组合填料对建筑结构胶力学性能的影响

乔易飞

（新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830011）

建筑结构胶作为一种具有粘接性能好、良好耐疲劳和耐腐蚀等特性的粘接材料，在建筑结构加固和改造工程中有较为广泛的应用，如粘钢接骨、密封灌缝和植筋锚固等［1-2］，尤其是随着近年来城镇化建设的发展和老旧社区的更新改造，建筑结构胶的需求得到了迅速释放，也给建筑结构胶带来的巨大的发展机遇。然而，目前国内市场上应用较多的建筑结构胶主要依赖于进口，国内虽然也有少数厂家投资进行了建筑结构胶的开发与生产，但是整体质量和稳定性与国外进口结构胶还有一定差距［3-5］。较为典型的问题是，国内应用较多的环氧树脂结构胶存在脆性较大，无法满足建筑施工对强塑性的要求等［6-7］，较为可行的方法是对环氧树脂结构胶进行增韧改性处理，而目前这方面的研究报道较少［8-9］。本文尝试以碳酸钙和硅微粉为组合填料，并考察组合填料含量对建筑结构胶抗压性能和拉伸性能的影响，以期开发出具有高强塑性的建筑结构胶，并有助于推广其在建筑领域的应用，逐步取代进口产品。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

E-44双酚A型环氧树脂（色泽号6、40℃时粘度为2250MPa•s、软化点16℃、环氧值0.42eq/100g），上海凯茵化工有限公司；聚酰胺（粘度17500MPa•s、胺值420、可使用时间5h），定远县丹宝树脂有限公司；593型固化剂（粘度100MPa•s、胺值550、可使用时间3h），济南百进化工科技有限公司；偶联剂为 KH-550硅烷偶联剂（无色、密度0.96g/cm3、沸点218℃、闪点98℃），济南英出化工科技有限公司；稀释剂为501丁基缩水甘油醚（粘度4mPa•s、环氧值0.4eq/100g、有机氯0.05eq/100g、无机氯0.001eq/100g，初馏点128℃），济南易盛树脂有限公司；碳酸钙（粒径80nm、比表面积30m2/g、纯度99.9%），山东今朝化工有限公司；硅微粉（粒径2500nm、纯度96.8%），山东今朝化工有限公司。

1.2 试验设备

AT21型电子天平，梅特勒-托利多集团中国公司；LHTLHT 6/30型烘箱，弗尔德(上海)仪器设备有限公司；MTS-810型万能拉伸试验机，美国MTS公司；YYU-10/50型电子引伸计，钢研纳克检测技术股份有限公司。

1.3 试件制备

固化剂为体积比3：2的聚酰胺和593型固化剂经过搅拌和消泡后得到的混合物；填料为质量比1：1的碳酸钙和硅微粉混合物；建筑结构胶力学性能测试试件根据GB/T 2567-2008《树脂浇铸体性能试验方法》进行制作，固化剂、偶联剂和稀释剂分别占环氧树脂的1/2（1/3）、5%和10%，组合填料含量介于3%~15%之间。结构胶液进行搅拌和消泡后转入定制模具中，60℃/0.5h固化后脱模，然后进行室温7天固化处理。

1.4 测试与表征

拉伸性能和抗压性能：根据GB/T 2567-2008，在拉伸试验机上进行了抗压性能和拉伸性能测试，最终结果取5组试样的平均值，拉伸和压缩速率都设定为2mm/min。

2 试验结果与分析

图1为7%组合填料的建筑结构胶的压应力-横梁位移曲线。典型抗压过程中的压应力-横梁位移曲线可分为OA、AB和BC三个阶段：（1）OA阶段的压应力-横梁位移曲线下凸，其曲线变化主要与结构胶的弹性变形有关，此时结构胶表面会呈现逐渐有表面鼓面的现象；（2）AB阶段的压应力-横梁位移曲线上凸，这个过程中的弹性变形和塑性变形同时存在［10］，结构胶试件表面会逐渐鼓起，并在B点时达到抗压强度最大值，局部会出现细小裂缝；（3）BC阶段对应结构胶试件的压应力减小阶段，这个过程中，结构胶内部裂纹等逐渐增多，抗压强度逐渐减小，待抗压强度降幅较快、内部裂缝较多时（位置C处）停止加载。

图1 7%组合填料的建筑结构胶的压应力-横梁位移曲线（固化剂占1/2）Fig. 1 Compressive stress beam displacement curve of building structural adhesive with 7% composite filler (curing agent accounts for half)

图2为不同组合填料占比的建筑结构胶的抗压强度测试结果。对于未添加组合填料的结构胶试件，固化剂占比为1/2和1/3时的抗压强度分别为63.48MPa和62.24MPa；当组合填料占比为3%时，固化剂占比为1/2和1/3时的抗压强度分别为77.46MPa和76.36MPa；当组合填料占比为5%时，固化剂占比为1/2和1/3时的抗压强度分别为83.32MPa和79.49MPa；当组合填料占比为7%时，固化剂占比为1/2和1/3时的抗压强度分别为79.03MPa和80.92MPa；当组合填料占比为10%时，固化剂占比为1/2和1/3时的抗压强度分别为75.74MPa和78.07MPa；当组合填料占比为15%时，固化剂占比为1/2和1/3时的抗压强度分别为74.32MPa和76.54MPa。可见，随着组合填料占比从0%增加至15%，固化剂占1/2和固化剂占1/3的结构胶试件的抗压强度都呈现先增加后减小的特征，相应的抗压强度最大值分别出现在组合填料占比为5%和7.5%时，组合填料占比5%、固化剂占1/2的结构胶试件的抗压强度最大，而组合填料占比达到7.5%及以上时，相同组合填料占比且固化剂占1/3的结构胶试件的抗压强度要大于固化剂占1/2的结构胶试件。此外，添加有组合填料的结构胶试件的抗压强度都高于未添加组合填料的试件。图3为不同组合填料含量的建筑结构胶的拉应力-横梁位移曲线，分别列出了组合填料为5%和15%时的加载曲线，固化剂占1/2。当组合填料占比为5%时［图3(a)］，建筑结构胶的拉应力-横梁位移曲线中也可见典型的三阶段特征，分别为OA阶段的弹性变形阶段、AB阶段的弹性变形和塑性变形共存阶段，以及BC阶段的拉应力降低阶段，在加载进行到位置C时，结构胶试件发生断裂。当组合填料占比为15%时［图3(b)］，结构胶试件的拉应力-横梁位移只有前两个阶段，即在开始阶段拉应力随着横梁位移增加而增大，结构胶试件表现为弹性变形特征；第二个阶段的拉应力会随着位移增加而持续增大，结构胶试件同时发生弹性变形和塑性变形，当达到抗拉强度最大值时突然断裂，拉伸试验结束；当组合填料占比为15%时的拉应力-横梁位移曲线中未见载荷降低的第三个阶段，这主要是因为此时组合填料较多，结构胶试件制备过程中会形成较多的气泡等缺陷［11］，从而在结构胶试件内部产生局部应力集中，在加载过程中应力集中处易于萌生裂纹并快速扩展直至断裂［12］，这也是不同组合填料占比时结构胶试件的加载过程的不同之处。

图2 不同组合填料占比的建筑结构胶的抗压强度Fig.2 Compressive strength of building structural adhesive with different proportions of composite fillers

图3 不同组合填料含量的建筑结构胶的拉应力-横梁位移曲线Fig. 3 Tensile stress beam displacement curve of building structural adhesive with different composite filler content

图4为不同固化剂占比的建筑结构胶的抗拉强度-组合填料含量曲线，表1中同时列出了不同组合填料含量和固化剂占比的结构胶试件的抗拉强度和断后伸长率测试结果。可见，固化剂占比1/2和1/3时，结构胶试件抗拉强度都在组合填料含量为3%时取得最大值；在结构胶中添加3%~15%的组合填料，试件的抗拉强度和断后伸长率可以得到不同程度提高，即在结构胶中添加组合填料有助于提升结构胶试件的强塑性。

图4 不同固化剂占比的建筑结构胶的抗拉强度-组合填料含量曲线Fig. 4 The curve of tensile strength and composite filler content of building structural adhesive with different curing agent proportion

表1 建筑结构胶的抗拉强度和断后伸长率Table 1 Tensile strength and elongation of building structural adhesive

图5为不同固化剂占比的建筑结构胶的拉伸弹性模量和组合填料含量关系曲线。可见，当固化剂占1/2时，结构胶试件的拉伸弹性模量整体呈现随着组合填料增加而先增大后减小的特征，在组合填料含量为7%时取得拉伸弹性模量最大值；当固化剂占1/3时，结构胶试件的拉伸弹性模量整体呈现随着组合填料增加而先增大后减小的特征，在组合填料含量为5%时取得拉伸弹性模量最大值。在相同组合填料含量时，固化剂占1/3的结构胶试件的拉伸弹性模量都要高于固化剂占1/2的结构胶试件，这也就说明，固化剂占环氧树脂比例越大则结构胶试件的弹性模量相对越小，刚度和抵抗变形的能力相对较小；此外，在结构胶试件中添加3%的组合填料就可以使得结构胶的弹性模量大幅提升，即少量组合填料的添加就可以明显提升结构胶试件抵抗变形的能力。

图5 不同固化剂占比的建筑结构胶的拉伸弹性模量和组合填料含量关系曲线Fig. 5 Relationship curve between tensile modulus and composite filler content of building structural adhesive with different curing agent proportion

综合而言，在结构胶中添加碳酸钙和硅微粉组成的组合填料，可以明显提升建筑结构胶的抗压强度、抗拉强度、断后伸长率和弹性模量，更加有利于建筑结构胶在实际建筑工程中的应用，这主要是因为结构胶弹性模量等的提高有助于粘接试件力的均匀传播，提高整体构件的协调变形作用［13］。

3 结论

（1）随着组合填料占比从0%增加至15%，固化剂占1/2和1/3的结构胶试件的抗压强度先增加后减小，最大值分别出现在组合填料占比为5%和7.5%时，组合填料占比5%、固化剂占1/2的结构胶试件的抗压强度最大，而组合填料占比达到7.5%及以上时，相同组合填料占比且固化剂占1/3的结构胶试件的抗压强度要大于固化剂占1/2的结构胶试件。

（2）固化剂占比1/2和1/3时，结构胶试件都在组合填料含量为3%时取得抗拉强度最大值；在结构胶中添加3%~15%的组合填料，试件的抗拉强度和断后伸长率可以得到不同程度提高。

（3）当固化剂占1/2和1/3时，结构胶试件的拉伸弹性模量整体随着组合填料增加而先增大后减小，在组合填料含量分别为7%和5%时取得最大值。