低溫環境下橋梁加固用結構膠研究進展

崔東霞

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

經過幾十年的大規模建設，我國以及世界各國的橋梁建設已由大量的新建逐漸轉入養護、維修與加固階段。據國際公路時訊報道，日本的橋梁正在面臨老齡化的問題。2010年，日本50年及50年以上的橋梁約為1 300座，占總體橋梁數的8%；這個數字在2020年將達到26%，2030年將達到53%。如果以這一比例推算，我國需要加固的橋梁將是一個很大的數字，這些資料都表明，未來橋梁建設的重點已由新建逐漸轉移為舊橋的加固與改造方面。在橋梁加固的各種方法中，絕大多數都使用到結構膠。目前市場上結構膠種類多為常溫或高溫固化膠，但由于橋梁結構所處環境較為特殊，在北方冬季環境中，整個橋梁在一天中所處的溫度可以從十幾度到零下幾度。其加固工程對結構膠固化溫度及施工溫度的要求就更為嚴格。目前在大多數文獻中提到的低溫固化也常指固化溫度低于100℃，且可以在自由狀態下進行高溫后處理[1-2]。本文所提到的低溫固化為0～-5℃下固化，國內近幾年才開始進行這方面的研究。

橋梁加固用結構膠主要材料為樹脂與固化劑，外摻一些改善功能的輔助型材料。樹脂與固化劑的性能都對整個結構膠體系的性能產生至關重要的影響，因此，樹脂與固化劑的選擇是配制可用于低溫固化結構膠體系的核心技術。

1 低溫結構膠用樹脂研究

未固化的樹脂是黏性液體或脆性固體，沒有任何實用價值，只有與固化劑進行固化反應生成三維交聯網絡結構才能實現最終用途。常用樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂等，在這里將分別討論3種樹脂在低溫固化領域的優劣性。

1.1 酚醛樹脂

單組份線性酚醛樹脂本身具有較高的黏結強度[3]，但其黏結薄膜抗溶劑性能、耐熱性能較差，且固化溫度較高，一般都在150℃，固化需要較大的壓力與較長的固化時間，膠結工藝較為復雜，導致不適用于溫度變化較明顯的橋梁加固工程中。

文獻報道，陶毓博等人利用尿素與苯酚等三元共縮聚的方法課題提高酚醛樹脂的固化速度，縮短其熱壓時間；鄭志鋒等通過適當參數下的噴霧干燥制得性能較佳的粉狀酚醛樹脂膠；Cetin等人利用兩種不同的合成方法，合成木質素酚醛樹脂，可用作膠黏劑。上述這些對酚醛樹脂進行改性的方法，其理想的黏結對象均為木材，在橋梁加固中，被黏結對象很少為木材，造成了酚醛樹脂在橋梁加固工程中的局限性。

1.2 丙烯酸樹脂

丙烯酸樹脂具有快速固化能力，可在幾分鐘至幾十分鐘內固化，黏結強度高。可以低溫固化，甚至可以在0℃以下固化[4]，且適用于大多數金屬和非金屬材料的黏結。對于被黏結材料的表面處理要求不嚴格。對雙組份的混合比例要求不嚴格。但其缺點也較突出，單體的氣味和毒性問題，丙烯酸或甲基丙烯酸對產品的腐蝕性問題尚未得到解決，且由于固化速度太快，不適合大面積黏結。固化反應放熱強烈，不適合大間隙的黏結和灌封。這些不足都制約了其在橋梁加固工程中的發展。

1.3 環氧樹脂

環氧樹脂具有優良的機械性能、熱性能以及良好的抗化學腐蝕能力和黏結性能，因此在橋梁加固工程中廣泛應用。但其黏度較大，且隨溫度變化明顯，因此在未經改性前，很難滿足全部的施工及應用要求[5]。實際工程中大多數通過添加一定量的稀釋劑來調節體系的黏度。

雖然稀釋劑中的環氧基可以參與環氧樹脂的固化反應，但其摻量較少時，對環氧樹脂黏度降低的作用不明顯，摻量較多時，整個體系的力學性能會明顯降低，在黏度降低與性能保持二者之間求得平衡是稀釋劑應用中的難點。現有的研究多集中在降低環氧樹脂的黏度，以改善其施工性能，降低施工難度。

江蘇省建筑科學研究院的喬敏[6]等人在配制低溫固化結構膠中采用了碳酸丙烯酯作為活性稀釋劑，當該稀釋劑的摻量為20%時，其黏度可降至257 mPa·s,整個體系的相容性良好，且對后期強度影響較小。

武漢理工的孫琴[7]等人研究了活性稀釋劑的種類對結構膠中環氧樹脂的性能影響，研究中對丁基縮水甘油醚（660）、乙二醇二縮水甘油醚（669）和苯基縮水甘油醚（690）3種活性稀釋劑進行試驗，結果表明，690的摻量為15%時，樹脂體系的黏度在200 mPa·s左右，其摻量為9%時，拉伸強度為純樹脂體系的55%。稀釋劑的摻入可以降低環氧樹脂的黏度，使其適用于低溫加固工程中，但其種類與摻量仍需大量試驗進行驗證。

2 低溫結構膠用固化劑

固化產物的性能在很大程度上取決于固化劑和促進劑的種類。環氧樹脂的固化溫度主要取決于固化劑的特性與樹脂本身的反應活性，雖然樹脂本身的分子結構與性能參數與固化反應活性影響很大，但在低溫固化領域，其關鍵技術則主要在于固化劑體系的反應能力。試驗研究表明：同時采用親電性與親核性試劑作為固化劑，較容易引起環氧基開環，并能迅速固化。很多科研工作者對此進行了研究。

楊欣華等人研究了6種不同固化劑在-12～0℃溫度下的固化情況，結果表明，改性脂環胺類固化劑 MS-002（自制），其黏度為 800 mPa·s，6 d 可固化，壓縮強度值為62 MPa，剪切強度為15 MPa，滿足現有冬季建筑膠黏劑施工要求。程秀蓮等人用硫脲對三乙烯四胺進行改性，改性后的固化劑可在-5℃下固化環氧樹脂，固化時間144 h時，膠膜硬度可達0.939。現有文獻中，馬詩緯等人采用改性脂肪胺對環氧樹脂進行低溫固化。李明軒等人對進口多硫醇以及改性脂肪族聚胺等做了大量的研究，其結構表明，改性脂肪族聚胺的低溫活性較強，可在5℃下30 min內基本硬化，且具有一定強度。煙臺大學的張新濤等人用硫脲與異佛爾酮二胺（IPDA）進行縮合，制得一種高活性的環氧固化劑，在（-5±3）℃，凝膠時間為10.6 min，固化完成后，抗剪強度可達到19 MPa。中科院的黃月文通過對脂肪胺的羥甲基化和Mannich堿反應改性并與催化劑復配，制出一種可低溫快速固化的環氧樹脂固化劑，在0℃時，1 d可固化，并用于潮濕基面。

大量的研究表明，現有的固化劑大多無法實現低溫固化，需對固化劑進行改性或不同固化劑之間進行復配，方可實現低溫下固化。

環氧樹脂與固化劑發生固化反應，除了一般的脂肪胺和部分脂環胺類固化劑可以在常溫下固化，其他大部分脂環胺和芳香胺以及幾乎全部的酸酐固化劑都需要在較高溫度下才能發生固化交聯反應。為了降低固化反應溫度，縮短固化反應時間，采用固化促進劑是很必要的[7]。

3 結論

固化溫度對固化物的性能具有重要影響，低溫下固化有效降低了體系內產生的較大內應力，其固化物的性能優于高溫固化物的性能。發展低溫固化結構膠，可有效降低施工現場因加熱樹脂與固化劑產生的能源消耗和施工技術難度。

低溫固化結構膠技術雖取得了不少進展，但仍存在很大問題，現有的低溫固化產品中如聚硫醇類，其單體的氣味和毒性很大，施工工人不愿施工，且該類產品多依賴進口。

今后的發展主要應集中在固化物綜合性能方面的檢驗，而不僅僅局限于現有的固化時間測試。研究和開發低成本、低毒、可在低溫下快速固化、綜合性能良好的低溫結構膠是橋梁加固用結構膠的未來發展方向。