建设工程常用胶粘剂的发展与展望

王汉民

(青海省教育厅教育项目服务中心，青海 西宁 810008)

胶粘剂又称粘合剂，粘合剂是通过物理和化学的表面粘附作用连接粘接材料的物质，通常能够长期承力和环境影响广泛应用于建筑混凝土领域。应用于受力部件时，一般要求胶接接头所能承受的应力和被粘物本身的强度相当，剪切强度至少为5～8 MPa；常用的胶粘剂包括环氧类、聚氨酯、硅酮、丙烯酸酯类等。根据Markets and Markets公司预测，住房和基础设施行业对胶粘剂和密封剂的高需求将提高整个建筑胶粘剂的消耗量，2015～2020年复合年增长率约为5.13%，到2020年建筑胶粘剂市场的全球市值估计为105.6亿美元左右。本文将概述胶粘剂在建筑混凝土领域的发展历史、种类及应用，并展望建筑结构胶粘剂的发展方向。

1 胶粘剂的发展历史

胶粘剂的发展历史长久，在远古时代人们就以黏土和淀粉等天然物质作为胶粘剂进行简单的粘贴工作，我国万里长城的建造就使用了糯米和石灰混合的胶粘剂。随着时代的发展，生漆和动物胶体开始作为粘接材料来制造木制器物，到1824年时水泥在英国人的手中诞生更是使得建筑的建造进入了新时代。在工业革命后，科技的发展使得有机高分子材料走进人类的视野，人工合成酚醛树脂的出现开启了现代胶粘剂的篇章。20世纪50、60年代初，美国在公路、桥梁、机场跑道等工程中使用了环氧树脂结构胶。20世纪70年代，丙烯酸、聚氨酯等多种性能良好的胶粘剂相继被发明并应用，胶粘剂在建筑混凝土领域的应用快速发展。1958年德国开始化学锚固胶的相关工艺发展，进入20世纪70年代，锚固胶逐渐开始应用在铁道和水利等基础工程领域中，用来实验对建筑混凝土的施工与改造。我国在建筑混凝土领域的应用始于20世纪70年代末，最早是1977年，武汉钢铁公司在4号高炉扩产改造中的梁柱的补强工程中应用了日本产的环氧建筑结构胶。1980年，为了在技术上不被国外卡脖子，我国提出了“建筑结构胶研制及应用技术推广”的课题。3年后，中科院大连化物所联合辽宁建科院一同开发了达到进口胶的性能的一种环氧胶粘剂。1990年《混凝土结构加固技术规范》(CECS 25:90)由中国工程建设标准化协会发布，将建筑结构胶纳入其中。2006年发布了国家标准《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2006)，进一步加快了胶粘剂在建筑混凝土领域的发展。

2 胶粘剂的分类

胶粘剂的组成成为较为复杂，通常而言，基料和固化剂是其中必不可少的部分；而填料、成分。固化剂是通过与基料充分混合，经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使基料发生不可逆的变化过程，成为具有高强度和极佳化学稳定性的材料。填料作为辅料，可以增强基料的胶接强度和耐热等性能，市场常见的填料有铝粉和滑石粉等。抗老化剂、增韧剂等功能添加剂常用来改变基料的胶粘剂性能或给基料赋予耐热、增强等其他功能。根据不同的分类方法可以把胶粘剂分为许多类。胶粘剂的使用需要满足的国家标准，具体如图1所示。

图1 胶粘剂标准体系框架示意图[9]

2.1 按固化方式分类

胶粘剂的固化方式常分为3种，分别是溶剂挥发型、化学反应型和热融型。溶剂挥发型是通过溶剂将具有粘附作用的物质溶解分散，在使用时将其涂敷在连接处后通过加热或环境挥发去掉溶剂从而形成粘接结构，常见的溶剂挥发型胶粘剂有氯丁橡胶、白乳胶灯。化学反应型胶粘剂以-氰基丙烯酸酯为代表的，通过催化或加热胶粘剂，使固化剂与基体反应达到粘附的作用。热融型胶粘剂顾名思义，通过加热使得胶粘剂融化浸润被粘接结构的表界面，在恢复室温后胶粘剂固化并稳定，达到连接结构的粘接作用，常见的有聚丙烯酸酯、PA、聚苯乙烯。

2.2 按材料分类

按胶粘剂化学类型分类可将其分为无机型和有机型。无机胶粘剂的主要成分是无机物及其氧化物，应用温度范围较广(-183～2 900 ℃)，机械性能强，固化时间短收缩小，且生产周期短、价格较低。其缺点明显对酸碱的耐受性差，对粘接的结构有要求，不耐水且较脆。

硅酸盐胶粘剂是以硅酸钠作为基材添加金属氧化物作为功能性填料的无机胶粘剂，硅酸盐胶粘剂安全、耐高温、耐水、对粘接表面的要求低可应用于模具的制作，可以减少模具制作的周期，且不会由于温度升高导致变形和性能下降，提高模具的寿命和精确性。关皓珲等通过添加苯丙乳液和水性聚氨酯进一步提高硅酸盐无机胶粘剂的粘接强度。研究配比、固化条件、温度等因素变化对硅酸盐无机胶粘剂的固化时间和机械性能的影响。用硅酸盐胶粘剂处理硅酸锌-钾硅酸盐涂料防腐钢筋改善钢筋混凝土的防腐性能，也对其涂层的机械性能进行测定。

磷酸盐胶粘剂最优异的性能是其耐高温和粘接强度高，其在多个领域得到应用，如航空、军事等，航天器、空间站等的制造和维护都广泛使用了磷酸盐胶粘剂。在军事上，坦克的外壳损伤修复，如果使用焊接会使外壳材料变形强度下降，用磷酸盐胶粘剂修复可以避免这些不利的因素。开发了磷酸盐处理技术使航空金属的表面形成防腐蚀涂层且无需后处理。磷酸盐胶粘剂可以提高耐蚀、耐磨性常用于设备维护、密封维修，如设备的挂痕、裂纹，破损零件的粘接修复。磷酸盐胶粘剂具有耐高温和高粘附性也被用于耐火材料的粘接。

硫酸盐胶粘剂的粘接性能是由石膏(2CaSO·HO)同水发生还原反应固化而产生一定黏性的。绿色环保，从合成生产到使用各阶段均无废弃物产生，在目前环境保护意识越来越重视的情况下，硫酸盐胶粘剂的发展前景广阔，在工业上也被用于建筑建造的重金属粘接。

有机胶粘剂是以有机高分子材料(多为合成树脂)为基体材料，更具使用需求添加一定的固化剂、增塑剂、稀释剂等配置而成的可以将制件或材料连接在一起的物质。有机胶粘剂的应用从日常生活到工业生产均有应用，种类也日益增加。

丙烯酸酯胶粘剂的基料以丙烯酸酯类单体为主，能够在室温条件下快速固化，操作简单、粘接强度高、对粘接表面的要求低；但其缺陷也很明显，如气味大、不耐水、存储性能差、不适用于大面积的粘接。其常用于汽车玻璃的密封、电气设备的粘接、建筑小型结构的粘接等。

环氧树脂胶粘剂是环氧树脂作为基料添加多种功能性助剂的粘接剂，其对多种极性材料如金属、水泥、塑料等粘接力强、粘接强度高、收缩小、耐腐蚀及介电性能好、耐老化、生产简单，且与多种有机物(单体、树脂、橡胶)和无机物(如填料等)具有很好的相容性和反应性，易于配方设计和改进；缺点：固化物的抗冲击、抗剥离、抗开裂性能差，脆性较大、对极性小的材料如聚丙烯等的粘接性能差。其常用于建筑结构防腐蚀、设备防腐蚀、混凝土结构修复等。

酚醛树脂胶粘剂是以酚类与醛类缩聚反应生成的树脂作为基料添加多种功能性助剂的粘结剂。优点：粘接强度高、尺寸稳定性好、价格低；缺点：韧性差、收缩大、受化学品腐蚀。其最大的应用是木材加工业，尤其是木制家具。

脲醛树脂胶粘剂是以尿素和甲醛聚合反应生产的树脂作为基料添加多种功能性助剂的粘结剂。其具有耐水、耐化学药品侵蚀、工艺简单、价格低廉的优点。由于其会释放甲醛等危害人体的气体其使用逐年减少。

2.3 按用途分类

按胶粘剂的用途分类，可分为机械、电子、建筑、航空航天胶粘剂4大类。其中建筑领域的粘合剂可分为建筑胶粘剂和装饰胶粘剂。装饰胶粘剂多用于墙外瓷砖的粘贴、玻璃幕墙的玻璃与钢支撑结构的结合、地下室的防水填缝处理、室内装修等。建筑结构胶粘剂多用于大型钢筋混凝土砌体结构的材料粘接、建筑预制结构的制备、钢架结构的粘接等。

2.4 按基料分类

根据胶粘剂的基体材料的种类可分为环氧、聚丙烯酸酯、聚氨酯、烯类等胶粘剂。环氧树脂分子结构中含有环氧基团，具有优良的粘接性能、耐腐蚀、电绝缘性能和机械性能好，在金属/金属、金属/非金属、非金属/非金属的界面均表现出优秀的粘接性能，是建筑结构胶粘剂常用的主要原料。环氧树脂的性能好是由于其结构中不同的官能团提供了不同性能。基于环氧树脂的高强度和化学稳定性，在许多领域都有较广的应用。室温环境的固化温度和良好的粘接力，以及高的拉伸强度使其多用于混凝土结构拼接、修补、粘钢及粘贴碳纤维布加固等工作。环氧树脂胶粘剂还可以通过添加添加剂和改性增加其功能性，添加增韧剂可以提高韧性，环氧树脂的主体树脂为双酚A型时，其耐热性更好。但环氧树脂胶粘剂的缺点是相对其他胶粘剂其成本较高。

聚氨酯胶粘剂主体以多异氰酸酯和聚氰胺基甲酸酯为主，多异氰酸酯的分子极性较高，带有的高碳不饱和键使得多异氰酸酯分子具有高活性，可与羟基、氨基、羧基等活性基团反应，使得聚氨酯胶粘剂可以实现对陶瓷、皮革、金属、玻璃等多种材料的粘接。其优点是可以通过调节分子链中的结构和比例，调节其硬度和伸长率，固化温度区间较宽，固化无副反应，低温和超低温性能良好，可在-196～-253 ℃下使用。

烯类高聚物胶粘剂的基材为烯类高聚物，以聚乙酸乙烯酯和聚丙烯酸酯最为常见。其中，聚乙酸乙烯酯类胶粘剂又称为白胶，在对多孔材料粘合性方面表现出出色的粘接能力，固化温度较低、操作简单、环保、不燃烧。也具有明显的缺点：在潮湿环境下易开胶、软化点低、抗冻性差。而聚丙烯酸酯类胶粘剂的优点是颜色较淡、耐腐蚀、不易变色，可以根据需求改变性能。

3 胶粘剂在建筑领域的应用

胶粘剂在建筑工程中起到很重要的作用，在瓷砖、壁纸、隔音材料的装配需要使用胶粘剂进行粘接。卫生间的防水密封、玻璃的安装、缝隙的密封都用到胶粘剂。建筑结构的修补加固，如：道路由于温差变化、干湿变化及负载等会造成开裂、变形等损坏，在修复时由于新旧混凝土存在性能差异使用胶粘剂提升修复效果；对建筑的承重结构用胶粘剂粘接钢筋或纤维等进行补强。水泥在粘接前，需要清理粘接物体的表面避免粘结剂的性能劣化。石材的粘接过去经常使用不饱和聚酯类胶粘剂，但不饱和聚酯类胶粘剂的耐水性差、不耐紫外线，目前被改性环氧树脂取代，可以提高粘接结构的抗拉强度，可改善粘接性能，提高工程质量。玻璃较其他材料的膨胀系数较大，且玻璃脆性较大，为防止冷热变化导致玻璃破碎，粘接用的胶粘剂应能够弹性较好，硅酮胶粘剂的断伸长率能达到2倍，反复拉伸的伸长率也能达到25%～40%。粘接玻璃的胶粘剂还可以使用环氧树脂、聚氨酯等胶粘剂。玻璃粘接前，必须清理表面保持清洁，要求较高时需要进行表面处理添加底漆。木制建筑因人们提倡的绿色环保、注重健康的理念得到人们的喜爱，而木制建筑的建造离不开胶粘剂的使用。木制材料会因为吸湿和干燥造成体积变化，因此需要胶粘剂的柔韧性较好，同时木制材料在粘接前表面需要彻底清理，有时需要表面处理。塑料通常使用有机粘剂粘接。复合材料中采用碳纤维作为加强材料时采用环氧树脂结构胶进行粘接。建筑物裂缝的修复，清除裂缝中的碎石和灰尘等杂质，用环氧树脂胶粘剂密封裂缝修复的接缝。水下工程的防水密封也采取水下胶粘剂，主要用α-氰基丙烯酸胶粘剂、环氧树脂类胶粘剂等。常用水下环氧胶粘剂的基本配方，如表1所示。

表1 水下环氧胶粘剂的基本配方[25]

4 结语

胶粘剂的应用领域广、前景辽阔，现在大量使用的胶粘剂还存在着不足含有一定的挥发性溶剂，这样会危害人体健康或破坏大气层。在环保和健康问题愈加看重的今天，对建筑混凝土胶粘剂的要求加强，会采用高科技等纳米复合材料不断改善建筑胶粘剂的缺陷，向更环保、无公害、高性能、固化快的胶粘剂方向发展。其中，生物胶质的环保胶粘剂已在建筑、木结构等广泛应用；在建筑混凝土领域也会有很大的发展空间。特别是纳米胶粘剂、无溶剂胶粘剂、高性能的无机胶粘剂等也是建筑混凝土领域的发展方向。同时，建筑领域的胶粘剂性能、技术、工艺会随着时代的进步更上一层楼。