环氧树脂在建筑胶黏剂领域中的应用

王 涵，毕治功，宋延安，张 谦

(1.营口市住房和城乡建设局，辽宁 营口 115000；2.神华(福州)罗源湾港电有限公司，福建 福州 350000；3.中国石油吉林石化公司 包装制品厂，吉林 吉林 132000；4.南京三聚生物质新材料科技有限公司，江苏 南京 211500)

现在土木建筑的特点是建材多样轻量化、施工多样化、周期缩短化、抗震及抗风蚀标准提高化、维护保养便捷化，环氧树脂建筑胶黏剂顺应了现代土木建筑的总趋势，近些年来发展迅速，一直向固化要求条件低、低毒、常温固化、高弹性高强度方向发展。其应用从单一的新老水泥黏合和建筑裂缝修补发展到地面、基础结构、装潢及给排水等的施工和维修工程中[1-3]。

环氧树脂建筑胶黏剂用于地面时，其黏接对象包括陶瓷或花岗石-混凝土、金属-混凝土、砂石-混凝土、聚氯乙烯-橡胶-混凝土等，常用于耐腐蚀地坪中的勾缝、地面的防滑及美化净化、地板铺设等；用于基础结构时，其黏接对象包括岩石-岩石、金属-石或混凝土、金属-混凝土、金属-金属等，常用于疏松岩层的补强、基础加固、预埋螺栓和底脚、柱子柱头接头加粗、桥梁加固、路面设施敷设等；用于装潢时，其黏接对象包括金属、玻璃、瓷砖、大理石、有机玻璃等，常用于门窗、招牌、广告牌的安装和装潢；用于给排水时，其黏接对象包括金属、混凝土等，常用于管道、水渠衬里、管接头密封等[4]。

环氧树脂胶黏剂的优点是耐热、耐水、耐腐蚀、电绝缘性能优良、与基体的结合力强，缺点是脆性大、不耐冲击、剥离强度低、双组分使用不方便等，因此出现了很多改性的或复合型的环氧树脂胶黏剂品种。随着表面处理方法、胶黏剂组分、固化条件、胶黏工艺的不同，胶黏剂的性能有很大变化[5-8]。

1 环氧树脂胶黏剂黏接步骤及原理

环氧树脂胶黏剂与被黏材料黏接时有浸润、黏附和固化成型3个步骤。

(1) 浸润原理：环氧树脂的表面张力远远小于金属，极易浸润，环氧树脂结构中既含有疏水的碳氢链段，又含有亲水的羟基基团，因此具有表面活化作用，可以在非金属或金属表面形成单分子膜，充分地进行浸润。

(2) 黏附原理：由于环氧树脂分子中含有羟基、环氧基和醚键等极性基团，可以在极性物质表面产生次价键，也可以形成氢键，产生的化学黏附和物理黏附较强，从而降低了界面张力，显示出良好的黏接性能，形成一个稳定的黏接界面。图1为环氧树脂与金属表面、木材表面间的氢键形成示意图。从图1可以看出，金属表面的氢氧化物、木材纤维素的羟基与环氧树脂分子中的羟基之间有氢键形成[9]。

(a) 环氧树脂和金属表面的氢键

(b) 环氧树脂和木材表面间的氢键图1 环氧树脂和金属表面、木材表面间的氢键

(3) 固化成型原理：环氧树脂是一种相对分子质量不大的预聚体，在固化剂作用下，通过开环加成聚合和交联反应能够形成具有三维网络结构的巨大分子，要把这种结合的环氧树脂分子从固化体上拆开，需要用16.75 kJ/mol的热量去破坏其内聚力。

2 环氧树脂胶黏剂在建筑领域的应用

建筑领域中大多使用双酚A型环氧树脂，尤其经常使用E44和E51型号的环氧树脂，E44和E51型号的环氧树脂物理化学参数如表1所示。

表1 E44和E51型号的环氧树脂的物理化学参数1)

1) 环氧值为100 g环氧树脂中所含环氧基团的物质的量；有机氯为100 g环氧树脂中所含有机氯的物质的量；无机氯为100 g环氧树脂中所含无机氯的物质的量。

2.1 港工混凝土潮差及水下部位修补胶

建筑混凝土及钢筋混凝土建筑物，在长期使用中受到自然条件、施工不当及超载作业等影响，经常会引起某些构件局部损坏，必须及时修补，才能保障正常的生产生活。在潮差及水下部位修补时，胶黏剂必须要接触水，必须要解决环氧树脂遇水乳化和胺类固化剂溶水损失问题[10]。

沥青和焦油都是憎水材料，当环氧树脂中加入适量沥青和焦油时，可对环氧树脂中的极性基团起到保护作用，同时也可减少固化剂溶出，保证了固化的环氧树脂在潮湿和水下对混凝土具有一定的黏接能力，因此，港工混凝土潮差及水下部位修补胶一般采用环氧树脂/沥青(焦油)胶黏剂。环氧树脂沥青及环氧树脂焦油砂浆具有优良的抗冻性能，经300次冻融循环后，混凝土试件的砂浆层已剥落，而修补面及黏接缝完好[11]。

20世纪80年代末环氧树脂/沥青(焦油)砂浆胶又有了改进，主要是用几种固化剂代替毒性较大的多亚乙基多胺，在低温如2～7 ℃下施工，固化剂采用硫脲多元胺缩合物。

2.2 水利工程用潮湿面及水下修补胶

水利工程中渠道渡槽混凝土构件的开裂、隧洞由于磨损和大气侵蚀造成的破坏、混凝土坝廊道的渗漏、引水闸门上黏贴轨等要做到在无水干燥下维修比较困难，这类修补大多采用环氧树脂-聚硫橡胶体系，常用配方(质量份)为：E51环氧树脂 100；相对分子质量为1 000的聚硫橡胶 20～30；顺丁烯二酸酐(MA)固化剂 8～12；2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30) 3～5；填料 300～600。该配方的拉伸强度在干燥状态下为4～5 MPa，在潮湿状态下为3 MPa，在水下状态下为3 MPa。

环氧树脂胶黏剂在建筑工程应用时常遇到冬季低温情况，这时胶黏剂固化缓慢，黏度太大无法进行施工，而且低温时胶黏剂会变脆，因此研究低温快速固化的环氧树脂胶黏剂十分必要，一般通过添加聚氨酯、尼龙、填料、柔性剂等改性剂来实现低温固化。刘雪莲等[12]以低黏度改性双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂为通过对双组分环氧树脂胶黏剂的主体树脂和固化剂进行选择与优化，制备了可低温快速固化的双组分环氧树脂胶黏剂。结果表明，当双酚A型环氧树脂和双酚F型环氧树脂的质量比为1∶1、混合脂肪胺为固化剂、增韧剂聚丙二醇的质量分数为4%时，胶黏剂具有相对较好的低温固化性能，表干时间为30 min，并且可在4 h内硬化；固化2 d后，胶黏剂固化物的冲击强度为10.084 kJ/m2，拉伸强度、拉伸剪切强度和压缩剪切强度分别为25.34 MPa、12.60 MPa和14.90 MPa。丁出[13]以研究潮湿/水下环境固化环氧树脂胶黏剂为目的，选用含有苯酚、壬基酚、间甲酚的混合酚，含有己二胺、三乙烯四胺的混合胺及多聚甲醛为原料，利用Mannich方法合成能在水下固化的环氧树脂固化剂。通过正交实验设计，得出优化的实验条件为：m(酚类)/m(胺类)/m(醛类)=0.7/1.6/1，反应时间为3 h，反应温度为80 ℃。按m(固化剂)/m(环氧树脂)=4/10配制环氧树脂胶黏剂，其相应胶接件的干态、湿态剪切黏接强度分别为10.0～12.0 MPa、7.2～7.6 MPa，室温浇铸样条的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别为57 MPa、116 MPa、15.6 kJ/m2在常温水中以及沸水中的吸水率分别为0.8%～1.5%、2.0%～6.5%。

2.3 混凝土细裂缝灌浆补强胶

由于港工混凝土建筑物常常出现一些深度不一、宽窄不同的裂缝，影响了建筑物的正常使用寿命，因此需要通过补强恢复其整体性。一般情况下，补强后的港工混凝土，拉伸强度不低于2 MPa。环氧树脂型胶黏剂具有高强度、耐水等优良综合性能，但作为灌浆补强需要解决其黏度高、憎水性、脆性大、伸长率低等问题[14-15]。

黄金明[16]认为，在灌浆中通过控制浆液温度来保证浆液的固化效果，温度过高会使浆液反应过快而产生“暴聚”现象，温度过低会使浆液初始黏度高，需要通过升温来加快浆液反应速度；通过改变施工设备及施工工艺来确保灌浆效果；熟悉灌浆材料性能可以保证化学灌浆修补处理及特殊条件下灌浆的效果。

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于腾[17]从设计的6组环氧树脂配方中优选出2组性价比最高的配方。结果表明，只有综合考虑环氧树脂灌浆材料的初始黏度、黏接强度、质量损失率及操作时间等因素，才能达到较理想的灌浆效果；裂缝对混凝土抗渗水性能和力学性能会产生不利影响，裂缝深度和宽度增大会使混凝土渗水速率增大、强度损失率增加，用研制的环氧树脂灌浆材料修补后的渗水试件的密实度优于标准混凝土构件，增加了渗水阻力，降低了渗水速率，抗渗水性能得到提高；环氧树脂灌浆材料对带缝混凝土试件的修复效果与灌浆材料、混凝土裂缝宽度和深度、混凝土强度等级有关。

周应先[18]在分子设计的基础上，通过对合成聚氨酯预聚体影响因素的研究，合成了一定相对分子质量的预聚体，接着将聚氨酯预聚体引入环氧树脂中，合成了接枝聚氨酯/环氧树脂互穿网络聚合物，研究了复合固化剂的配比及总用量、释剂用量和促进剂对接枝聚氨酯/环氧树脂互穿网络聚合物灌浆料力学性能和工作性能的影响。结果表明，聚氨酯预聚体与环氧树脂分子间形成了接枝结构；接枝聚氨酯/环氧树脂互穿网络聚合物灌浆材料的低温稳定性能优于纯环氧树脂灌浆材料；以糠醛/丙酮为复合稀释剂、T31/低相对分子质量聚酰胺为复合固化剂、DMP-30为促进剂时，所配制灌浆材料的综合性能最佳，初始黏度为60 mPa·s，可操作时间为1.5 h，干黏接强度为5.9 MPa，湿黏接强度为3.6 MPa，压缩强度为61.8 MPa，拉伸强度为25.5 MPa。

由于环氧树脂化学灌浆材料黏度小、可灌性好、可以按需要调节浆液固化时间且浆液固化后物理力学指标高，因此环氧树脂化学灌浆材料正越来越多地应用于潮湿和干燥环境中的裂缝修补。

2.4 建筑结构胶黏剂

建筑结构胶黏剂是指用于承重结构构件黏接且能长期承受设计应力和环境作用的黏接材料，广泛应用于各种钢结构构件的黏接加固，包括修复桥梁、老厂房梁柱缺损补强、柱子接长、悬臂梁黏接、水泥柱头接长等。由于建筑领域长期处于黄金期，大型市政工程和特大型工业项目的开工为建筑结构胶黏剂提供了广阔的市场。

刘纪艳[19]通过控制固化剂所占环氧树脂比例、环氧树脂结构胶填料种类和掺混量对常用的环氧树脂结构胶进行改性，确定了断裂伸长率大且强度、弹性模量较高的配方。结果表明，纳米碳酸钙有提高环氧树脂结构胶抗压强度的作用，当固化剂和环氧树脂的质量比为1∶1时，加入质量分数为3%～5%纳米碳酸钙的环氧树脂结构胶的抗压强度提高不明显，加入质量分数为7%纳米碳酸钙的抗压强度为71.34 MPa，比基体抗压强度提高12.6%；当固化剂和环氧树脂的质量比为1∶3时，加入质量分数为3%纳米碳酸钙的环氧树脂建筑结构胶抗拉强度为40.24 MPa，比基体抗拉强度提高16.8%，表明高含量纳米碳酸钙对环氧树脂的拉伸性能并没有促进作用。

林浩[20]考察了触变剂对环氧树脂胶黏剂的力学性能及施工工艺性能的影响。结果表明，触变剂掺量不仅能改善环氧树脂胶黏剂的施工性能，而且对其胶体性能和黏接性能也具有调节作用。当触变剂质量分数为2% 时，环氧树脂胶黏剂的黏度较低，有利于施工；当触变剂质量分数为3% 时，触变指数达到最大。随着触变剂含量的增加，固化的环氧树脂胶黏剂剪切强度出现峰值，合适的触变剂添加量可以增强环氧树脂胶黏剂与被黏物的界面黏接强度。

韩煜等[22]研究了-5 ℃时DMP-30促进剂、气相白炭黑、水泥、硅粉、石棉纤维及偶联剂用量对环氧胶黏剂适用期、流淌性能、力学性能的影响，制备了冬季低温施工条件下无需加热配胶、早期(1 d)抗压强度高的环氧建筑结构胶。

张恩天等[23]研制了一种双组分室温固化型糊状环氧树脂胶黏剂，该胶黏剂具有双增韧机制，即环氧树脂组分采用端羧基液体丁腈橡胶增韧，固化剂采用分子结构内具有多个醚键的胺类作内增韧，可在室温下固化，且具有厚胶层高强度的特性，即胶层厚度在0.1～1.6 mm内可保持剪切强度基本不变，该胶黏剂已用于无人机复材机翼结构件的胶接、各种复材结构件的黏接与修理，取得了良好的效果。彭龙贵[24]开发了一种低黏度且可以在低温条件下快速固化的环氧树脂建筑结构胶黏剂，该胶黏剂可以满足建筑行业冬季施工的要求。

3 展望与建议

近年来，环氧胶黏剂正向着低黏度、高强度、耐冲击、阻燃等特殊用途方向发展，随着社会对水下胶黏剂性能的更高需求，有学者在环氧树脂胶黏剂中加入纳米填料，可以大大提高胶黏层的强度、耐磨性、耐蚀性和其他性能，此方面研究正在受到业内人士关注。

(1) 建议开发低黏度、环保型结构胶黏剂。过去降低物料黏度大多采用环氧树脂与稀释剂混合的方法，但是该方法存在毒性高和皮肤刺激性问题，因此，研究毒性低的环氧化合物作为稀释剂，或者研究不使用稀释剂的环氧化合物，已经成为大趋势。

(2) 开发新型原材料。在不降低使用性能的基础上，用单组分环氧树脂胶黏剂替代双组分，可以大幅度提高施工效率。可以预见，在不久的将来，随着更多新型原材料的应用，环氧树脂胶黏剂的性能将会得到进一步改善

(3) 行业整合。现有的环氧树脂建筑胶黏剂生产企业分散，小规模企业居多，上规模上水平的企业较少，产品质量参差不齐。由于利益驱使及企业自身实力原因，很多小规模生产企业极不规范，既无原料检测工序，亦无成品检测手段，且生产设备简陋，配方随意，产品批次的稳定性差，建议从源头上或市场终端对某些企业的不良行为进行约束，使假冒伪劣产品无法流通。