混凝土加固施工中的環氧樹脂膠改性及效果研究

摘 要：針對傳統混凝土施工中環氧樹脂膠質脆韌性不足和高溫易流掛的問題，提出通過氣相白炭黑（MSD）對傳統環氧樹脂結構膠進行改性。試驗結果表明，在酚醛胺固化劑T-31摻量為15%，聚酰胺固化劑PA摻量為40%，硅烷偶聯劑KH-792 的摻量為 3%，超細石英砂摻量為40%，納米碳酸鈣摻量為20%，MSD摻量為 3%；短切碳纖維摻量為6%配比下制備的結構膠性能最佳。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。表現出良好的阻裂粘接性能，可以在橋梁混凝土加固中發揮重要作用。

關鍵詞：環氧樹脂基結構膠；混凝土加固；三點彎曲試驗；加固效果

中圖分類號：

TQ437

文獻標志碼：

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

環氧樹脂結構膠是橋梁混凝土結構修復和加固的主要材料，可以對橋梁裂縫進行有效修補。傳統混凝土加固環氧樹脂膠在施工過程中存在質脆韌性不足和高溫易流掛的問題，對加固效果產生影響。對此，部分學者也進行了很多研究，如制備了一種高性能改性環氧樹脂灌漿材料用于橋梁混凝土的修補［1］。研究了環氧樹脂類膠粘劑在水工建筑物混凝土中的應用研究［2］。制備了一種短切碳纖維為填料的水下快速固化膠粘劑，并對其性能進行研究［3］。以上學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一步提升的空間?；诖耍囼炓晕墨I［4］的方法為參考，制備了一種改性氧樹脂結構膠，并對其加固效果進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

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）；硅烷偶聯劑KH-792（AR），軒浩新材料；環氧樹脂（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；超細石英砂（I級），本格礦產品；納米碳酸鈣（II級），乾富礦產品；短切碳纖維（標準品）東麗新材料。

主要設備：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，調節至pH至5。然后放入20 g

硅烷偶聯劑KH-792，機械攪拌3 min，得到偶聯劑分散液;

（3）將步驟（1）的產物和步驟（2）的產物進行混合，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，提升反應溫度繼續機械攪拌，反應溫度和時間分別為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結構膠的制備

（1）將少量乙醇放入燒杯中，然后根據配比放入MSD，在磁力攪拌機的作用下充分攪拌，攪拌時間為5 min。攪拌結束后倒入環氧樹脂，繼續恒溫攪拌至乙醇完全揮發，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變為膠狀，然后在攪拌機的作用下攪拌混合均勻，攪拌轉速和時間分別為400 r/min和2 min。提升轉速至800 r/min繼續攪拌1 min，得到結構膠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行攪拌，攪拌轉速和時間分別為400 r/min和2 min，得到B組分;

（4）將結構膠的A、B組分混合，通過攪拌機進行機械攪拌，攪拌過程為，400 r/min攪拌2 min后，800 r/min繼續攪拌1 min;

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

1.2.3 結構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構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）通過結構膠將對切割混凝土進行粘結，膠層厚度約為1.5 mm。常溫養護30 d后進行試驗。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進行測試［5-6］。

流掛距離：參照GB/T 7123.1—2015進行測試［7-8］。

力學性能：參照GB/T 2567—2008進行測試［9-10］。

拉伸剪切強度：參照GB/T 7124—2008進行測試［11］。

正拉粘接強度：參照GB 50728—2011進行測試［12］。

三點彎曲試驗：通過萬能試驗機進行測試。

2 結果與討論

2.1 結構膠配比優化

2.1.1 固化劑摻量比優化

固化前適用期變化結果如圖1所示。

由圖1可知，結構膠固化前適用期隨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能夠保證結構膠完全固化的基礎上有效延長固化前適用期。當T-31與E51的質量分數百分比超過20%時，EP結構膠的固化前適用期無法達到規范要求。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一步對結構膠固化劑摻量比進行優化，結果見圖2。

由圖2可知，T-31固化劑會增強結構膠脆性，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 結構膠良好的韌性而不失剛性。綜合EP 結構膠固化前適用期和力學性能結論，選擇T-31摻量為15%，PA摻量為40%。

2.1.2 KH-792摻量優化

圖3為KH-792 摻量優化情況。

由圖3可知， KH-792摻量越多，EP結構膠固化速率越低。綜合考慮，選擇適合的KH-792的摻量為 3%。

2.1.3 石英砂優化

圖4為結構膠力學性能變化。

由圖4可知，超細石英砂摻量對結構膠壓縮性能產生積極的影響。但過量的超細石英砂會縮減膠體單位體積內 E51環氧基團和固化劑官能團所占的空間和比例，使得化學鍵和化學交聯的形成受到阻礙，降低了壓縮強度［19］。選擇超細石英砂摻量為40%。

2.1.4 納米碳酸鈣摻量

圖5為納米碳酸鈣優化結果。

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

2.1.5 短切碳纖維摻量優化

圖6為短切碳纖維摻量優化結果。

由圖6可知，6%短切碳纖維摻量條件下，結構膠拉伸強度達到了最高點。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，對結構膠拉伸強度產生影響。

2.1.6 MSD摻量優化

圖7為MSD摻量優化結果。

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到最大值。這是因為MSD在結構內具備較

好的分散性，因此可以有效提升結構膠的拉伸抗剪

強度。雖然MSD摻量為2%時，

結構膠具備較大的拉伸抗剪強度。但結構膠拉伸抗剪強度過大在固化初期易出現流掛現象，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，無流掛現象，14 d壓縮強度、拉伸強度、正拉粘結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范要求，可以發揮較好的作用。

2.3 三點彎曲試驗結果

2.3.1 荷載-撓度曲線

圖8載荷-撓度曲線。

由圖8可知，與常規混凝土預制切口梁進行比較，經過O-EP結構膠加固后的預制切口梁跨中撓度提高了約 25%，極限載荷提升了19%，經過TR-EP加固后撓度提升了57%，極限載荷提升了45%。TR-EP結構膠較O-EP結構膠加固后撓度提升了32%，極限載荷提升了約26%。說明TR-EP結構膠對混凝土抗撓性的提升作用優于O-EP結構膠。

2.3.2 P-CMOD 曲線

圖9為P-CMOD 曲線。

由圖9可知，經過TR-EP結構膠加固后的加固梁上升區間和下降區間都相對平穩，有效滲流更均勻。經過TR-EP結構膠加固的混凝土切口梁裂縫穩定擴展階段和失穩擴散階段開口位移較O-EP

結構膠提升了62.5%和225%，證明TR-EP結構膠對混凝土抗裂性能提升作用較好。

2.3.3 雙K斷裂參數

圖10為雙K斷裂參數變化。

由圖10可知，經過，TR-EP 灌膠加固梁的起裂韌度、失穩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%，表現出良好的阻裂效果，對結構膠-混凝土界面粘接性能有較好的提升作用。

3 結語

（1）結構膠最佳配比：固化劑T-31摻量為15%，PA摻量為40%，硅烷偶聯劑KH-792 的摻量為 3%，超細石英砂摻量為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）最佳配比結構膠性能為固化值適用期80 min，無流掛現象，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，表現出良好的綜合性能;

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

【參考文獻】

［1］ 蘭富才，葉姣鳳.混凝土裂縫修補用改性環氧樹脂灌漿材料的抗凍融性能研究［J］.中國建材科技，2023，32（2）：58-63.

［2］ 楊建喜，李晨，李兆恒.環氧樹脂類膠粘劑在水工建筑物混凝土中的應用研究［J］.化學與粘合，2023，45（2）：178-181.

［3］ 張鑫，王明偉，閆薇帆.短切碳纖維增強水下快速固化膠粘劑的制備及性能研究［J］.纖維復合材料，2023，40（1）：110-114.

［4］ 麻大利.混凝土加固增韌緩凝型結構膠制備及界面性能研究［D］.南寧：廣西大學，2022.

［5］ 姜曉丹，孫夢琪，劉昂.碳化對環氧樹脂與混凝土界面黏結性能影響的分子模擬研究［J］.硅酸鹽通報，2023，42（4）：1291-1297.

［6］ 張?；?，李宏濤，田旺旺.丁腈橡膠和聚乙二醇增韌環氧樹脂制備膠粘劑及性能研究［J］.化學研究與應用，2023，35（4）：955-960.

［7］ 王觀軍，韓慶，譚曉林.水下可固化環氧膠粘劑濕熱耐久性能研究［J］.中國膠粘劑，2023，32（3）：28-36.

［8］ 梁學杰.環氧樹脂改性水泥混凝土的制備及耐久性實驗分析［J］.功能材料，2023，54（3）：3217-3223.

［9］ 周志強，龔學淼.聚氨酯彈性密封膠在混凝土樁基施工中的應用［J］.粘接，2023，50（3）：52-55.

［10］ 龔爽，林福寬，粟淼.固化與試驗溫度對環氧樹脂及表層嵌貼CFRP-混凝土界面粘接性能的影響［J］.復合材料學報，2022，39（11）：5512-5524.

［11］ 蔣方新，陳尚志，李佩勛，等.預應力混凝土梁緩凝粘合劑有效強度試驗研究［J］.建筑結構，2023，53（8）：113-118.

［12］ 王靜，嚴福金.多壁碳納米管增強環氧膠粘劑的性能［J］.天津工業大學學報，2023，42（1）：22-28.

［13］ 馮偉風，蓋東方，高桂波.有機-無機復合膠接劑對透水混凝土性能的影響研究［J］.混凝土世界，2022（5）：41-45.

［14］ 余家筆.高性能防水膠粘劑在鋼筋混凝土結構補強加固中的應用［J］.粘接，2023，50（1）：48-52.

［15］ 姜克錦，陳輝強，尹強.混凝土裂縫快速修補膠漿的制備及性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2022（6）：17-20.

［16］ 王文金，邱思明，梁天錫.巖土膠結工程用復合環氧樹脂膠粘劑的制備及性能研究［J］.化學工程師，2022，36（12）：5-8.

［17］ 李栓，張寶艷，張思.酚醛環氧樹脂改性環氧膠粘劑的耐熱性能研究［J］.化工新型材料，2023，51（1）：272-275.

［18］ 肖智安.橋梁填料工藝下的橋梁加固用環氧樹脂膠粘劑性能研究［J］.粘接，2021，47（7）：26-28.

［19］ 彭建雄，張志強，許玉榮.室溫固化有機硅柔性環氧樹脂粘接劑制備［J］.武漢大學學報（工學版），2021，54（2）：178-183.

［20］ 趙靜，王昳昀，孫慧斌.環氧樹脂對透水混凝土的力學性能和滲透性能的影響研究［J］.功能材料，2022，53（9）：9080-9084.