粘結和固化參數對建筑結構膠粘結性能的影響★

袁琪 盛黎* 董靈相 盛渭慶

(浙江樹人大學城建學院，浙江杭州 310015)

0 引言

建筑物由于使用年限的延長或其他諸如地震災害等多種原因造成構件強度、剛度不足或開裂、破損等情況屢見不鮮，尤其在我們國家，建國初期建成的許多建筑物已經到了維修加固的高峰期，其次還有部分建筑由于設計不符合使用要求，需要對結構構件或建筑物整體進行加固補強[1，2]。

利用建筑結構膠粘劑將各種補強材料粘結在受損構件上，是近來應用比較廣泛的一類加固方法。但是膠粘劑的膠粘過程是一個復雜的物理和化學過程，粘結效果不僅取決于膠粘劑本身性能，而且與粘結工藝、被粘物表面的處理情況、周圍環境的溫度等因素有關，因此為了獲得結構膠粘結的最佳效果，使結構膠的使用更加科學有效，有必要對上述因素的影響進行研究，爭取使膠粘劑的使用與這些因素相適應。

1 試驗原料及儀器

1.1 膠粘劑型號

本試驗采用目前市場上常用的WD-1001型高性能丙烯酸酯AB膠和DY·E-44型環氧樹脂膠。WD-1001型高性能丙烯酸酯AB膠可廣泛用于鋼材、碳纖維、水泥、木材等同種或異種材料的粘結，由A，B兩個組分組成，使用時兩組分以1∶1配比混合后涂膠，常溫指壓下8 min左右初步固化定位，1 h后就可達最終強度的70%，24 h后達到最高強度。DY·E-44型環氧樹脂膠為淡黃色高粘度透明液體，與固化劑按1∶1混合，固化后尺寸穩定性好，粘結性能優異，廣泛用于各種金屬與非金屬的粘合及防水補強材料等。

1.2 儀器設備

CMT5105型微機控制高低溫電子萬能試驗機由深圳市新三思材料檢測有限公司生產。

1.3 試樣制備

按照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)標準制備試樣。首先用工業酒精擦拭2根25 mm×100 mm的鋼片表面，除去污染物后用砂紙打磨鋼片表面直至出現金屬光澤，將配好的兩種結構膠的A，B混合膠液分別均勻地涂在粘結面積A=12.5 mm×25 mm上，用金屬線控制膠層厚度分別為0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，在(23 ±2)℃的環境溫度下固化7 d，固化壓力為接觸壓，試樣個數為6個，試樣尺寸見圖1。

圖1 試樣尺寸圖

粘結抗拉強度試驗的試樣尺寸按照圖2制作，首先用工業酒精擦拭兩塊截面尺寸為40 mm×40 mm，厚度為4 mm的Q235鋼板，除去污染物后用砂紙打磨鋼片表面直至出現金屬光澤，用結構膠粘結，將配好的兩種結構膠的A，B混合膠液分別均勻地涂在兩塊鋼板上，用金屬線控制膠層厚度分別為0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，在(23 ±2)℃的環境溫度下固化7 d，試樣個數為6個，鋼板兩邊中部焊接一段直徑為8 mm的鋼筋用于試驗機夾持端加載。

1.4 測試方法

在CMT5105型微機控制高低溫電子萬能試驗機上以2 mm/min的恒定速度加載，記錄試樣破壞的最大負荷以及膠接接頭破壞的類型。

2 試驗結果與分析

2.1 膠層厚度對建筑結構膠性能的影響

膠接是與被粘結構件和膠粘劑組織結構有密切聯系的過程。膠接接頭在受到外力作用時，由于粘附強度和內聚強度的不同，其破壞情況有四種形式，即被粘構件破壞、膠層內聚破壞、界面粘附破壞及混合破壞。

在實際操作中，如果保證了膠層本身足夠強度的話，就能避免膠層內聚破壞，同時如果保證膠與被膠接構件有良好粘附的話，就能避免界面粘附破壞，可能實現被粘物構件破壞。

觀察拉伸剪切和粘結抗拉試驗后各組試樣破壞面，均發現有膠層殘留在鋼片上，而且殘留膠層比較光滑，鋼片上無膠的地方沒有結構膠破壞后留下的毛刺，這說明本試驗中不同膠層厚度膠接接頭失效模式是以界面粘附破壞為主。由圖3的試驗數據可見當膠層厚度非常小時，隨著膠層厚度的增加，兩種結構膠的拉伸剪切強度均提高，當丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.2 mm，環氧樹脂膠的膠層厚度為0.3 mm時，兩種膠的拉伸剪切強度分別達到最高，但隨著膠層厚度的繼續增加，兩種結構膠的拉伸剪切強度均呈現下降的趨勢，膠層越厚，強度值越低，本試驗結論與文獻[3]中試驗結果基本一致。當膠層厚度超過1 mm時，厚度對強度的影響更為明顯，下降幅度越來越大。由圖4的試驗數據可見，當丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.3 mm，環氧樹脂膠的膠層厚度為0.5 mm時，兩種膠的粘結抗拉強度分別達到最高，隨著膠層厚度的繼續增加，兩種建筑結構膠的粘結抗拉強度均呈現下降的趨勢，膠層越厚，粘結抗拉強度值越低。

圖3 不同膠層厚度下結構膠的拉伸剪切強度

圖4 不同膠層厚度下結構膠的粘結抗拉強度

分析膠層厚度對拉伸剪切強度和粘結抗拉強度的影響，粘結過程中由于種種原因膠層材料本身的結構或界面區總是存在一些裂縫和其他缺陷，比如表面劃痕、微孔、晶界等。這些裂縫和缺陷會產生局部應力集中現象，使局部區域所受的應力遠遠超過平均應力，當局部應力超過某一臨界條件時，裂縫失去穩定性并發生擴展，引起破壞。

對一般材料而言，試樣的尺寸體積、半徑、長度越大，其內部存在裂縫、缺陷的幾率也越大，但是膠接接頭膠層并不是越薄越好。但膠層厚度小到一定程度時，拉伸剪切強度反而隨之下降，其原因是膠層太薄時，容易產生缺膠，即生成了新的弱界面層和應力集中現象。

2.2 固化溫度對建筑結構膠性能的影響

結構膠必須通過固化過程才能產生強度，固化溫度的控制是固化過程中的重要因素，它不僅決定固化完成的程度，而且也決定固化過程進行的快慢。本試驗將兩種結構膠制備成每級固化溫度條件下各6組膠接試件，膠層厚度均為1 mm，分別在室溫10℃，20℃下固化7 d后進行力學性能測試，與在烘箱內加熱到40℃，60℃，80℃下固化4 h后，立即取出試樣，迅速進行力學性能測試進行對比。目的是研究不同固化溫度和時間下，結構膠的拉伸剪切強度和粘結抗拉強度變化規律。

觀察力學試驗后各組試樣破壞面發現，常溫固化后試樣主要發生界面粘附破壞，提高固化溫度以后，鋼片上出現了一部分結構膠的毛刺，膠層上的紋路清晰縱橫交錯，所以認為試樣同時發生了膠層內聚破壞和界面粘附破壞，結構膠的性能得到了更大程度的發揮。

由圖5和圖6的試驗結果可見，適當提高固化溫度使強度值明顯提高，但是當溫度升高后，丙烯酸酯AB膠達到60℃、環氧樹脂膠達到40℃時，結構膠開始軟化，兩種結構膠的抗剪強度和粘結抗拉強度出現不同程度的下降。

圖5 不同固化溫度下結構膠的拉伸剪切強度

圖6 不同固化溫度下結構膠的粘結抗拉強度

由于適當提高固化溫度使結構膠的浸潤能力提高，使結構膠與鋼片之間的接觸面積增大，充分浸潤了鋼片表面，膠層和鋼片之間發揮了一定的機械咬合力，避免了大面積界面破壞的發生，提高了強度值。但是固化溫度不宜過高，過高的固化溫度會使結構膠組分A與B反應活性變高，交聯反應速率過快，反應不完全就已經產生固化，造成粘結力下降。

3 結語

1)結構膠隨著膠層厚度變大，膠層剪切強度和粘結抗拉強度總體呈下降趨勢。但如果膠層太薄容易造成缺膠，致使膠接強度下降。

2)當丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.2 mm，環氧樹脂膠的膠層厚度為0.3 mm時，兩種膠的拉伸剪切強度分別達到最高，當丙烯酸酯AB膠的膠層厚度為0.3 mm，環氧樹脂膠的膠層厚度為0.5 mm時，兩種膠的粘結抗拉強度分別達到最高。

3)溫度較低時，結構膠拉伸剪切強度和粘結抗拉強度值隨著固化溫度的提高而提高，適當提高固化溫度有利于提高固化程度，但是過高的固化溫度會造成粘結力下降。

[1] 賀曼羅.建筑結構膠粘劑施工應用技術[M].北京:化學工業出版社，2001.

[2] 唐業清，萬墨林.建筑物改造與病害處理[M].北京:中國建筑工業出版社，2000:172-210.

[3] 林 美.建筑結構膠粘劑拉伸剪切強度測定因素的分析[J].福建建設科技，2011(1):56-57.