水下环氧树脂固化剂在水利工程应用中的技术与性能

王卫军

摘要：传统的固化剂只适用于干燥的粘接物上，随着我国固化剂的不断更新、升级，水下也可以是用固化剂。本文将主要研究水下环氧树脂固化剂应用于水利工程中，因为水利工程的发展能够对我国的经济、生活起到直接的促进作用。本文通过实验研究的方法，研究七种不同的水下环氧树脂固化剂的黏度、凝胶时间、拉伸剪切强度和压缩强度，每种固化剂都有其各自的不同性能。研究结论表明：胶粘剂的黏度与剪切破坏应力成正比关系，所以需要将高黏度和低黏度的固化剂进行复配，制作出黏度小、剪切破坏应力大的胶粘剂;凝胶时间在1h左右是最为合适的，301P固化剂的凝胶时间正好为1h;301P和810这两种固化剂的剪切强度最大;胶粘剂的压缩强度普遍比剪切强度要高。综合7种固化剂的性能，可以得出301P固化剂较为适合应用于水利工程中，能起到很好的粘接性能，而且也有利于施工。

关键词：水利工程;水下环氧树脂固化剂;性能

中图分类号：TQ323.5 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0005-04

水利工程在我国扮演着越来越重要的角色，直接对我国的人民生活起到直接或间接的影响，对我国的经济发展也起到一定的促进作用。随着科学技术的快速发展，对水利工程的要求也越来越高。胶粘剂在建筑行业中应用较为广泛，但是胶粘剂比较适合应用于干燥清洁的物体上，对于水利工程使用胶粘剂还不够成熟。一般的环氧树脂固化剂也只适合于用在干燥的环境中，当粘接表面遇到水时就会对粘接强度起到很大的降低影响，最糟糕的情况就是无法进行粘接。所以水下施工固化结构胶作为建筑结构胶中特种，能够在水下进行施工，并且能够起到粘接固化的作用，能够在水利工程或者其他带水的粘接工程中使用[1]。

就目前国内外而言，环氧树脂固化剂的种类还不是很多，有亲水性水下固化剂和憎水性水下固化剂两大类[2]。其中亲水性的有I965，憎水性的比较多，有1363B、810等，对于每种固化剂而言，都有其不一样的特性。固化剂的作用就是起到固化的作用，一般情况下是作为添加物加入到其他的胶粘剂、涂料等物质中作为固化作用。所以研究环氧树脂固化剂的性能是通过研究胶粘剂进行的，因为胶粘剂中的一个主要成分就是固化剂，当然还有其他的填料、偶联剂等成分。但是水下固化剂基本上是决定了胶粘剂的水下性能。

本文通过研究7种不同的固化剂，研究它们的黏度、凝胶时间、剪切强度和压缩强度，比较哪种固化剂更适合应用于水利工程

1 实验部分

1.1实验材料和仪器

实验所用到的主要材料有：固化剂，环氧树脂，增韧剂，偶联剂，促进剂，填料。本文选择了几种固化剂，分别为：JA-IS、Surwet-R、1965、P117、301P、1363B、810。研究这几种固化剂目的在于检验不同的固化剂的水下性能。

实验所用到的主要仪器有：电动搅拌机，用于将材料进行均匀搅拌;旋转黏度计，测量固化剂的黏度;电子天平，用来按照准确的比例混合材料;秒表，用于计算固化剂凝胶时间;万能试验机，用来测试胶粘剂的压缩强度和拉伸剪切强度;研磨机，用来将材料进行研磨粉碎。通过对这些仪器的使用，能够检验水下环氧树脂固化剂的性能。

1.2实验制备

由于固化剂是发生固化的必要添加物，一般不能单独进行使用，都是加入到胶粘剂、涂料等作为固化作用。所以本文研究环氧树脂固化剂也是通过将其加入到胶粘剂中进行分析其性能。胶粘剂的必要组成成分是固化剂，在制备胶粘剂时首先将环氧树脂、填料和增韧剂按照一定的比例用电动搅拌机进行搅拌，然后将其用研磨机进行研磨1h后，作为一组备用材料，也称为甲组分;再就是将固化剂、填料和促进剂等也按照一定的比例进行均匀混合，其中每种固化剂分别与其他成分进行混合，该为第二组材料，也称为乙组分。最后按照一定的说明将两组的备用材料按照一定的比例进行混合，其中因为每组固化剂不一样，所以比例也会出现不一样，需要根据实际的说明进行调配，即可制成七种不同的胶粘剂用于实验。

2 结果与讨论

2.1水下环氧树脂固化剂的黏度

由于固化劑的类型不一样，所以制成的胶粘接的黏度也是存在差别的。通过旋转粘度计的使用，根据GB/T 2794—1995标准[3]，需要选择合适的转速和转子，然后测量七种不同的胶粘剂黏度，其结果如表1所示。从下表中可以看出来，含有憎水性固化剂的胶粘剂相对于亲水性固化剂的胶粘剂的黏度较大。所以对于水利工程，会长期的与水进行接触，所以选择憎水性的固化剂更为适合。

文章假设胶粘剂时黏性流体，即以牛顿模型为理论依据，利用胶粘剂粘接的物体如果受到外力的作用，不会对粘接面产生滑动现象，更不会对界面造成直接的破坏，所以剪切破坏应力公式如（1）所示[4]。

D为转速梯度;υ：构件的移动速度;η为胶粘剂的黏度;h为胶粘剂涂层的厚度;t、x为胶粘剂在受到外力的作用下的移动时间和距离;ε为胶层单位厚度的位移。

从公式（1）可以看出，剪切破坏应力与构件移动速度、胶粘剂涂抹厚度和胶粘剂黏度等有着必要的关系。胶粘剂的黏度与剪切破坏应力成正比的关系，当黏度越来越大时，应力也会越来越大。从表1中可以看出固化剂P117、301P、Surwet-R、1363B这4种的黏度是比较大的，所以从公式（1）可以得出这4种的胶粘剂的剪切破坏应力也会比较强。出现这种现象的原因就是在水下进行胶粘剂的粘接，这种粘接过程可以视为2个过程，①将胶粘剂附着在粘接物的表面进行浸润过程，②水向胶粘剂扩散从而发生结合的过程。当黏度越来越大时，被粘接物的表面胶粘剂就很那对其进行浸润，当粘接面富含有水分时，就会更难对被粘接无进行浸润。从表1中可以看出另外3种固化剂的黏度是比较小的，所以被粘接物的表面用上胶粘剂就容易进行浸润，但是其剪切破坏应力也较小。所以可以将高黏度和低黏度的固化剂进行复配，制作出合适的黏度，既能够让被粘接物的粘接剂能够很好进浸润，又能够达到较高的剪切破坏应力。这样的胶粘剂更有利于水利工程的发展。

2.2环氧树脂固化剂的水下凝胶时间

不同固化剂的胶粘剂固化时间是不一样的，当胶粘剂在水利工程中应用时，如果固化的时间比较长，其粘接环境又是在水下，所以时间过程，其胶粘剂的表面活性剂、固化剂等物质将会与水进行融合，而且填料是属于吸水性也将会失去其作用，水分也会进入到粘接面处，从而将会很大程度的影响胶粘剂的粘接强度和其他的性能;如果固化时间很快，就不利于操作人员施工，还没施工完成就已经固化，这样也是不利于工程质量的，而且固化时间太快，有机胺还没有彻底的反应完全，也不利于水利工程的后期粘接强度。所以说，固化时间过快或者过慢都是不利于胶粘剂的性能，需要制定一个合适的环氧树脂固化剂水下凝胶时间比较重要。

于是通过上文中制备的甲组份和乙组份的比例，看其水下凝胶时间的长短。甲组份和乙组份的比例是根据生产厂家推荐的比例进行调配的。表2即为环氧树脂固化剂的水下凝胶时间。

从表2中可以看出，Surwet-R的凝胶时间为150min，I965的凝胶时间为180min，这两种固化剂的凝胶时间太长，不利于水利工程进行水下胶粘剂的使用，影响胶粘剂的粘接强度。810这种固化剂的凝胶时间为38min，凝胶时间又太短，不利于工作人员的水下施工操作。一般情况下，凝胶时间在1h作用是最为合适的，既能够满足施工人员的操作时间，又能够粘接面的影响较小，能够保障胶粘剂粘接物的粘接强度。

2.3环氧树脂固化剂的水下拉伸剪切强度

在水利工程中运用环氧树脂胶粘剂大部分情况下都会与水进行接触，要想胶粘剂在水下能够发挥较好的粘接强度，必须要解决掉被粘接物的表面存在的水膜，因为这种水膜的存在就会影响环氧树脂胶粘剂的粘接强度，水膜会让胶粘剂很难粘貼在胶粘面处，就难以发挥胶粘的作用，也不利于施工[5]。而且胶粘剂要直接与被胶粘物进行直接的接触才能发挥粘接作用，两者之间隔着水膜，就阻止了两者进行直接的接触，粘接强度就会大打折扣。解决水膜可以通过使用憎水性固化剂进行排除，然后使用吸水性的填料将粘接面的水膜进行吸干，但是这种方式也会存在一定的问题，就是当选择好越强的憎水性的胶粘剂时，这种胶粘剂就很难在粘接表面进行涂抹，对粘接强度也不利。

通过使用万能试验机，可以测得7种环氧树脂固化剂的水下拉伸剪切强度。图1就是其中测得的结果。通过图1柱状图的展示，可以很明显的发现加入301P和810这两种固化剂的胶粘剂的剪切强度时非常高的，而P117的胶粘剂的剪切强度时非常小的。出现这种现象的原因是P117的黏度在这7种胶粘剂中黏度是最大的，憎水性也非常的好，但是也不利于水利工程的水下应用，因为这种胶粘剂的施工难度非常的大。810这种固化剂其他方面的性能都不错，就是其凝胶时间过短，工作人员没有充足的时间用于施工。301P这种的固化剂比较适合水利工程的水下应用，因为这两种固化剂的剪切强度比较高，而且其凝胶时间也不长不短，正好是最优的1h，并且本身具有一定的憎水性。

2.4环氧树脂固化剂水下压缩强度

水利工程很容易收到水的压力，本节通过对环氧树脂固化剂进行压缩强度的测量，能够明确知道其中不同固化剂的最大压缩应力。而且压缩强度是衡量建筑使用胶粘剂的性能的重要方式之一，再加上水利工程的工作环境比较特殊，很多的建筑结构会直接与水进行接触，也会直接收到水对其产生的应力。所以对环氧树脂固化剂的水下压强强度进行实验，能够发现哪种固化剂更合适应用于水利工程。图2即为7种不同固化剂的水下压缩强度实验结果的柱状图。

将图1和图2进行对比，可以看出胶粘剂的水下压缩强度比剪切强度要高，其中只有I965这种固化剂的胶粘剂的压缩强度比剪切强度低，出现这种现象的原因在于在进行压缩实验时，不会受到水膜对粘接面粘接的影响，只需要固化剂的憎水性比较好，就能够达到压缩强度比较大的现象。

3 结语

综上所述，水下环氧树脂固化剂是一种能够加入到胶粘剂中用做水利工程的物质，在水下也能够起到很好的粘接效果，相对于传统的固化剂，这种水下环氧树脂固化剂的适用范围更加的广阔，在水利工程能够发挥很好的作用。通过本文对七种固化剂的性能研究，可以反应出不同的固化剂会有不同的水下性能，有的固化剂的黏度较小，有的固化剂黏度较大，都不适合于应用在水利工程中，但是可以将黏度大的和黏度小的固化剂进行配置，从而制出黏度较为适中的固化剂。从实验中可以看到，Surwet-R和I965的凝胶时间都太长，一般最优的凝胶时间在1h作用，所以301P和JA-IS的凝胶时间是最佳的，但是JA-IS拉伸剪切强度比较小，在水利工程中不能承受较大的剪切强度。所以综合来看，在这7种固化剂中，301P这种固化剂的综合性能比较好，在水利工程中更能起到很好的粘接强度和到达其他的性能要求。

参考文献

[1]刘秀.水下施工固化环氧建筑结构胶粘剂制备与应用[D].大连理工大学，2012.

[2]王丰.水性环氧树脂涂料固化剂的合成及性能研究[D].湖南大学，2004.

[3]张楠，张艳维，余尚兵.MF改性的淀粉胶黏剂的合成与性能研究[J].广东化工，2017（17）：34-35.

[4]侯发亮.建筑结构粘结加固的理论与实践[M].武汉大学出版社，2003.

[5]孙伟，高建明，秦鸿根.钢纤维混凝土界面粘结强度的研究[J]硅酸盐学报，1985（3）：38-46.