建筑结构设计中环氧树脂胶黏剂运用分析

罗昆

（海南华磊建筑设计咨询有限公司贵州分公司，贵阳 550000）

1 引言

当前时期的建筑结构设计，对质量、强度以及黏结性都提出了更为严格的要求，环氧树脂胶黏剂具有良好的稳定性、适应性以及耐老化性能，对各类建筑材料都具备高度黏结力，所以应用愈发广泛，尤其是其常温固化能力和高弹性高强度能力，对于推动建设结构质量提升有着十分显著的作用。

2 环氧树脂胶黏剂的主要原理

2.1 浸润原理

相较于金属材料，环氧树脂的表面张力较小，易被浸润打湿，且构成类型多样，既有亲水的羟基基团，又有疏水的碳氢链段，使环氧树脂胶黏剂表面具有良好的活化作用，能在金属或非金属表面形成单分子膜，可被完全浸润。

2.2 黏附原理

由于环氧树脂分子中的结构组成较多样，同时具有环氧基、羟基和醚键等极性基团，即使被应用于某些极性物质表面也可产生次价键，不会受到干扰，并且还能在此基础上形成氢键，可以进一步提高产生的物理黏附性和化学黏附性，界面张力也能有效降低，凸显优秀的黏结性能，所形成的黏结界面十分稳定。环氧树脂黏结在金属表面结构如图1 所示。

图1 环氧树脂黏结在金属表面结构

2.3 固化成型原理

环氧树脂材料属于一种大分子小质量的预聚体，通过对固化剂的催化反应、开环加成聚合反应与交联反应，共同组成一组庞大的三维网络结构分子，要想把这种网络结构结合方式的环氧树脂分子从黏结的固体中完全剥离，需耗费大量热量，一般来说热量需维持在16.75 kJ/mol 才可全面破坏其结构中的稳定力与内聚力[1]。

3 环氧树脂胶黏剂的特点与基本类型

3.1 特点

环氧树脂胶黏剂种类丰富，可在各种类型和场合的建筑结构设计中应用相对应的环氧树脂、改性剂及固化剂。环氧树脂胶黏剂的固化体系范围广泛，固化剂种类较成熟，可固化的温度范围跨度较大，由此决定了环氧树脂体系的选择空间具有一定的自由度。环氧树脂胶黏剂还具有良好的黏结力，在固化过程中不会产生具有负面影响的产物，固化物收缩率和体系残余应力较小。与此同时，环氧树脂胶黏剂还具有优良的力学性能，整个体系内部的凝聚力较强，其宏观上展现的力学性能更适用于结构材料。环氧树脂胶黏剂能在较宽频率范围内，长时间维持高质量介电性能，除可被应用于建筑结构设计中，还可作为通信材料和绝缘材料使用。环氧树脂胶黏剂如图2 所示。

图2 环氧树脂胶黏剂

3.2 基本类型

环氧树脂胶黏剂的品种丰富，现阶段未明确分类方法和分类指标，简单总结如下：从胶黏剂的形态层面看，可分为有机溶胶型胶黏剂、膏状胶黏剂和水性胶黏剂；从固化条件层面看，可分为冷固化胶、热固化胶和潮湿面水中固化胶等；从胶结强度层面看，可分为结构胶、非结构胶和次受力结构胶；从用途层面看，可分为通用型胶黏剂和特种胶黏剂。

4 环氧树脂胶黏剂在建筑结构设计中的应用优势

环氧树脂胶黏剂是一类合成树脂，用于连接、加固建筑构件时，相较于一般的铆接法、焊接法，构件的黏结受力均匀程度更高，材料出现某处集中承受应力现象的概率较低（如采用焊接法连接构件时，热应力可能会在短期内集中在构件的某一个位置，使该处承受较大应力），从而使材料、构件的耐疲劳性更强，可以更好地保证构件的整体性，进而提高抗裂性，使构件在投入应用后，具有更好的承载能力和稳定性。此外，环氧树脂胶黏剂具有将不同性质材料有效、牢固黏结的能力。这种特性的优势在于：当前建材多样化程度较高，一个建筑体中可能存在多种类型的材料。采用传统方法对不同类型材料进行黏结时，结构整体牢固度无法得到保证，而是用环氧树脂胶黏剂之后可以有效解决这一问题。在传统建筑结构设计期间，设计人员无法获得准确的建筑构件加固与黏结作业时间，导致设计方案的某些环节不够详细。此外，一些传统的加固方法也难以使构件加固效果达到预期水平。使用环氧树脂胶黏剂时，不仅工艺简便，还能大幅度缩短工期（一般在1～2 d 便可完成），有助于提高建筑结构设计水平。不仅如此，一些具有军事用途的建筑、交通设施等对外表耐老化性能有较高的要求，使用环氧树脂胶黏剂可在低成本、高效率的情况下满足这一要求。

5 环氧树脂胶黏剂在建筑结构设计中的应用

5.1 混凝土整体工程黏结运用

现阶段，大型钢筋混凝土工程在建筑结构设计层面上要求各部分混凝土构件通过连接，使整个建筑结构工程成为有机整体，以此实现力学层面的最大化稳定。大型钢筋混凝土工程包括高层建筑、大坝及桥梁工程等，在工程建筑结构设计中，构件皆采用预制方式制作，现浇方式无法一次性实现整体浇筑要求和胶黏要求。环氧树脂胶黏剂能在已达到设计强度的混凝土表面完成黏结工作，通过黏结强度测试和抗拉强度测试，在遭受破坏性的外部受力作用时，即使混凝土体被拉裂破坏，环氧树脂黏结面也不会被拉断。这表明环氧树脂胶黏剂所具备的抗拉强度已远超混凝土材料本身的抗拉强度。同时可有效解决混凝土黏结不牢的问题，使建筑结构更稳定，推动了建筑工程的整体发展。环氧树脂胶黏剂的主要材料以改性双酚A 型环氧树脂为主，所有构成配方组分材料皆可实现国产量化[2]。

5.2 港工混凝土潮差和水下部位设计

钢筋混凝土建筑物在使用过程中受外界自然条件、施工操作和超载作业行为等影响，使建筑物的部分构件出现局部损毁情况，若不能及时修复，易影响人们的正常生活。修补钢筋混凝土建筑物的潮差位置和水下部位时，环氧树脂胶黏剂接触水体，产生乳化反应，胺类固化剂遇水即融所造成的损失值得关注。沥青和焦油是常见的憎水材料种类，将其加入环氧树脂胶黏剂中可有效保护环氧树脂的极性基团，同时还能尽量规避固化剂溶出问题，即使是已经产生固化反应的环氧树脂胶黏剂，仍对建筑物的潮湿位置和水下部位具备一定程度的黏结能力。所以，针对港工混凝土潮差和水下部位应用环氧树脂胶黏剂的建筑结构设计，需优先使用环氧树脂沥青胶黏剂，其具有良好的抗冻性能，即使经受300 次冻融循环，依然可保证黏结功能。

5.3 水利工程用潮湿面积水下修补设计

水利工程建筑结构设计难度较大，需综合考虑到水利工程中渠道渡槽混凝土构件的磨损开裂及大坝闸门的渗漏问题，对其进行无水干燥修复的难度指数较大。因此，在水利工程的建筑结构设计中运用环氧树脂胶黏剂不应采用传统模式，需对其进行优化改良，配方构成也相应变动，需选择使用相对分子质量为100 的E51 环氧树脂，相对分子质量为1 000的聚硫橡胶25 份，固化剂选择顺丁烯二酸酐9 份，二甲氨基甲基苯酚4 份，填料控制在300～600 mL。调配出的环氧树脂胶黏剂在拉伸强度方面具有较大提升，潮湿和水下状态可保持在3 MPa，干燥状态下可达4～5 MPa。为进一步优化环氧树脂胶黏剂品质，还需生产低温状态下迅速固化的环氧树脂胶黏剂，将双酚A 型环氧树脂和双酚F 型环氧树脂的质量比限制在1∶1，选择应用混合脂肪胺作为主要的固化剂种类，聚丙二醇作为基础的增韧剂原料，二者的质量分数控制在4%最为适宜，此时的胶黏剂具有非常良好的低温固化性能，表面的风干时间在30 min 左右，在4 h 之内就可以实现完全硬化。与此同时，经过2 h 的固化反应后，环氧树脂胶黏剂的抗冲击强度为10.084 kJ/m2，拉伸强度为25.3 MPa，拉伸剪切强度为12.7 MPa，皆在原有基础上实现了极大提升。双酚F型环氧树脂分子结构如图3 所示。

图3 双酚F 型环氧树脂分子结构

5.4 建筑结构胶黏剂设计

建筑结构胶黏剂是指能作为承重结构构件的黏结物质，具有良好的长时间承受能力，可被应用于各种建筑结构设计类型中。通过对固化剂加强控制，改进固化剂在环氧树脂中的占比，优化环氧树脂结构胶填种类，采用断裂伸长率稳定且弹性模量较高的配比方式。当保持固化剂和环氧树脂的质量比为1∶1 时，需加入7%质量分数的纳米碳酸钙，此时抗压强度可达72 MPa，基体抗压强度也在原有基础上提高了13%。应用触变剂可改良环氧树脂胶黏剂的施工工艺性能和基础力学性能，还能实现对黏结性能的调节作用。当触变剂质量分数为2%，此时环氧树脂胶黏剂黏度处于较低状态，更适合被应用于建筑结构设计。当触变剂的质量分数上涨至3%时，触变指数可达最大峰值[3]。

为保证环氧树脂胶黏剂在建筑结构设计中保持良好的流动性，可选择将环氧树脂作为主要原材料，并注入适当的低黏度高活性固化剂，选择水泥和石棉纤维作为增稠剂，以此达到高压缩强度，进而提升流淌性能和力学性能，即使在-5 ℃的低温条件下，也不会对环氧树脂胶黏剂的性能造成影响。其还可在室温下进行固化反应，且呈现高强度厚胶层特点，胶层厚度可长期维持在0.10～0.66 mm 范围内，剪切强度同步保持稳定状态。

6 结语

综上所述，现阶段我国建筑行业快速发展，需加大环氧树脂胶黏剂在建筑结构设计中的应用，不断提升环氧树脂用量，进一步开辟高分子材料市场，保证建筑结构设计安全稳定。在建筑结构设计中应用环氧树脂胶黏剂需着重考虑混凝土整体工程黏结应用、港工混凝土潮差与水下部位设计、水利工程用潮湿面积水下修补设计以及建筑结构胶黏剂设计。未来，环氧树脂胶黏剂将朝着高强度、低黏度方向发展，具备更强的耐冲击力、耐磨力、抗腐蚀力和阻燃力。