公路擴建拼接部位用環氧樹脂膠粘劑固化動力學研究

關鍵詞：公路擴建工程；環氧樹脂；膠粘劑；固化動力學；黏度與流變性；表觀活化能中圖分類號： TQ433.4⁺37 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0029-04

Abstract：The curing kinetics analysis of epoxy resin adhesive for the reinforcement of splicing parts of highway expansion project was studied.For the constructionof the splicing part ofthe highway expansion project，different reinforcement materials were designed.E44，E44/DDMand E44/DDS adhesive samples were prepared for the construction of the splicing part of the highway expansion project，in which E44/DDM and E44/DDS used ⁴，4^， -diaminodiphenylmethane and ⁴，4^， -diaminodiphenylsulfone curing agent，respectively，and E44 was used as the epoxy resin control group sample.The application of diferent adhesive materials was analyzed by curing kinetic test，viscosity and rheology test.The test results showed thatthe E44 specimen could not maintain a good heating dynamic coefficient under diferent heating rates，and the heat flux was relativelylow，so the curing effect could notbe completed quickly. While the curing performance of the two specimens after adding curing agent was stronger，among which the E44/DDS specimen could produce the highest peak temperature and maintain good apparent activation energy during the curing test，and the samplescould also maintain high viscosity and good rheological properties，and there was no large mass loss at high temperature. The epoxy resin adhesive with ^4，4 -diaminodiphenyl sulfone curing agent is more suitable for the reinforcement of splicing parts of highway expansion projects.

Key words：highway expansion project；epoxy resin；adhesive；curing kinetics；viscosity and rheology；apparent activation energy

使用優質的加固材料可以增加連接點的穩定性[1-]，減少接縫的開裂和移動[34]，確保道路連接處的結構堅固[5]，提高道路的整體穩定性[6]；還可以抵抗路面的剪切力和動態荷載。韋君等研究生物基可降解環氧樹脂體系固化反應動力學，該方法制備了一種可降解的膠粘劑材料，并分析其固化效果[7]；但該方法制備的材料在高溫狀態下質量損失較大。李秉海等研究甲基納迪克酸酐固化環氧樹脂的動力學，該方法深度測試了材料在不同溫度下的固化效果[8]。環氧樹脂膠粘劑是一種常用的膠粘劑，其具有出色的粘接強度，能夠在多種材料之間形成堅固的連接。本文通過在環氧樹脂中加入固化劑，設計公路擴建工程拼接部位加固用，并測試其固化動力學特性，從而獲取最佳加固材料。

1試驗材料與方法

1.1 材料制備

制備不同類型的加固用環氧樹脂膠粘劑[9-10]，并測試每種膠粘劑的固化動力學。在制備膠粘劑時，主要采用以下試驗原料[]

E-44雙酚A型環氧樹脂（EP），工業級；^{4，4，} -二氨基二苯甲烷（DDM），分析純; 4，4^′ -二氨基二苯砜（DDS），分析純。其中，DDS與DDM為固化劑，分別按照 m（E44）：m（DDM）=1：0.218 質量比進行混合，制備出E44/DDM、E44/DDS膠粘劑試樣，并將未添加固化劑的E44作為對照組進行測試，分析每組試樣的性能變化。

1.2 試驗方法

1.2.1 試樣固化動力學測試

通過差示掃描量熱儀進行試樣性能測試，并通過DSC法分析試樣的固化動力學特性，設定初始溫度為 5% ，設置4個升溫速率等級，分別為5、10、15.20K/min 。在測試過程中，需要對以下指標進行計算。

（1）反應活化能計算：當通過DSC法測試試樣固化動力學時，需要進行以下假設：一是出現固化反應時生成的總放熱量與放熱時包含的面積為正比例關系[12-14]；二是試樣的熱流速率與固化反應速率可通過式（1）表示為：

到試樣固化反應時的反應級數 n ，具體如下：

式中： 為峰值溫度; s 為理想氣體指，通過差示掃描量熱分析即可獲取 的值。

（3）峰溫時反應速率常數計算：利用上述計算的反應活化能值，通過式（3）計算得到前因子 c ，峰溫時反應速率常數 L ，具體如下：

式中：A為頻率因子，同樣表示表示升溫動力系數。

1.2.2 黏度與流變性測試

將試樣放置在 25mm 的平行板內，并設置試驗初始溫度為 25^°C ，在震蕩模式下對試樣進行測試[15]，試驗過程中，動態掃描頻率范圍為 1～100s^-1 。

1.2.3 試樣熱穩定性測試

根據GB/T1634.3—2004標準，通過熱變形維卡溫度測定儀分析試樣在高溫狀態下的熱穩定性。

1.2.4 試樣硬度測試

采用HS-19GDV型D型肖氏硬度計測試試樣的硬度，取3種試樣樣品，將不同試樣放置在圓形器Ⅲ中[16-18]，放置在 60^°C 恒溫箱內 24h ，取出后測試樣品性能。

2 結果與分析

2.1 試樣固化動力學測試

2.1.1不同升溫速率下的差示掃描量熱分析

測試試樣在不同升溫速率下的DSC曲線變化，測試結果如圖1所示。

為熱流速率； B_G 為試樣固化反應放熱量。

（2）反應級數計算：利用Crane方程即可計算得

由圖1可知，在不同的升溫速率下，每組試樣的放熱曲線均會呈現不同變化，隨著升溫速率的加大，試樣放熱程度也會加大，而試樣的熱流指數越大，通常意味著這種材料具有更好的導熱性能，熱流指數是一個描述材料傳導熱量能力的參數。當測試溫度達到 100°C 以上時，每組試樣的熱流均會迅速增加，在3個組試樣中，E44試樣的熱流在不同升溫速率下明顯低于其他兩組添加固化劑的試樣，且E44/DDS試樣熱流最高要高于E44/DDM試樣。由此可以看出，E44/DDS試樣在固化過程中的熱峰形成時間更短，可以盡快完成固化效果，從而實現良好的加固能力。

2.1.2不同升溫速率狀態下的固化動力學分析

分析3個組試樣在不同升溫速率狀態下的峰頂溫度以及升溫動力系數變化，以此驗證試樣的固化性能，結果如表1所示。

由表1可知，在不同試樣固化過程中，E44/DDS的升溫動力系數最高達到5.38，且峰頂溫度最高達到 546.43°C 。

2.1.3 固化度-活化能演變規律

由于試樣在試驗過程中的固化度會對其固化性能造成影響，為獲取不同固化度下試樣的性能變化，統一設置升溫速率為 20^qC/min ，分析3個組試樣隨著固化度增長時的表觀活化能，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著固化度的加大，每組試樣的表觀活化能均有所增加，但增加幅度并不明顯，未添加固化劑的E44試樣表觀活化能始終較低，說明該組試樣在固化試驗過程中無法保持穩定的固化速率，影響材料加固效果；添加不同固化劑的E44/DDS、E44/DDM試樣表觀活化能略微高于E44試樣，其中，E44/DDS試樣表觀活化能明顯更高。因此，在高溫狀態下，E44/DDS試樣的固化效果更為穩定。

2.2 試樣黏度與流變性分析

分析試樣在不同剪切速率下的黏度變化情況，從而驗證試樣的質量變化，結果如圖3所示。

由圖3可知，在不同剪切速率下，每組試樣的黏度均保持穩定狀態；但對比不同試樣可以看出，每組試樣的黏度存在較大差距，其中，E44試樣黏度始終保持在 50Pa?s 以下，E44/DDM試樣黏度則處于200Pa ·s左右，E44/DDS試樣黏度則達到250Pa ·s以上?？梢钥闯觯珽44/DDS試樣黏度明顯更大，黏度更高，說明試樣的流動速度越慢，其在施加到建筑工程拼接部位的粘附力與抗流失效果越強，E44/DDS材料的粘合強度就越強。

通過試樣的復數黏度評估試樣的流變性，分析試樣在不同溫度下的復數黏度情況，分析結果如圖4所示。

由圖4可知，E44/DDS試樣可以保持最小的固化溫度區間，該組試樣具有最佳的流變特性。

2.3 試樣熱穩定性分析

分析試樣在 0～900^°C 狀態下的熱穩定性，結果如圖5所示。

由圖5可知，當3個組試樣處于 300^°C 以下時，每組試樣的質量并未出現嚴重損傷；當試驗溫度超出 300^qC 時，E44、E44/DDM試樣的質量開始有所變化，E44/DDS試樣質量仍然保持良好狀態；當溫度達到 500^°C 以上后，3個組試樣質量均出現大幅度變化，受溫度影響質量發生損失，E44/DDS試樣的質量損失明顯最??；當試驗溫度達到 800^qC 時，其殘余質量仍然能保持在 50% 左右，說明這一試樣的耐高溫性能更強。

2.4 試樣硬度分析

通過對不同試樣進行10次肖氏硬度測試，取10次測試結果的平均值作為試驗指標，評估不同試樣的硬度，具體如表2所示。

由表2可知，在不同測試次數下，E44試樣的硬度始終保持在 12～16HS ，平均測得結果為13.8HS，而其他兩組試樣硬度明顯較高，其中，E44/DDS試樣的硬度平均值為 22.6HS 。為此，該組試樣可以為建筑擴建工程提供優質的膠粘劑材料。

3結語

本試驗為設計公路擴建工程拼接部位加固所使用的環氧樹脂膠粘劑固化動力學研究，結果顯示，環氧樹脂膠粘劑的固化時間取決于溫度和固化劑的選擇。同時，不同類型的固化劑可能會產生不同的固化時間。因此，在實際應用中，可以根據工程需要選擇固化時間較短的膠粘劑?？梢杂糜趦灮窋U建工程拼接部位加固的膠粘劑選擇和施工控制，確保工程質量和持久性。

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