聚氨酯改性環(huán)氧樹脂膠制備及在橋梁裂縫修復中的應用

摘要：為提升橋梁的使用強度，利用聚氨酯制備改性環(huán)氧樹脂膠，并將其應用于橋梁裂縫修復工作中。利用聚氨酯改性環(huán)氧樹脂E-51，通過添加增稠劑、固化劑、稀釋劑等外加劑制備出改性環(huán)氧樹脂，使用該改性材料修復橋梁用混凝土上的裂縫。經測試發(fā)現(xiàn)：聚氨酯預聚體的用量為6%時，改性環(huán)氧樹脂修復試樣的粘接強度、抗壓凍融循環(huán)與水浸泡后強度等性能較優(yōu)；固化劑的用量為25 phr時，凍融循環(huán)與水浸泡后修復試樣的抗壓強度較佳；稀釋劑用量為10 phr時，修復試樣的抗折強度較理想。

關鍵詞：改性環(huán)氧樹脂膠；橋梁裂縫修復；固化劑；稀釋劑；抗壓強度

中圖分類號：TQ437+.1文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0024-04

Preparation of polyurethane modified epoxy resin adhesive and its application in bridge crack repair

ZHANG Ningjun

（China Railway No.3 Engineering Group the Second Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050011，China）

Abstract：To enhance the service strength of bridges，a polyurethane-modified epoxy resin adhesive was prepared and applied to bridge crack repair work.The epoxy resin E-51 was modified with polyurethane，and the modified epoxy resin was prepared by adding additives such as thickeners，curing agents，and diluents.This modified materi-al was used to repair the cracks on bridge-used concrete.The tests showed that when the dosage of polyurethane pre-polymer was 6%，the modified epoxy resin-repaired specimens had excellent performance in terms of bonding strength，compressive strength after freeze-thaw cycles and water immersion.When the dosage of the curing agent was 25 phr，the compressive strength of the repaired specimens after freeze-thaw cycles and water immersion was relatively good.When the dosage of the diluent was 10 phr，the flexural strength of the repaired specimens was quite satisfactory.

Key words：modified epoxy resin adhesive；bridge crack repair；curing agent；diluents；compressive strength

橋梁裂縫的產生機理涉及到多個因素，包括材料、設計、施工、使用和維護等，其中，材料問題是導致橋梁裂縫的主要因素[1-2]。混凝土是橋梁建設的主要材料之一，但是混凝土的強度、抗拉性能和抗壓性能等都可能影響其裂縫的產生[3]。此外，橋梁在使用過程中可能需要進行維修和加固，如果維修不當或者加固不到位，也可能導致橋梁裂縫的產生[4-6]。針對橋梁裂縫問題，環(huán)氧樹脂具有很強的粘接力，與混凝土結構完全銜接并形成整體，從而有效地防止水分滲入，且耐腐蝕性較強，修補后不易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[7-8]。與其他修補方法相比，低壓灌注環(huán)氧樹脂膠的優(yōu)點在于操作簡單、施工快速、對橋梁結構影響小等[9-11]。

研究使用聚氨酯改性環(huán)氧樹脂，同時添加稀釋劑、固化劑等材料提升環(huán)氧樹脂的性能，利用多種設備測試該改性環(huán)氧樹脂的性能，并且研究實際將該環(huán)氧樹脂應用在橋梁裂縫修復后的效果。

1材料與方法

1.1材料及儀器設備

試驗材料：聚醚多元醇（工業(yè)級，蘇州六福材料科技有限公司），密度1.05 g/cm3；環(huán)氧樹脂E-51（工業(yè)級，濟南旗為化工有限公司），密度1.2 g/cm3；甲苯二異氰酸酯（工業(yè)級，濟南洪旺化工有限公司），密度5.606 g/cm3；增塑劑（工業(yè)級，山東飛鴻新材料有限公司），pH值5～7，密度0.918 g/cm3，稀釋劑（工業(yè)級，濟南雙盈化工有限公司），密度0.898 g/cm3；固化劑（邯鄲市叢臺區(qū)馳誠化工科技有限公司），密度1.13 kg/m3；

試驗設備：YLBT烘干箱，鹽城金世凱機械制造有限公司；YH-MS5S磁力攪拌機，湖北點刻機械有限公司；LGB真空泵，淄博市博山區(qū)博悅機電設備有限公司；80L恒壓漏斗，南京瑞尼克科技開發(fā)有限公司；HH-1恒溫水浴鍋，深圳市三諾儀器設備廠；WDW-500E萬能試驗機，濟南華衡試驗設備有限公司；LSY-18B凍融循環(huán)機濟南鴻眾試驗是被有限公司。

1.2改性環(huán)氧樹脂膠的制備

（1）選擇外加劑。固化劑：苯二甲胺；增塑劑：鄰苯二甲酸二丁酯；稀釋劑：丁基縮水甘油醚；

（2）制備聚氨酯預聚體。在三口燒瓶之中倒入一定量聚醚多元醇，在120℃烘箱中加熱0.5 h后，使用磁力攪拌機充分攪拌，將攪拌后的聚醚多元醇置于真空泵之中脫水處理180 min。邊升溫邊使用磁力攪拌機繼續(xù)攪拌，溫度升高至50℃時，通過恒壓漏斗向聚醚多元醇中滴加甲苯二異氰酸酯，控制滴速，確保10 min之內完成滴加。完成滴加以后，升高預聚體溫度至70℃，在該溫度下靜置反應120 min。停止加熱后，室溫環(huán)境下靜置，得到聚氨酯預聚體[12-14]；

（3）制備改性環(huán)氧樹脂。在干燥的三角瓶中倒入一定量環(huán)氧樹脂E-51，烘干箱溫度設定為100℃，減壓脫水60 min，將稀釋劑、固化劑、增韌劑以及上述制備的聚氨酯預聚體倒入脫水后的環(huán)氧樹脂之中，通入氮氣保護同時使用磁力攪拌機攪拌混合物。將恒溫水浴鍋的溫度設定為130℃，將混合物質置于該水浴鍋之中處理60 min，處理過程中使用保持磁力攪拌機攪拌狀態(tài)。停止加熱以后，在室溫環(huán)境中靜置[15]，待膠體降至室溫以后，儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.3橋梁裂縫修補性能測試

1.3.1聚氨酯預聚體對于修復效果影響

（1）聚氨酯預聚體對拉伸性能的影響：設定聚氨酯預聚體的用量分別為0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%，測試不同聚氨酯預聚體制備的改性環(huán)氧樹脂修復后試驗樣品的拉伸性能。測試過程中以GB/T 2567—2008為參考依據[16-17]。

加載過程中，試驗機勻速向試驗樣品施加拉伸力，拉伸速率設定為10 mm/min，記錄試樣最后發(fā)生斷裂時試驗機上顯示的拉伸強度（σ），計算獲得試樣的斷裂伸長率（ε），計算如式（1）所示：

ε=ΔL L0（1）

式中：ΔL與L0分別表示拉伸位移與測量標距。

（2）聚氨酯預聚體對抗壓性能的影響：測試不同聚氨酯預聚體用量下改性環(huán)氧樹脂的抗壓性能。聚氨酯預聚體用量分別為0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%，使用式（2）計算抗壓強度（μ）：

μ=P F（2）

式中：F代表試驗樣品的橫截面積。

（3）聚氨酯預聚體對粘接性能的影響：使用萬能試驗機測試不同聚氨酯預聚體用量下，改性環(huán)氧樹脂對混凝土試驗樣品粘接修復時的粘接強度與剝離強度影響，聚氨酯預聚體用量分別為0%、4%、8%、12%、16%、20%、24%，測試過程參考GB 50728—2011標準。

1.3.2固化劑對于修復效果影響

（1）固化劑用量對凍融循環(huán)性能影響：測試過程中，以ICBO 2001標準為依據[18]。調整固化劑用量（15、25、35 phr），把各個不同固化劑含量制備的試驗試樣分別裝在裝滿水的試驗用密封瓶中，試驗樣品完全浸泡在液體中。把各個試樣分別置于凍融循環(huán)機中處理。完成凍融循環(huán)后，使用萬能試驗機測試各個試驗樣品的抗壓強度；

（2）固化劑用量對耐水性能影響：調整固化劑用量（15、25、35 phr），將試驗樣品分別置于去離子水中完全浸泡，測試不同浸泡時長下，各個試驗樣品的抗壓強度變化情況。

1.3.3稀釋劑用量對修復效果影響

（1）稀釋劑用量對凍融循環(huán)性能影響：調整稀釋劑用量（10、20、30 phr），把各個不同稀釋劑含量制備的試驗試樣分別裝在裝滿水的試驗用密封瓶中，試驗樣品完全浸泡在液體中。將各個試樣分別置于凍融循環(huán)機中處理，在完成凍融循環(huán)后，使用萬能試驗機測試各個試驗樣品的抗折強度。試驗機的加載速率設定為2 400 N/s，記錄試樣發(fā)生斷裂的抗折強度數(shù)值；

（2）稀釋劑用量對耐水性能影響：調整稀釋劑用量（10、20、30 phr），分別將試驗樣品置于去離子水中完全浸泡。試驗中，使用萬能試驗機測試不同浸泡時長下，各個試驗樣品的抗折強度。試驗機的加載速率設定為2 400 N/s，記錄試樣發(fā)生斷裂的抗折強度數(shù)值。

2實驗結果與分析

2.1聚氨酯預聚體用量對改性環(huán)氧樹脂拉伸性能影響

使用萬能試驗機測試不同聚氨酯預聚體用量下，用改性環(huán)氧樹脂修復后試驗樣品的拉伸性能，試驗結果如表1所示。

由表1可知，增加聚氨酯預聚體用量，會導致改性環(huán)氧樹脂修復的樣品拉伸強度與斷裂伸長率變化趨勢呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律。其中，聚氨酯預聚體的用量為16%時，改性環(huán)氧樹脂修復樣品的拉伸強度最大，斷裂伸長率也最大。

2.2聚氨酯預聚體用量對改性環(huán)氧樹脂抗壓性能影響

對于改性環(huán)氧樹脂修復后的樣品，不同聚氨酯預聚體用量下的抗壓性能影響如表2所示。

由表2可知，改性環(huán)氧樹脂修復后樣品的抗壓強度變化趨勢呈現(xiàn)出先迅速上升后緩慢下降的變化趨勢，且在16%聚氨酯預聚體用量下，改性環(huán)氧樹脂的抗壓強度最大。

2.3聚氨酯預聚體用量對改性環(huán)氧樹脂粘接性能影響

不同聚氨酯預聚體用量下，改性環(huán)氧樹脂與橋梁用混凝土之間的粘接強度與剝離強度如表3所示。

由表3可知，聚氨酯預聚體物的用量會影響環(huán)氧樹脂的粘接性能，增加聚氨酯預聚體的用量會顯著提升改性環(huán)氧樹脂粘接混凝土樣品的強度，且聚氨酯預聚體用量為16%時，改性環(huán)氧樹脂的粘接強度和剝離強度都產生最大值。之后若繼續(xù)增加聚氨酯預聚體用量，改性環(huán)氧樹脂的粘接強度和剝離強度不再發(fā)生明顯的變化。

2.4固化劑用量對改性環(huán)氧樹脂凍融循環(huán)性能影響

經過凍融循環(huán)后，試件的抗壓強度變化情況如圖1所示。

由圖1可知，增加凍融循環(huán)次數(shù)，會降低試樣的抗壓強度。在凍融循環(huán)50次后，試樣的抗壓強度不再出現(xiàn)明顯降低變化，說明經過長時間反應，固化劑和環(huán)氧樹脂等材料發(fā)生完全反應，試樣的固化程度已經得到提升。因此，抗壓強度沒有再發(fā)生明顯降低變化。通過對比來看，固化劑用量為25 phr時，相同凍融循環(huán)作用下，試驗的抗壓強度最高。

2.5固化劑用量對改性環(huán)氧樹脂耐水性能影響

在去離子水中浸泡不同時長后，試樣的抗壓強度變化情況如圖2所示。

由圖2可知，去離子水長時間浸泡后的試件抗壓強度降低趨勢并不劇烈，說明長時間水體浸泡，不會嚴重影響環(huán)氧樹脂的修復效果，經過修復后的試樣具有較強耐水性。對比3種不同固化劑含量制備的改性環(huán)氧樹脂修復后的試驗樣品發(fā)現(xiàn)：固化劑用量為25 phr時，改性環(huán)氧樹脂相對變化更小。因此，可以選擇該固化劑用量的改性環(huán)氧樹脂修復橋梁裂縫。

2.6稀釋劑用量對改性環(huán)氧樹脂凍融循環(huán)性能影響

測試經過多次凍融循環(huán)后，試驗樣品的抗折強變化情況如圖3所示。

由圖3可知，增加凍融循環(huán)次數(shù)會導致試樣的抗折強度顯著降低；但當凍融循環(huán)到達一定次數(shù)后，試樣中的水體基本穩(wěn)定。由此可以看出，改變稀釋劑的用量，不會明顯影響試樣的耐凍融循環(huán)性能。

2.7稀釋劑用量對改性環(huán)氧樹脂耐水性能影響

分別測試不同稀釋劑用量制備的改性環(huán)氧樹脂應用在橋梁混凝土裂縫修復后，試驗樣品的抗壓強度變化，如圖4所示。

由圖4可知，浸泡初期，3種稀釋劑含量的試樣抗折強度基本一致；但是浸泡后期，添加20 phr稀釋劑制備的改性環(huán)氧樹脂修復的試樣抗折強度最高。說明，在該含量下制備的改性環(huán)氧樹脂強度最好。

3結語

研究制備了聚氨酯改性環(huán)氧樹脂膠，并將其應用于橋梁裂縫修復中，發(fā)現(xiàn)改性后的膠粘劑具有優(yōu)良的粘接強度、拉伸性能、抗壓強度、抗折強度，能夠滿足橋梁裂縫修復的要求，且抗凍融循環(huán)與耐水性均較強，具有良好的應用前景。

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（責任編輯：蘇幔，平海）