一种新型化学锚栓用胶粘剂的制备与性能研究

陈晓龙，朱华

（苏州市姑苏新型建材有限公司，江苏省高性能建筑材料工程技术研究中心，江苏 苏州 215132）

一种新型化学锚栓用胶粘剂的制备与性能研究

陈晓龙，朱华

（苏州市姑苏新型建材有限公司，江苏省高性能建筑材料工程技术研究中心，江苏 苏州 215132）

研究不同种类的稀释剂、固化剂在不同用量下对化学锚栓用胶粘剂抗压强度、拉拔强度、固化时间等性能的影响，通过使用1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、甲基戊二胺和环烷酸铜等原料，制备出一种能低温固化的高强度化学锚栓用胶粘剂，此类胶粘剂主要用于化学锚栓锚固工程中。

化学锚栓；锚固；胶粘剂；甲基戊二胺

0 前言

近年来，后锚固技术作为一种施工简便、效果可靠的新型施工技术，在加固、改建、装修等建筑领域得到了大量运用[1]。后锚固技术目前有2种基本方案：机械膨胀（如膨胀螺钉）和化学锚固。前者锚固强度一般较低，且对基体产生应力不能作为结构性永久定位，但价格低，可用于临时性和低强度的固定；化学锚固是通过化学交联固化，使得锚杆和基体相粘接，从而达到锚固的目的，这种方法也被称为“整体锚固法”，俗称“化学锚栓”，一般应用在结构永久性固定定位。

化学锚固技术的广泛应用得益于德国的喜利得和慧鱼2家公司，把国外的一些先进的理念带入中国了，并在市场的前期作了大量的推广工作[2]。化学锚栓是靠锚杆与混凝土之间的握裹力和机械咬合力共同作用来抗拔和螺栓本身来抗剪。目前，市场上的化学螺栓大部分应用玻璃管式的药剂管，其中药剂管中装有化学锚固用胶粘剂。但市场上化学锚固用胶粘剂的质量参差不齐，基本都是用价格低廉的不饱和聚酯树脂和苯乙烯配制而成，但在国家的相关规范中不饱和聚酯树脂禁止用于结构性粘结，只能用于非结构的临时定位，所以使用此类化学锚固用胶粘剂将直接影响化学锚栓及锚固的性能。本文研制了一种新型软包装化学锚栓，内部胶粘剂由反应型树脂（环氧甲基丙烯酸类）、反应型稀释剂（环氧基类、甲基丙烯酸甲酯类）、过渡金属促进剂、过氧化物、脂肪胺、抑制剂、填料、触变剂等助剂配制而成，不含不饱和聚酯树脂和苯乙烯，性能符合GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》中锚固型快固结构胶的标准要求。

1 实验

1.1 主要原料

环氧丙烯酸树脂，ARZ-2000，工业级，无锡阿尔兹化工有限公司；稀释剂：1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA），工业级，烟台厚德功能高分子材料有限公司；甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA），工业级，江西瑞祥化工有限公司；苄基缩水甘油醚（692），工业级，安徽新远化工；固化剂：甲基戊二胺，Dytek A，工业级，翁开尔有限公司；引发剂：过氧化苯甲酸叔丁酯，工业级，山东邹平恒泰化工有限公司；促进剂：环烷酸铜，工业级，山东豪辉新材料有限公司；触变剂：气相二氧化硅，工业级；填料：400目硅微粉、800目高岭土、1250目超细硅酸铝、7号石英砂。

1.2 主要仪器设备

JB90-D型强力电动搅拌机，上海标本模型厂；HZFA1000型电子天平，福州华志科学仪器有限公司；YA-3000型液压式万能试验机，上海申克试验机有限公司。

1.3 化学锚栓胶粘剂的配制

甲组分的制备：将30份环氧丙烯酸树脂、2.0～4.0份稀释剂、3.0份过氧化苯甲酸叔丁酯、30份填料和0.5份触变剂按比例混合搅拌均匀，出料即可。

乙组分的制备：将8.0～17.0份甲基戊二胺、0.5～1.0份环烷酸铜、10～20份1.4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、25份填料、1.5份触变剂按比例混合搅拌均，出料即可。

使用时按照m（甲组分）∶m（乙组分）=5∶1混合均匀即可，测试拉拔强度时，将甲组分装入塑料软包装，乙组分装入细塑料软包装中，封装待用。

1.4 性能测试方法

（1）抗压强度：按照GB/T 2567—2008《树脂浇筑体性能试验方法》进行测试，试件成型和养护均在（23±2）℃的环境中进行，养护7 d，进行强度测试。

（2）拉拔强度：按照GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》成型试件，试件成型和养护温度由试验要求确定，按要求养护时间，进行强度测试。

2 结果与讨论

为了提高化学锚栓专用胶粘剂的性能，使用环氧基-胺和碳碳双键-引发的双官能团反应体系，即环氧丙烯酸树脂（ARZ-2000），其中丙烯酸官能团能进行自由基共聚反应，另外的1个环氧基官能团与胺进行开环聚合反应。由于环氧丙烯酸树脂自身黏度很大，需要活性稀释剂对其进行降黏，针对环氧丙烯酸树脂，目前可用的稀释剂主要有2大类：第一类为环氧类活性稀释剂，如正丁基缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚等；第二类为丙烯酸类活性稀释剂，如乙二醇二甲基丙烯酸酯、1，4丁二醇二甲基丙烯酸酯等。

2.1 活性稀释剂对化学锚栓胶性能的影响

选用丙烯酸类1.4-丁二醇二甲基丙烯酸酯为稀释剂，此类含有烯键的稀释剂主要是参与环氧乙烯基树脂中乙烯基引发反应，不会与环氧基团反应。另一类活性稀释剂能与胺反应，选用苄基缩水甘油醚（692）作为胺类反应稀释剂，这种活性稀释剂能有效降低体系黏度，活性稀释剂的基团能与环氧基团反应。研究1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA）和苄基缩水甘油醚用量（相对于环氧丙烯酸树脂用量）对体系抗压强度的影响，BDDMA和苄基缩水甘油醚单独使用，试验结果见图1和图2。

图1 BDDMA用量对体系抗压强度的影响

图2 苄基缩水甘油醚用量对体系抗压强度的影响

从图1可见，随着BDDMA用量的增加，体系的抗压强度不断增大，当BDDMA用量为乙烯基树脂用量的10%，体系的抗压强度达到最大值；继续增加BDDMA的用量，体系的抗压强度开始不断下降。从图2可见，随着苄基缩水甘油醚用量的增加，体系的强度一直下降。由于配方中含有自由基反应和胺类环氧反应，单用BDDMA稀释环氧丙烯酸基树脂，体系以自由基反应为主，反应速度很快，强度也很高。但单用苄基缩水甘油醚稀释环氧丙烯酸基树脂，体系中的胺类环氧反应增加，减少了甲基戊二胺在体系中的含量，引发-促进体系产生自由基能力不足，整个体系随着苄基缩水甘油醚稀释增加，反应变缓，强度不断降低。所以BDDMA和苄基缩水甘油醚都能有效降低环氧丙烯酸基树脂的黏度。

但从图1和图2可以看出，苄基缩水甘油醚不适用于此配方体系，因此只选用1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA）为稀释剂，推荐用量为环氧丙烯酸树脂的10%。

2.2 固化剂对化学锚栓胶性能的影响

上述反应型树脂只有在适当固化剂条件下固化后，树脂胶联成网状的结构，才能体现出优异的物理与力学性能，具有实用价值。本研究选用的环氧丙烯酸反应型树脂含有环氧基和碳碳双键化合物，体系的反应包括环氧-胺的反应和自由基引发反应。所以固化剂体系中必须含有与环氧反应的物质和能产生自由基的物质，所选的胺至少带有2个伯脂族胺基为甲基戊二胺。自由基引发反应中的引发剂选用过氧化苯甲酸叔丁基酯，促进剂选用过渡金属化合物选自Cu，同时环氧与甲基戊二胺反应产生少量叔胺也能作为促进剂，促进引发剂引发，产生活泼的自由基，引发体系反应。在2种固化体系的共同作用下，快速固化树脂体系，体系的各项强度指标符合标准要求。

过氧化苯甲酸叔丁基酯为中高温引发剂，其促进剂复合使用甲基戊二胺和环烷酸铜引发剂。甲基戊二胺在反应体系中2个伯脂族胺基能与环氧基团反应产生少量叔胺，叔胺也能作为促进剂，能活化环烷酸铜（浓度8%），降低产生自由基的温度，加快体系的反应。固定环烷酸铜用量为环氧丙烯酸树脂的0.05%时，甲基戊二胺用量对体系固化时间和抗压强度的影响见图3和图4；固定甲基戊二胺用量为环氧丙烯酸树脂的0.05%时，环烷酸铜用量对体系固化时间和抗压强度的影响见图5和图6。

图3 甲基戊二胺用量对体系固化时间的影响

图4 甲基戊二胺用量对体系抗压强度的影响

从图3可以看出，在甲基戊二胺用量为0时，环烷酸铜（0.05%环氧丙烯酸树脂）促进引发剂的能力是很小的，随着甲基戊二胺的加入，体系固化时间迅速加快，当甲基戊二胺用量在10%环氧丙烯酸树脂的时候，固化时间是5 min左右，这是理想的固化时间，继续增加甲基戊二胺的用量，反应剧烈，固化时间在1 min。从图4可见，随着甲基戊二胺用量的增加，体系的抗压强度逐步增加，当甲基戊二胺用量在10%环氧丙烯酸树脂的时候，抗压强度达到最大，继续增加甲基戊二胺的用量，对提高体系抗压强度几乎没有帮助，反而是由于反应太剧烈，使抗压强度开始下降。

从图3和图4可以看出，应将甲基戊二胺的合理用量控制在10%环氧丙烯酸树脂左右，使体系抗压强度达到最大值，同时具有合适的快速固化时间。

图5 环烷酸铜用量对体系固化时间的影响

图6 环烷酸铜用量对体系抗压强度的影响

从图5、图6可见：

（1）环烷酸铜用量为0时，甲基戊二胺（环氧丙烯酸树脂用量的0.05%）的促进效果有限。随着环烷酸铜用量的增加，体系反应速度加快，抗压强度开始上升；当环烷酸铜用量为0.15%环氧丙烯酸树脂时，固化时间在5 min左右，体系的抗压强度最大；继续增加环烷酸铜用量，体系的抗压不断下降。

（2）树脂反应体系对环烷酸铜的用量很敏感，0.05%用量差别就会使体系的固化速度和强度发生很大的变化。所以含有环烷酸铜的组分一定要精确计量环烷酸铜的质量，将环烷酸铜搅拌均匀，保证环烷酸铜浓度的均一。环烷酸铜用量为0.15%时，能使体系的抗压强度达到最大值。

2.3 温度对化学锚栓胶性能的影响

化学锚栓需要在不同环境温度下使用，环境温度对化学锚栓胶粘剂的固化时间和固化物性能有影响。化学锚栓通过胶粘剂的粘接力和本体强度，增强混凝土与螺杆的连接，目的是使两者能协同工作以承担来自各种荷载产生拉力以及弯矩、扭矩等，这是化学锚栓的作用机理。以M12的镀锌螺杆为实验用螺杆，螺杆的等级为5.8级钢，其理论屈服强度为400 MPa，M12的螺纹钢理论屈服强度为400 MPa，屈服拉力为41.1 kN，设计拉力为23.8 kN。试验模拟实际工程中的化学锚栓操作流程：先用电锤在混凝土上钻孔，打孔直径为14 mm，深度为110 mm，然后将孔中浮灰吹干净，放置在恒温恒湿箱中，同时将化学锚栓胶粘剂和化学螺杆也放置在恒温恒湿箱中，调节温度，放置24 h备用。

在不同温度下，将化学锚栓插入预先打好的孔洞中，接着用电钻快速把Φ12 mm的螺杆转入14 mm的孔洞中，不同温度下养护1 d，测试拉拔强度。本试验使用恒温恒湿箱，将温度恒定在-10～100℃某个温度点（见图7），测试不同温度下化学锚栓胶粘剂的现场拉拔性能。本试验自制的套筒拉拔夹具，其顶端是螺母固定，中间为液压拉拔仪、底部为套筒（见图8）。一般拉拔使螺杆屈服即可，螺杆屈服时螺杆没有破坏，混凝土也没有破坏，不影响化学锚栓的继续使用。为了测试本文研制的化学锚栓的性能，一般会将化学锚栓拉断、拔出或混凝土碎裂。不同温度下化学锚栓拉拔试验结果见表1。

图7 不同温度下化学锚栓胶固化

图8 化学锚栓胶的拉拔试验

从表1可见，拉拔试验的破坏载荷均大于23.8 kN（Φ12的设计值），且环境温度越高，反应越快，破坏的载荷力越大，其中-5～10℃时的破坏形式是螺杆拔出，15～35℃时的破坏形式是螺杆拉断。

表1 不同温度下化学锚栓的拉拔试验结果

针对其中-5～10℃破坏形式是螺杆拔出，本文重新成型拉拔试件，在不同温度下进行养护，测试1、3、5、7 d不同养护时间下的拉拔强度，结果见表2。

表2 养护时间对化学锚栓拉拔试验结果影响

从表2可见，增加养护时间能提高拉拔力，10℃条件下养护3 d，即可将螺杆拔断；0℃条件下养护5 d将螺杆拔断；-5℃需要7 d将螺杆拔断；而所有试件在1 d的拉拔强度都是大于23.8 kN的设计强度，是符合标准要求的。综上，低温环境会影响环氧基-胺和碳碳双键-引发固化体系，特别是其中丙烯酸官能团能进行自由基（共）聚合反应，在低温情况下降低了产生自由基的数量，造成反应不彻底，强度不高。但体系中环氧基官能团与甲基戊二胺在低温下慢慢进行开交联合反应，随着养护时间的延长，反应越彻底，这也是本文配方体系中在低温情况下增加养护时间能提高拉拔强度的原因。

3 结语

（1）选用环氧丙烯酸树脂，其中丙烯酸官能团能进行自由基（共）聚合反应，另外的一个环氧基官能团与胺进行开环聚合反应，有利于提高化学锚栓用胶粘剂的性能。

（2）环氧类活性稀释剂不适用于环氧丙烯酸体系，环氧与甲基戊二胺反应，减少了甲基戊二胺在体系中的含量，降低引发-促进体系产生自由基能力，选用1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯（BDDMA）作为稀释剂，推荐使用量为10%的环氧丙烯酸树脂。

（3）以过氧化苯甲酸叔丁基酯为引发剂，复合使用甲基戊二胺和环烷酸铜为促进剂，建议将甲基戊二胺的用量控制在10%环氧丙烯酸树脂左右，环烷酸铜的用量控制0.15%环氧丙烯酸树脂，使体系强度达到最大值，同时具有合适的快速固化时间。

（4）低温会影响拉拔强度，但延长养护时间能提高拉拔强度，本文研制的化学锚栓用胶粘剂1 d能达到设计的拉拔强度，7 d在-5～35℃均能拔断。

[1]史俊领．浅谈化学锚栓工程施工技术[J]．科技资讯，2010（8）：111-112．

[2]朱麟勇，林建伟、甘水平．力宝-安泰化学锚栓的研制[J]．石材，2003（3）：29-34．

Research on preparation and properties of a novel chemical anchor adhesive

CHEN Xiaolong，ZHU Hua
（Suzhou Gusu New Building Materials Co.Ltd.，Jiangsu High Performance Building Materials Engineering Research Center，Suzhou 215132，China）

This paper studies the effect of different types of diluents and curing agents at different dosage on the compressive strength，pulling strength and curing time of adhesive for chemical anchor use.Through the use of 1，4-butanediol dimethacrylate，methyl pentane diamine and copper naphthenate as raw material，a high-strength low-temperature curing adhesive for chemical anchor use can be prepared for chemical anchor anchoring engineering.

chemical anchor，anchoring，adhesives，methyl pentane diamine

TU58+1

A

1001-702X（2016）12-0036-04

2016-06-06；

2016-09-30

陈晓龙，男，1976年生，江苏苏州人，高级工程师，主要研究方向为新型建筑材料。