触变性测量方法

触变性测量方法
摘要：建筑结构胶粘剂已广泛应用于加固及改造工程领域,但是其质量却良莠不齐,不容乐观。

影响建筑结构胶粘剂质量的主要工艺因素———“混合后的初始粘度”(以下简称粘度)和“触变性”尚未受到足够的重视。

粘度和触变性指标的确定是否合适,直接关系到胶粘剂的粘合质量,进而影响工程加固改造的效果。

通过对结构胶粘剂在不同条件下的粘度试验以及触变性试验,总结不同环境条件对胶粘剂粘度及触变性的影响,分析产生影响的原因,对各种条件下的试验的变化进行分析,指出在建筑结构胶粘剂使用过程中关于粘度及触变性方面应该注意的问题,对建筑结构胶粘剂粘度及触变性的原理加以说明。

关键词：结构胶粘剂;粘度;触变性;试验分析
引言
从改性的结构胶粘剂问世以来,其应用愈来愈广泛,在结构加固领域中起到了重要的作用。

随着国家标准GB50367-2006《混凝土结构加固设计规范》的颁布,更是系统地规定了结构胶粘剂的安全性能各项指标。

这对加固工程设计与施工质量的保证,起到了相当重要的作用。

另外,正在编制的国家标准《建筑结构加固工程施工质量验收规范》,则进一步对结构胶粘剂工艺性能指标作出了规定,从而保证了有关的强制性条文得到严格的实施。

其中有关粘度和触变指数的规定,更是起到了控制与平衡作用。

为了说明这个问题,首先应从结构胶粘剂的流变性说起,而粘度及触变性便是它的最主要的两个表征量。

粘度的定义为流体的内摩擦,是一层流体与另一层流体作相对运动的阻力。

如同固体聚合物材料的力学行为可用“模量”来描述一样,流体行为可以用粘度η来描述。

此时,将剪切速率对切变应力作图,其所得到的便是流变曲线,如图1所示,其中,通过原点的直线(1),为牛顿流体。

而结构胶胶体的粘度属于非牛顿流体,因为它的流变曲线不是直线,只能用连接原点与给定的剪切速率在曲线上的对应点所作的割线斜率来描述,故一般称为表观粘度。

胶粘剂粘度是其工艺性能的一个重要指标, 粘度决定了胶液的浸透性。

至于触变性,是指在一定的剪切速率作用下,流体剪切应力随时间延长而减小的性质。

从字面上理解,胶粘剂触变性的概念就是“一触即变”。

从现象上来理解,就是胶液在放置不动的时候,呈稳定的相对高粘态,在受到外力搅动的过程中,变为流动的、相对低粘态的流体。

胶粘剂的这种性质使得胶液具有良好的涂刷性能和防流淌性。

以碳纤维浸渍胶为例,在结构加固工程中,纤维织物涂刷结构胶粘剂,必须要求胶体粘度低,容易浸透纤维织物,使碳纤维布丝与丝之间、层与层之间、层与基材混凝土表面之间能良好地粘合。

而对于碳纤维板和粘贴钢板来说,则必须要求胶粘剂的触变性好,使胶液便于涂刷又分布均匀,而在涂刷完成后,却可使胶粘剂不易流淌。

因为如果胶粘剂的触变性不良,在混凝土结构的立面和仰面作业时,涂刷过后,胶液受到重力作用,易从构件底面淌出。

另外在植筋的旋动过程中, 也要求胶体粘度呈相对低粘态,以使胶体与钢筋本身能够良好地接触。

在植筋过后,胶体所呈现的相对高粘态,能良好地包裹在钢筋周围,尤其是仰面植筋,才不致于发生流淌。

基于结构胶粘剂粘度和触变性的重要性,有必要对这两个表征量进行试验分析。

1粘度试验
1.1试验仪器及方法
1.1.1恒温水浴
温度范围为室温~100℃,精度为0. 2℃。

1.1.2旋转粘度计
本次试验的仪器采用成都仪器厂的NXS-11型旋转粘度计,其测量范围为2·8 ~ 1·78×107 mPa·s,剪切速率(Ds)为1. 23~996 s-1,转速为 5·6~360 r/min。

1.1.3恒温筒
为旋转粘度计附带,容器高度为11 cm,直径为 15 cm。

由于建筑结构胶粘剂大多数为非牛顿粘度,通常称为表观粘度,针对非牛顿流体的流变性测量,应采用瑞士埃普雷克流变仪(EpprechtRheomat)这类同心圆筒旋转粘度计,NXS-11型旋转粘度计属于此类。

下面,以德国慧鱼FRS-CB碳纤维胶为试验样品来进行试验,说明胶粘剂粘度的各方面情况。

1.2试验的各种条件对粘度的影响
工程应用中针对胶粘剂在现场施工过程中各种条件可能对其粘度产生变化的原因进行试验分析。

1.2.1温度对粘度的影响
在这种条件下,对FRS-CB碳纤维胶进行粘度测试,选定一固定的测量系统,固定的转子转数,
针对胶体在不同温度情况进行。

采用NXS-11型旋转粘度计中C测量系统的 152 r/min的转速情况进行试验,此时仪器的剪切速率为Ds=68·11 s-1,角速度为15·92 s-1。

选定测试温度分别为23℃, 25℃, 30℃, 35℃进行测量。

首先,在23℃、转速为152 r/min、剪切速率Ds =68·11 s-1情况下,所测得胶体的表观粘度为η=k·α=1921 mPa·s,其中,k为NXS-11型旋转粘度计的仪器常数、α为测得的刻度值。

然后,分别在 25℃,30℃, 35℃的同样旋转系统、同样转速的情况下,继续进行粘度试验,分别测得胶体的表观粘度为η=1881mPa·s,η=1789mPa·s,η=1724mPa· s。

通过图2可知,胶体的粘度随着温度的升高而逐渐下降,究其原因,液体分子间的距离很小,分子间的引力即内聚力,是构成粘性的主要因素,温度升高,分子间距离增大,内聚力减小,粘度随之减小;而在温度下降时,胶体的粘滞阻力增大,其粘度恢复变大。

剪切速率为68·11 s-1旋转系统为C系统的不同温度情况胶粘剂的粘度变化情况见表1。

表1粘度随温度变化情况
1.2.2转速对粘度的影响
本类试验选定在环境温度为25℃、固定的测量系统、不同转速的情况下进行。

用该仪器的B测量系统的5·6 r/min, 7·6 r/min, 10 r /min, 13 r/min进行粘度试验,分别得到粘度值为η=10714 mP a·s,η= 8680 mPa·s,η= 7280 mPa·s,η=5999 mPa·s。

另外,采用C测量系统的不同转速条件进行试验,分别采用
90 r/min, 112 r/min, 152 r/min, 200 r/ min进行试验, 得到的粘度值分别为η=2377 mPa ·s,η=2089mPa·s,η=1881mPa·s,η= 1740 mPa·s。

在温度一定的条件下,随着转速的增大,胶粘剂的粘度逐渐减小。

在一定的转速后,其粘度受到剪切作用达到平衡而逐渐稳定。

在此转子转速的胶粘剂粘度变化情况见表2,其回归曲线如图3所示。

1.2.3 转子转动时间不同对粘度的影响在这种情况下,固定采用同一个B系统、同一种转速10 r/min,在25℃温度不变的情况下进行测试,在转子转动5 s, 10 s, 20 s, 30 s, 60 s, 90 s 进行粘度测试,得到胶粘剂粘度值分别为7280 mPa·s, 7260 mPa·s, 7220 mPa·s, 7200 mPa·s, 7140 mPa ·s, 7080 mPa·s。

此种情况下,随着转子转动时间愈长,受到剪切作用愈完全,胶粘剂的粘度会在某个平衡点稳定片刻后继续下滑寻找下一粘度平衡点。

粘度随转动时间变化情况见表3,其变化曲线如图4所示。

然后停止搅动胶粘剂或减小转速,经过一段时间后,粘度比停止之前粘度最低值要高,说明在停止或减小转动转速的过程中,被破坏的分子链在进行恢复,粘度在升高。

在读取同温度条件、同转速、同转子系统情况下的粘度时,宜在启动仪器后测量系统刚稳定、其示值在平衡点稳定后立即读取粘度值,如转动时间过长, 影响测量的准确性。

通过对以上几种情况下胶粘剂粘度的测试,知在一定范围内,粘度受温度升高、转动速度加快、转动时间变长的影响而降低。

根据试验数据对所测胶液在25℃环境条件下做剪切应力随剪切速率变化情况见表4,其回归曲线如图5所示。

在了解此种流体类型之前,先对流变特性进行熟悉,其含义为表现出流体剪切应力随剪切速率改变而变化的关系。

按照流体分类,此胶粘剂属于非牛顿流体中的伪塑性流体,又称剪切稀化流体,在结构胶粘剂中, 多数胶体属于此类流体。

其流变方程为:
1.2.4测定胶粘剂粘度的注意事项
针对目前国内测定结构胶粘剂粘度的仪器类型而言,有上海仪器厂生产的NDJ-1旋转粘度计和成都仪器厂生产的NXS-11旋转粘度计及另外少数几种类型的粘度计。

本次试验在用成都仪器厂NXS-11旋转粘度计测定胶液粘度之外,还用上海仪器厂NDJ-1旋转粘度计进行对比。

根据结构胶粘剂的特性及各仪器的特点,为了比较不同胶粘剂在同等试验条件下粘度的差异,考虑到采用不同类型的粘度计测试胶粘剂的粘度值会有一定的出入,本次试验在进行粘度比较时,统一使用同类型仪器、同转子系统、同转速条件,并划定仪器的使用范围。

考虑到两种仪器的量程范围,在胶粘剂混合后,先用上海NDJ-1型旋转粘度计的4号转子、60 r/min的条件进行测量,若其测得的粘度大于8000 mPa·s,建议使用成都仪器厂生产的NXS-11型旋转粘度计的C转子系统的转速65 r/min的测量条件测试,在超过12000 mPa·s 时,即NXS-11型的C转子系统(65 r/min)的量程范围将要超过80%时,可使用D转子系统(65 r/min)进行测试,但由于仪器的原因,对D转子系统、E转子系统没有做准确度考核。

因此,此转子系统测试结果只做参考。

若其粘度小于8000mPa·s,可以使用上海仪器厂生产的NDJ-1型旋转粘度计4号转子、60 r/min或成都仪器厂生产的NXS-11旋转粘度计C转子系统、65 r/min的条件测试。

若在此种试验条件下测试其粘度小于2000mPa·s时,可以使用NDJ-1型的3号转子的60 r/min或使用成都NXS-11型B系统的65 r/min进行测试。

为方便比较,将各仪器粘度的建议使用范围列于表5。

这里要特别注意的是,由于两厂家生产的仪器各方面的差异在选定系统的转速接近的情况下剪切速率差异亦存在,因此,不具备使用不同仪器测定同种胶粘剂粘度的可比性。

2 触变性试验
2.1概述
建筑结构胶粘剂的触变特征中,触变剂起到至关重要的作用,触变剂又称防流淌剂,能控制胶液的流动性,能与聚合物形成氢键或某种其他结构的大比面积的物质。

胶粘剂在受到剪切作用时,粘度变小。

停止剪切时,粘度又恢复的性质,称为触变性,又称摇变。

这是一种可逆的溶胶现象。

在受到外加机械作用过后,需要一段时间,搅动时被拆散的针状或片状分散相粒子互相接触而进行重建结构,为了使胶粘剂具有一定的触变性,常在胶液中
加入气相SiO2等触变剂,使其具有一定的流动性而又有快速保持一定形态的性能,使液体胶粘剂内部形成一个连续的网络。

触变性是分散体系流变学的重要内容之一,是一些体系在搅动或其他机械作用下,其粘度或切力随时间变化的一种流变现象,其现象可分为3种:正触变性、负触变性、复合触变性。

对胶粘剂而言,主要关注和应用的是指剪切应力作用下体系的粘度降低,除去应力后,体系的结构逐渐恢复的性质,也就是由Schalek和Szegvari最早在1923年研究水合氧化铁凝胶过程中发现的正触变现象。

这种现象是大多数胶体在搅拌过程中表现出的一种性质。

2.2试验
在进行触变性试验之前,关于分散体系触变性的测定方法,比较常用的方法,有触变环法、触变指数法。

触变环法的试验原理为:当剪切速率从0连续增加到一个定值再从这个定值逐渐下降到0并测定其应力随剪切速率的变化,所做出的剪切应力—剪切速率的封闭曲线为触变环。

通过改变不同的时间和不同的最大剪切速率值,可以得到不同面积的触变环,触变环的面积越大则触变性越大,反之则越小。

虽然此种方法是常用方法之一,但是,在触变性的测定过程中,剪切速率和作用时间两个变量同时变化,而触变性体系的响应既与剪切速率的大小有关,又与剪切速率的作用时间有关, 通过此种方法判定胶粘剂的触变性,不如触变指数法简单、直观。

触变指数的意义为在两种不同转速条件下,低转速的表观粘度与高转速表观粘度的比值,反映出流体在剪切力作用下结构被破坏后恢复原有结构能力的好坏。

此次试验过程的样品同样取用FRS-CB碳纤维胶粘剂,在准备工作做好之后,将盛有试样的容器放入已调温至试验温度25℃的恒温水浴中。

选定适当的转子系统的5·6 r/min的转速使其在满刻度表盘的20% ~80%之间的适宜量程。

测得在5·6 r min转速的粘度为10714 mPa·s,再选择65r/mi 时适当的转子系统,使其读数也能在满刻度的20% ~80%之间,测得其粘度为2584 mPa·s。

在牛顿流体或粘度较小的流体中,触变指数是指6 r/min的粘度与60 r/min的粘度比值,常用布鲁克非尔德同步电动粘度计(Brook field Synchr electric viscometer)及我国的NDJ-1型这类粘度计,仅适用于测试牛顿流体或粘度在105mPa·s以下的近似牛顿流体胶粘剂的粘度。

It=η6/η60
在胶粘剂这类非牛顿流体中触变指数用5·6 r min的粘度与65 r/min的粘度比值表示,即：It=η5.6/η65
因此,该测试试样的触变指数:
It=10714 mPa·s/2584 mPa·s=4·15 该值与德国检验机构的6 r/min和60 r/min测定的结果为4·5甚为接近。

在测试该胶粘剂的同时,也抽测了国内其他多个厂家生产的建筑结构胶粘剂(碳纤维板用
胶、粘钢用胶等),在同等条件下进行触变性试验。

从试验结果上看, 国内结构胶粘剂的触变性多数在2·以下。

触变性能与优质胶粘剂的触变指数相差较大,由此可见,在国内目前的加固工程中充斥着大量触变性不良的胶粘剂,其触变指数多数不能满足要求,这对施工质量有很大的影响。

3结语
在结构加固改造施工过程中加固方法占有很大比重,在这种情况下,胶粘剂在其中是一个必不可少的组成部分,而其粘度及触变性又是影响胶粘剂工艺性能的重要因素,因此,在现场施工中,要注意胶粘剂粘度易受温度、搅动时间、搅动速度影响而变化的特点,熟悉胶粘剂的这些性质,从而能使其更好地应用于加固工程中。

另外,通过胶粘剂触变性试验,发现目前各种国产胶粘剂的触变性质量参差不齐。

胶粘剂这种性质在大多数中小企业中尚未被熟悉、了解。

因此,在加固施工中,此种性质往往被忽视,致使胶粘的施工质量普遍欠佳,这是应该引起有关各方共同关注的重要工艺问题。

本文通过试验说明了建筑结构胶粘剂的粘度及触变性能的重要性及其作用,目前,新建及既有建筑有相当一部分需要进行加固和改造,胶粘剂亦大量应用于加固改造工程中,因此,要确保胶粘工程的施工质量,就必须重视结构胶粘剂的初始粘度和触变性测定结果是否能达到现行规范合格指标的要求只有这样,方能充分发挥结构胶粘剂在结构加固改造中的作用。

参考文献:
[1]国家标准《建筑结构加固工程施工质量验收规范》编委会.建筑结构加固工程施工质量验收规范[S].成都:四川省建筑科学研究院, 2007.
[2]张向宇.胶黏剂分析与测试技术[M] .北京:化学工业出版社, 2004.。