不同固化体系下环氧结构胶的耐湿热老化性能研究

试

验与检测

S HI Y A NY UJ I A NC HE

谢业明,等:不同固化体系下环氧结构胶的耐湿热老化性能研究

《工程与建设》　2009年第23卷第1期55　

收稿日期:2008210216

作者简介:谢业明(1966-),男,安徽无为人,安徽省公路桥梁工程公司工程师.

不同固化体系下环氧结构胶的耐湿热老化性能研究

谢业明1,　潘　荣2,　彭　勃3

(1.安徽省公路桥梁工程公司,安徽合肥　230022;2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙　410082;3.湖南固特邦土木技术发展

有限公司,湖南长沙　410205)

摘　要:耐湿热老化性能是环氧树脂建筑结构胶的重要性能指标,在结构加固工程中正日益受到重视。从双组分环氧树脂胶粘剂的特点出发,利用沸煮法研究了不同种类的固化剂对环氧结构胶的耐湿热老化性能的影响,并采用固化剂复配的方法,改善了结构胶的耐湿热老化性能。

关键词:环氧结构胶;耐湿热老化;固化剂;沸煮法

中图分类号:TU398;TU581.21 文献标识码:A 文章编号:167325781(2009)0120055203

0　引 言

我国环氧树脂建筑结构加固胶粘剂自1983年开发至今的20多年里发展迅速,取得了令人瞩目的成就。然而在环氧结构胶的生产、应用中,仍存在一些大家都非常关注的问题。例如:环氧结构胶的耐久性能、耐老化性能。以前,在加固应用中过分关注了环氧结构胶的力学性能,而忽视了环氧结构胶的耐老化性能,这也是环氧结构胶质量难以保证的一个重要原因。影响环氧建筑结构胶老化性能的因素众多,其中湿、热的综合因素是最突出、最严重的影响因素[123]。对此,2006颁布的《混凝土结构加固设计规范》中采用湿、热加速老化的方法进行评价。为了能够快速地检验环氧结构胶的耐湿热老化性能,文献[4]提出了用沸煮法检验。从目前双组分环氧树脂建筑结构胶的特点来看,使用不同的固化体系,环氧结构胶表现出不同的性能[5],这也是提高建筑结构胶耐湿热老化性能的重要途径。为了更快地筛选出较好的优化配方,本文结合环氧树脂结构胶的老化特点,采用沸煮法长时间浸泡钢2钢粘结剪切试件,测试水煮后与水煮前的剪切强度变化,对配方进行初选。

1　实验部分

1.1　原材料

环氧树脂(E 251),环氧当量180～190g/mol ,中国石化巴陵石化公司;环氧树脂稀释剂,工业品;偶联

剂:为氨基官能团硅烷,助剂;固化剂:分别以B1、B2、B3、B4、B5代表所选用的固化剂,B1———低分子聚酰

胺固化剂,B2———改性脂肪胺固化剂,B3———改性芳香胺固化剂,B4———改性脂环胺固化剂,B5———自制[6]。1.2　测试项目

测试项目及测试标准如下:钢2钢粘结剪切强度及沸水浸泡后的钢2钢粘结剪切强度,依据文献[4]。1.3　主要实验设备

实验采用的仪器设备主要有:电子万能试验机,WDW100,中国科学院长春科新公司试验仪器研究

所;高速研磨分散机,湖南固特邦土木技术发展有限公司;恒温水箱,95℃。1.4　试件制备

本文各种配方若无特殊说明,其质量分数均以100g 环氧树脂为基准,A 组分配方为环氧树脂∶稀

释剂∶偶联剂=100∶20∶2,将各种材料与适量助剂先在高速研磨机中研磨30min 后倒出A 组分,静置3d 后,待用。B 组分为各类固化剂,其理论用量计算

公式为

G =M /H n ×E

(1)

其中,M 为胺的相对分子质量;H n 为氮原子上的活泼氢数目;E 为环氧树脂的环氧值;G 为每100g 树脂所需胺的克数。

将A 、B 两组分按计算的质量比混合均匀后,按文献[4]制做钢2钢粘结剪切试件,测试其固化7d 后

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的钢2钢粘结剪切强度,以及固化7d 后再经沸水浸

泡后的钢2钢粘结剪切强度,进行比较。

2　结果与讨论

2.1　不同固化剂对环氧结构胶耐湿热老化的影响

由表1可知:环氧结构胶的耐湿热老化性能与固化剂的类型有关。采用低分子聚酰胺B1或改性脂肪胺固化剂B2时,沸水浸泡后的剪切强度与沸水浸泡前相比,均呈下降趋势。采用自制的固化剂B5,与低分子聚酰胺B1相比,7d 的剪切强度有所提高,这主要是由于改性脂肪胺固化剂B2的加入,促进了低分子聚酰胺B1的固化程度,但对耐湿热老化性能无改善。

表1　不同类型固化剂对湿热老化性能的影响

性　能B1B2B3B4B5配合比(100g E51)4050503042沸水浸泡前的剪切强度/MPa 25.613.1 6.309.5926.4沸水浸泡3d 后的剪切强度/MPa 19.2 5.98-20.820.9沸水浸泡7d 后的剪切强度/MPa 17.5

5.48

-26.1

16.1

改性芳香胺固化剂

B3的7d 剪切强度较低,沸

水浸泡后的钢2钢粘结剪切试件从试件的粘接处断开,无强度,耐湿热老化性能最差。图1为采用改性芳香胺固化剂的钢2钢剪切试件沸水浸泡后的断口照片。从图中可以看出:粘接面上发生的破坏形式为界面破坏,胶层以片状形式剥落,胶层经沸水浸泡后变硬变脆,胶层本身内聚强度提高,但沸水长时间浸泡破坏了胶层与钢片的粘接,这是造成试件断开的主要原因。另外接口破坏处的钢片上留有锈迹,进一步证明了沿接口侵入是水渗入胶接接头的主要方式。

图1　改性芳香胺固化剂的钢2钢剪切试件沸水浸泡后的断口

改性脂环胺固化剂B4的7d 剪切强度较低,但

经过沸水浸泡之后,剪切强度呈上升趋势。剪切强度从沸水浸泡前的9.59M Pa 提高到沸水浸泡7d 后的26.1M Pa ,可以看出,改性脂环胺固化剂B4的耐湿热老化性能明显优于其他类型的固化剂。这可能是因为:使用改性脂环胺固化剂,结构胶能更好的浸润

钢片表面,具有较高的粘附强度。当胶层与钢片的粘附强度高于胶体本身的内聚强度时,结构胶的剪切强度取决于胶体本身的内聚强度,由于改性脂环胺固化剂在常温下固化不完全,胶体内聚强度较低,这正是使用改性脂环胺固化剂时结构胶早期的剪切强度不高的原因。而在沸水浸泡的湿热老化条件下改性脂环胺固化剂继续固化,胶体本身的内聚强度增加,再加上胶液的充分浸润,水分不易从界面侵入,使得剪切强度有大幅度的提高。与使用其他类型固化剂,沸水浸泡后的剪切强度明显下降相比,明显提高了环氧结构胶的耐湿热老化性能。

2.2　固化剂复配对环氧结构胶耐湿热老化的影响

改性脂环胺固化剂B4经过沸水浸泡的湿热老化条件后,钢2钢粘结剪切强度大幅度提高,但早期强度较低。B5(低分子聚酰胺2改性脂肪胺固化体系)表现出较好的粘结性能,与B1相比,由于改性脂肪胺的加入,大大降低了固化剂的粘度。利用这些特点,用改性脂环胺固化剂B4与自制的固化剂B5复配。

图2

为不同固化条件下,固化剂中改性脂环胺固化剂的用量对钢2钢粘结剪切强度的影响。固化温度分两组,一组在恒温箱23℃下固化7d (常温固化),另一组在80℃下固化4h ,再室温固化7d (中温固化)。

由图2可知:在常温固化条件下,随着固化剂中改性脂环胺固化剂用量的增大,钢2钢粘结剪切强度

图2　固化条件对钢2钢粘结剪切强度的影响

呈下降趋势。当固化剂中改性脂环胺固化剂的用量从0%(以下简称为基体)增加到50%时,钢2钢粘结剪切强度从26.4M Pa 下降到24.9M Pa ,下降幅度

不大。在固化剂中使用相同用量的改性脂环胺固化剂,在中温固化条件下的钢2钢粘结剪切强度均高于在常温固化条件下的钢2钢粘结剪切强度。这说明:在中温固化条件下,有利于胶层固化程度的提高,随着固化程度的提高,胶层的粘结强度增大。

将经过常温固化试件分别经过沸水浸泡3d ,7d ,测试其浸泡后的钢2钢粘结剪切强度。图3为常温