建筑结构胶粘剂的研究现状与展望

刘知习，张安佶，李胜伟，高云龙

(四川省建筑科学研究院有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

在现代建筑工程中粘接技术被大量的运用，从而粘接所用的建筑胶粘剂得到了广泛的关注。与传统的机械连接方式相比，使用胶粘剂有以下优点：具有良好的力学性和耐候性，可以确保粘结界面的稳定性能；可以使不同厚度、不同材质(如：混凝土-钢，钢-木等)的被粘结物稳固的结合在一起；粘接界面处受力分布均匀，避免应力集中现象的出现；所连接的材料无需修整，使用过程不会对材料本身造成伤害；在预制构件中可以无间隙地填充其由制造公差所产生的尺寸间隙；自身重量轻，不会对结构产生荷载、应力影响；可以节约施工成本。因此，胶粘剂被广泛应用于建筑行业之中。

随着城市发展进入新的阶段，人们对老旧建筑进行加固维修的需求不断扩大。作为必不可少的加固材料-结构型胶粘剂，利用其特性粘接其他材料或植筋等方法对不满足力学性能的建筑结构进行加固，使其达到建筑结构的规范要求，保障了建筑物在接下来的预期服役周期内稳固、安全。根据当前的研究和应用现状，建筑结构胶粘剂主要是以酚类、聚氨酯类、三聚氰胺类、环氧树脂类等传统石油基化合物为原料。但在中国2060年实现碳中和的背景下，近年来胶粘剂的原材料也开始从高能耗、高污染的化工产品向环保型生物基改性天然高分子材料进行拓展。

由于同种原料以不同工艺生产的胶粘剂性能可能完全不同，而同类建筑结构类型对所使用的建筑结构胶粘剂性能要求又基本一致，因此为更适应建筑工程中应用结构胶粘剂，可以按照混凝土结构、木结构、钢结构等结构类型对使用的建筑结构胶粘剂进行分类。

1 混凝土结构加固维修胶粘剂

经过不断的研究与探索，目前的混凝土结构加固方法主要有外粘钢板加固法、增大截面积加固法、置换混凝土加固法、外加预应力加固法、绕丝加固法等，可适应不同的加固场景。在混凝土结构加固改造工程中，出于成本、施工周期、施工后整体质量等原因综合考虑，建筑结构胶粘剂得到了广泛的应用。其中，环氧树脂建筑结构胶粘剂因其微观结构是从非晶态向高交联状态聚集，故不仅其本身具有良好的力学性能，同时也提高了连接基材的粘接强度。此外，环氧树脂胶粘剂还具有固化方法多样、固化收缩率低、润湿性好、耐腐蚀、耐热、耐化学性能等优点，因此成为了混凝土结构加固用胶粘剂的首选材料。同时，由于长期存在工作荷载，建筑结构材料宏观发生形变、微观发生蠕变的现象不可避免。从而在加固工程的研究中，对所使用的胶粘剂蠕变特性也需要重点分析。

肖俊[1]通过分析以丁腈橡胶、糠醛/丙酮和聚氨酯接枝改性环氧树脂胶粘剂对不同修复材料试样的基本力学性能、抗压强度等特性，得到了改性环氧树脂胶粘剂修复混凝土裂缝的最佳配合比例。使用该配合比胶粘剂能够有效提升混凝土结构的整体性能以及使用功能。

姚未来等[2]通过文献调研，分别从材料和结构的角度对混凝土加固工程中所面临的蠕变问题开展论述。首先从材料层次上对混凝土、纤维增强复合材料(FRP)及环氧树脂胶组分的蠕变性质进行分析，然后从试验方法结果和有限元计算理论两个角度对结构层次上的加固建筑混凝土梁的蠕变性质进行分析。肯定了FRP的抗蠕变性能及其改进的方向，并讨论了现有计算混凝土收缩、受压模型的优缺点和本构模型的影响。

HOUHOU等[3]提出了环氧胶粘剂蠕变的影响因素，并通过试验拟合曲线得到了适用于环氧树脂胶粘剂非线性蠕变的本构模型。然后基于此模型对持续拉伸荷载作用下FRP-混凝土双剪试件进行了试验验证和有限元分析。证实了蠕变改变了沿搭接接头的应力分布情况，以及蠕变所造成的有效载荷传递长度略有增加结果。

黄朗宁[4]利用淀粉为主要原料，通过磷酸酯化的方法制备胶粘剂和腻子，并比较淀粉的质量分数与磷酸质量分数对胶粘剂性能的影响，得到在混凝土梁加固中，满足粘接强度规定的环保型建筑加固胶粘剂。

2 木结构成型胶粘剂

木结构成型胶粘剂主要运用于胶合木结构、结构人造板木结构、结构复合木材木结构和工字梁木结构等。其基础材料是以一种新型木制人造板为主，也叫胶合木。该材料通过对短小木条或木块在长度、宽度和厚度的方向上胶合而得到的大规格或大幅面板材，生产工艺对木材原料要求较低，不仅能提高木材的综合利用率，还可以较好地利用木材的优点和克服其缺点，使木材在结构中的应用更为合理。其中胶粘剂作为木结构产品的核心组成部分，不仅对木材之间的胶合起到重要作用，也极大地影响木制品的质量、生产效率和生产成本等。因此，对木结构胶粘剂的研究成为了当前木结构工程技术领域探讨的重点之一。

柳婷等[5]通过力学性能、红外光谱和扫描电镜的测试结果分析了木结构工程材料用间苯二酚甲醛(PRF)树脂胶粘剂的最佳制备工艺条件是n(间苯二酚)∶n(苯酚)=1∶(3～7)、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶1.5、反应体系pH=10.0、反应温度65℃、反应时间1h。在改条件下制备的PRF胶粘剂性能可满足《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708—2012)标准要求。

席雪冬等[6]分析了以聚乙烯醇为改性剂的三聚氰胺-尿素-甲醛共缩聚树脂(MUF)的初粘性及力学性能，其结果表明该种胶粘剂可以满足集成材的相关标准要求；通过对不同固化剂的分析，发现以过硫酸铵为主要成分的混合固化剂的MUF树脂性能最佳，可以明显降低固化温度。在此基础上，提高甲醛质量分数至50%合成冷固型MUF树脂胶粘剂，有效提高了胶粘剂的固体含量和黏度，并缩短了固化时间。通过力学试验，测得该胶粘剂制备的胶合木干状剪切强度达8.18MPa，相对于以常规甲醛含量制备的MUF树脂性能提高了60%，同时其耐水性和剥离率皆能满足相关国家标准。

席雪冬等[7]通过分析不同种类、不同添加量和在“碱-酸-碱”工艺中的不同阶段单宁的影响，发现在合成工艺的第一碱性阶段添加7%的杨梅单宁得到的MUF树脂性能较优，粘度适宜，游离甲醛含量低，且使用其制备的胶合木干、湿状剪切强度均满足国家结构集成材用胶标准。而采用大豆蛋白为改性剂时，使用相同方法分析得到在第一合成阶段添加9%的改性大豆蛋白效果最佳，不仅胶合强度同样满足要求，还较未改性树脂能降低52%游离甲醛含量[8]。

KONG等[9]选用菜籽油为原料，与二苯甲胺二异氰酸酯(MDI)聚合得到了一种低成本的新型生物基聚醚酯多元醇。并通过剪切试验和耐化学性结果讨论了NCO/OH和温度对木材粘接的影响，发现相比商用聚氨酯胶粘剂，该胶粘剂具有更佳的耐热性、耐酸碱性和粘接性能。

王学川等[10]从废弃皮革中提取工业明胶作为胶粘剂原料，再选择用甲乙酮肟制备封闭型水性聚氨酯为交联剂，制得高温致活的封闭型工业明胶木材胶粘剂，其最大解封温度为126℃。当自制聚氨酯占明胶水溶液质量的20%时，胶粘剂的湿剪切强度达0.97 MPa，满足国家II类胶合板的使用要求。

3 钢结构加固胶粘剂

在现代化建筑工程中，钢结构已成为重要的组成部分。目前对钢结构加固，主要采用改变荷载传递途径法、加强原有构件截面和连接节点法，当前国内外的研究重点集中在后者，其本质是讨论如何更有效地加固构件之间的连接。其中，碳纤维增强复合材料(CFRP)因轻质、耐腐蚀、高强度、低成本等优点，在钢结构加固的领域有着广泛应用。该方法是将CFRP与钢材粘接成一体共同受力，避免了对钢材开孔或焊接，从而不会受到焊接连接引起的焊接残余应力或栓接连接导致的截面削弱的影响。

徐佰顺等[11]采用有限元分析方法研究了胶粘剂黏弹性对CFRP-钢界面应力的影响，发现胶粘剂黏弹性会使黏结截面应力重分布，界面剪应力和剥离应力随时间增加而减小，胶层厚度与CFRP弹性模量正相关，而CFRP的厚度与其弹性模量负相关。之后开展不同拉伸荷载作用下CFRP-钢双剪试件的长期应力加载试验，分析CFRP的应变分布规律及其随加载时间变化特点，得到了一种适用于使用碳纤维增强复合材料加固钢结构中的胶粘剂的蠕变本构模型[12]。

毛颖等[13]分析了两种不同的胶粘剂在不同施胶厚度和采用不同种类碳纤维增强复合板加固钢结构基材时的粘接性能以及界面破坏模式，为研究钢结构加固工程中胶粘剂厚度对界面承载力的影响及破坏模式的变化提供了理论依据。

由于很多钢结构建筑有机会处于高温工作环境，如夏季钢桥的内部温度最高可达60℃左右，因此，对受损钢结构加固用的胶粘剂必须考虑耐高温性能。Feng等[14]研究温度对CFRP布加固含裂纹钢板疲劳寿命的影响，发现尽管CFRP层数的增加可以延长疲劳的寿命，但胶粘剂对其影响更加明显。由于温度的升高，会使树脂的弹性模量和压缩能力降低。尤其是在达到玻璃转化温度(Tg)之后，变化就更加明显。如E2500S胶粘剂的Tg为45℃，该胶粘剂在60℃时的弹性模量只有其在20℃时的2%。从而导致该胶粘剂在温度超过Tg时使用会使疲劳寿命会大幅降低。

为适应某些胶粘剂在高温工作的要求，李传习等[15]找到了一种新型环氧载体胶膜。首先运用动态热机械分析，从获得的动态力学性能温度谱中可知，该胶膜的Tg为69.5℃。之后在3种不同环境温度下对3组CFRP板/钢双搭接接头试件的破坏模式、承载力及传力规律等进行了研究。发现在同等荷载作用下，虽然试件的极限承载力随着温度的升高而降低、有效粘结长度变长、界面的剥离程度越大，但Tg以上的温度对胶粘剂性能的影响明显降低。如在70℃时试件的极限承载力相对于40℃时的只下降了8.4%。

4 结 语

随着科学技术不断实现成果转化，建筑结构胶粘剂已广泛应用于建设工程领域的各个环节。尽管当前对胶粘剂的研究进展一直有所突破，但以现阶段的研究状况而言，单一种类的胶粘剂仍然难以满足建筑结构的全方位需求。因此，对建筑结构胶粘剂的后续研究首先应探讨不同种类胶粘剂组合使用时对建筑结构的维护效果；其次是把握好建筑工程的发展方向和标准规范更新的内容，不断完善胶粘剂的各方面性能，以适宜人民生活水平提升为新时代建筑工程带来的新的挑战。

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