8860粘结性能钢钢拉伸剪切强度（标准值）/MPa1815湿热老化3个月后的保持率 9090从表中可以看出，在加入增韧剂QSBE的碳纤维浸渍胶中，加入胶液组分1.5倍重量的活性硅微粉填料，制成的粘钢胶，胶体性能优异，除了具有高的拉伸强度和压缩强度外、最突出的特点是高弹性模量和高断裂伸长率同时出现，粘钢胶的粘接性能和湿热老化性能表现优异。四、小结混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)对结构胶的品质提出了更高、更全面的要求。以双酚A环氧为主体树脂，选用相对价廉的脂环胺与芳香胺复合改性固化剂QS-5，同时引入奇士增韧剂QSBE，并加入其它辅料，所制得的碳纤维浸渍胶和粘钢胶可以全面达到混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)A级胶性能指标，具有很强的实用性，奇士增韧剂成为提高建筑结构胶品质有效途径。参考文献：1 混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)2 建筑结构胶的耐老化性能及其改善的研究，贺曼罗等，第八届全国建筑物鉴定与加固改造技术学术会议论文集，557。3 结构加固胶的老化与耐久性能研究，蒋松岩，第八届全国