填料对桥梁加固用环氧树脂胶粘剂性能的影响研究

林 浩，周秀茹

（1.山西省交通科学研究院，新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西 太原 030006；2.太原师范学院教师教育学院，山西 晋中 030619）

随着重型车辆荷载不断增加、交通量不断增大，人们对桥梁结构强度和安全性能要求的提高，地震、泥石流等自然灾害频发等因素，现有新旧桥梁维修加固等面临更高的要求和挑战。环氧树脂（EP）胶粘剂具有优异的性能，在胶粘剂、加固补强和涂料等领域得到广泛应用[1，2]。日本等国家，地震频发引起桥梁的修复加固，推动了EP胶粘剂等结构胶的迅速发展[3]。填料在EP胶粘剂中所占比例较大，填料的性质将严重影响EP胶粘剂的整体性能。我国桥梁横穿山川、河流，服役环境错综复杂，桥梁加固维修环境可概括为3种典型环境，第1种以北方地区干旱少雨，空气干燥为代表；第2种以沿海地区高潮湿、多洪涝环境为代表；第3种以桥墩、基础等水下环境为代表。这就要求在不同的维修加固环境，EP胶粘剂与性质各异的填料配合使用，以满足各种加固环境的要求[4～6]。EP胶粘剂中添加无机填料能进一步改善EP胶粘剂的疏水性和韧性等性能，降低EP胶粘剂的热线胀系数和收缩率，提高EP胶粘剂的粘接性、耐老化性和耐磨性，并延长其服役寿命[7，8]。另外，无机填料能降低EP胶粘剂用量，降低EP胶粘剂配方的原料成本[9]。研究无机填料改性EP胶粘剂，对提高EP胶粘剂的力学性能、降低EP胶粘剂原料成本具有重要意义。

目前，国内外有很多专家对EP胶粘剂中添加各种无机填料进行了深入的研究，Pluart等[10]利用蒙脱土作为环氧树脂填料，来调节EP固化物的硬度和韧性，并且保持其玻璃化转变温度。刘涛等[11]研究表明，EP胶粘剂中添加适量活性硅微粉，可提高EP固化物的综合力学性能，有效降低配方成本。普通硅微粉对EP胶粘剂力学性能影响较小，对其提纯后，吸油值和比表面积都显著增大，可有效提高EP胶粘剂的弯曲强度和拉伸强度。唐明等[12]用纳米二氧化硅改性环氧树脂E44，有效地提高了锚固用EP胶粘剂的界面粘接效应和耐介质性能。蛭石、膨润土和高岭土等层状硅酸盐可提高环氧树脂的机械性能、阻燃性能和隔热性能[13～16]。 辛社伟[17]研究了滑石粉、蒙脱土作为EP胶粘剂的填料，对水下EP胶粘剂固化物拉伸剪切强度的影响。聂亚楠等[18]研究表明，石棉纤维、二氧化硅和水泥等填料可提高EP胶粘剂黏度，提高其触变性、力学性能和粘接性能。

上述研究在填料对EP胶粘剂性能的影响研究方面取得了一定成果，但大部分研究仅考虑了EP胶粘剂在空气中使用的情况，没有系统研究不同无机填料改性的EP胶粘剂在空气中、湿面及水下施工环境固化性能和粘接性能的不同，更没有对其影响机理进行深入分析。

本文考查7种无机填料（硅微粉、高岭土、膨润土、滑石粉、碳酸钙、水泥和粉煤灰）配方的EP胶粘剂在3种不同施工及固化环境下（空气中施工空气中固化，湿面环境施工水下固化及水下施工水下固化）钢对钢拉伸剪切强度的规律，结合7种填料的主要成分、密度和与EP胶粘剂的相容性，分析影响EP胶粘剂钢对钢拉伸剪切强度的主要因素，提出针对不同施工及固化环境条件下，对应的EP粘接性能最好的EP胶粘剂填料。揭示填料成分、密度及EP胶粘剂的相容性3种因素与EP胶粘剂在空气中施工空气中固化，湿面环境施工水下固化及水下施工水下固化性能之间的内在联系及基本规律，从而对无机填料对EP胶粘剂在不同施工及固化环境下的固化性能的研究提供理论依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

环氧树脂（E-51），工业级，蓝星化工新材料股份有限公司；1622T固化剂，QSP24F型增韧剂，工业级，北京金岛奇士材料科技有限公司；电工级活性硅微粉，河南郑州市金石耐材有限公司；工业级煅烧高岭土、膨润土、滑石粉、活化重质碳酸钙、水泥和粉煤灰，太原市永翔顺商贸有限公司；100 mm×25 mm×1.8 mm型C45#钢片，南京五金有限公司。

1.2 仪器及设备

GDW4025型高低温试验箱，上海基玮试验仪器设备有限公司；试验用分散机（FS-0.4），秦皇岛亿利化工机械有限公司；喷砂机（6050E），温州市百辉机械有限公司；微机控制电子万能试验机（CMT4304），美特斯工业系统有限公司（中国）；电子天平（LT3001E），常熟市天量仪器有限责任公司。

1.3 结构胶的配方组成

A组分中环氧树脂、填料，增韧剂、稀释剂、消泡剂、分散剂和触变剂按表1配比混合，高速分散机均匀分散40 min，立即用三轴研磨机研磨3遍，所得A组分配方均匀细腻，触变性较好；B组分固化剂按比例加入A组分中，分散至胶体均匀细腻，真空搅拌脱泡。

1.4 试样制备及测试

拉伸剪切试件按照GB 7124—2008《胶

表1 结构胶配方比例Tab.1 Composition of structural adhesive

粘剂拉伸剪切强度测定》要求，宽度为25 mm，粘接面搭接长度为12.5 mm的钢对钢拉伸剪切试件。在钢片粘接端12.5 mm处用铅笔画一横线，然后用喷砂机将钢片粘接端油污和铁锈打磨干净，露出崭新的金属表面。对于空气中施工及空气中固化的钢对钢拉伸剪切试件，试件成型及养护均在室温23 ℃环境下进行，试件养护7 d，立即测试，测试后的试件如图1A，钢片表面无铁锈；对于湿面施工且水下固化的钢对钢拉伸剪切试件，按照GB 50728《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》中，湿面施工、水下固化型结构胶基本性能鉴定要求方法操作，A、B组分提前置于5℃的高低温箱养护0.5 h，并在高低温箱内5℃环境下进行拌胶，立即对湿毛巾擦拭过的钢片进行粘接，固定好粘接端，水下养护7 d，空气中晾干3 d后，水下再次固化30 d后，立即测试，测试后的试件如图1B，钢片表面锈蚀严重；对于水下施工且水下固化的钢对钢拉伸剪切试件，A、B组分提前置于5 ℃的高低温箱养护0.5 h，并在高低温箱内5 ℃环境下进行拌胶，将钢片置于水下，并在水下进行粘接及固定操作，水下养护40 d后，立即测试，测试后的试件如图1C，钢片表面锈蚀严重。

2 结果与分析

图1 测试后试件样图Fig.1 Specimen appearances after testing

表2为不同填料胶粘剂力学性能。

由表2可知，空气中施工空气中固化的EP胶粘剂中，第3组固化性能最差，原因是膨润土密度较小，吸油性较大，且与EP相容性较差，第4、5和6组达到GB 50728—2011中以混凝土为基材，粘接钢材用结构胶基本性能A类胶标准值，原因可能是滑石粉、碳酸钙及水泥在EP中分散均匀，相容性好。

湿面施工、水下固化的EP胶粘剂中，只有第3组未达到以湿面施工、水下固化型结构胶基本性能鉴定要求鉴定合格指标。第1组和第6组湿面施工、水下固化性能较为突出，原因可能是膨润土密度小，且金属离子含量高，易溶于水，而硅微粉表面疏水，所以水汽对其影响较小，水泥在水汽作用下发生硬化，其力学性能进一步提高。

表2 不同填料胶粘剂力学性能Tab.2 Mechanical properties of epoxy resins filled with different fillers

水下施工水下固化的EP胶粘剂中，第2、3、6和7组固化性能较差，第1组固化性能最好，可能的原因是第2、3、6和7组中，环氧树脂A组分填料中含有金属硅酸盐，其在水中具有一定的溶解性，导致其亲水性增强，粘接性下降。而第1组，硅微粉的主要成分是二氧化硅，其在水中显示较强的惰性，亲水性较差，且其在EP胶粘剂中分散均匀，是水下施工水下固化结构胶较理想的填料。

水泥作为EP胶粘剂的填料，价格低，且在空气中及湿面施工水下固化环境均能发挥优越的性能，是空气中和湿面施工用EP胶粘剂理想的填料；以硅微粉为填料的EP胶粘剂水下环境剪切强度最大，因为硅微粉属于惰性填料，不和水发生反应，且其在EP胶粘剂中分散均匀；最不适合做EP胶粘剂填料的是膨润土，其在3种环境中均表现最小剪切强度，主要原因是，膨润土吸油性太强，与EP相容性较差，且分散较难。

3 结语

（1）水泥作为EP胶粘剂的填料，价格低，在EP中分散均匀，相容性好，不产生沉淀，且在空气中及湿面施工水下固化环境均能发挥优越的粘接性能，是空气中和湿面施工水下固化环境用EP胶粘剂的理想填料。其在水下施工水下固化环境，性能较差，其主要原因是在高含水量的环境，水泥与水发生水化反应，降低了EP固化物的粘接性能。

（2）硅微粉不和水发生反应，且在EP胶粘剂中分散均匀，不产生沉淀，其作为EP填料在水下施工水下固化环境表现出优异的粘接性能。

（3）以膨润土为填料的EP胶粘剂在3种环境中均表现最小抗剪强度，主要原因是，膨润土在EP中分散较难，相容性较差，吸油性强，降低了EP固化物的粘接强度。

（4）以水泥作为填料的EP胶粘剂，其在干燥的空气中及湿面环境均表现出优异的粘接性能，可用于无明水存在的桥梁加固环境中，其存在水下粘接强度较弱的缺点，不适合用于有水环境的桥墩、基础等环境加固。

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