填料的品种和用量对环氧胶粘剂剪切强度的影响

周梅,刘书贤（辽宁工程技术大学土木系,辽宁省阜新１２３０００）１问题的提出树脂混凝土（ＰＣ）是以合成树脂加上适量的固化剂、增韧剂、稀释剂及填料作为胶粘剂,以砂、石作为骨料,经混合、成型、固化而成的一种复合材料。由于其具有良好的耐蚀、耐磨、耐水和抗冻性能及力学性能,弥补了水泥混凝土抗拉强度低、抗拉应变小、抗裂性小、脆性大等缺点。固化后的环氧树脂混凝土对大气、潮湿、化学介质、细菌等都有很强的抵抗力,因此,大多应用在较为恶劣的环境中。２０世纪７０年代在发达国家的建筑、电气、机械、化工等工业中就获得广泛而有效的应用。我国树脂混凝土的研制开发虽已有４０年历史,但由于技术、造价、国情等所限,应用数量和范围还相当有限。特别对树脂胶粘剂、填料的认识还非常有限,本文正是在这种有实际需要的背景条件下进行研究开发,期望能推动树脂混凝土在我国的应用。２试验方案２．１试验材料（１）主剂:环氧树脂。环氧树脂是指在聚合物分子链中含有仲醇基和醚键,同时在分子两端具有反应性环氧基的聚合物。结构是线型的,由于它分子结构中含有活泼的环氧基、羟基、醚键等,可与多种类型的固化剂发生交联固化反应,而变为体型结构,其性能亦能由热塑性变为热固性。由于环氧树脂在固化过程中不析出低分子物,具有很小的收缩率,故可用来配制成无溶剂型胶粘剂。实际应用中,一般选择常温下是液态的树脂,以保证混凝土拌和物施工要求的流动性,便于成型。但常温下是液态的树脂（Ｅ-５１）粘度较低,影响粘聚性,我们经几组实测效果比较,最后选择７０%Ｅ-５１、３０%Ｅ-４４的组合,能很好解决拌和物流动性与粘聚性之间的矛盾。本试验选用的是无锡树脂厂生产的Ｅ-５１、Ｅ-４４,二者均为二酚基丙烷型环氧树脂,具有一般高聚性产品的通性,环氧值（当量／１００ｇ）分别为０．４１～０．４７和０．４８～０．５４,粘度（２５℃）不大于２．５Ｐａ•ｓ。（２）固化剂:选择由苯酚、甲醛、脂肪胺合成的改性胺Ｔ３１（低毒、室温固化型）。我们选择的胺类固化剂的特征是在常温下可以固化,反应时放热多,放出的热量可进一步促使环氧树脂与固化剂的反应,加快固化速度。采用胺类固化剂,用量必须选择正确。胺类固化剂用量（ｇ／每１００ｇ树脂）＝（胺类分子量／胺分子中活泼氢原子数）×环氧值。（３）稀释剂:丙酮。胶粘剂粘度过大会造成使用不便,或胶粘剂对骨料、基层表面润湿不良,故使用中要求掺适量稀释剂。另外,适量稀释剂可以控制环氧树脂与固化剂的反应热,延长使用时间。本试验选用的丙酮是非活性稀释剂,它不参与环氧树脂固化过程中的反应,在环氧材料中不断挥发,可能产生气泡、增加收缩率,降低粘结能力。（４）增韧剂:邻苯二甲酸二丁脂（ＤＢＰ）。硬化后的环氧树脂虽具有较高的机械强度,但性质较脆,特别在低温条件下硬化,抗冲击能力差,为改进环氧树脂胶粘剂固化后的韧性,提高其抗弯和抗冲击性能,本试验选择了沈阳试剂厂生产的邻苯二甲酸二丁脂作为增韧剂。邻苯二甲酸二丁脂属于非活性增韧剂,它不与环氧树脂起化学反应,只起润滑作用,但随着时间的延长而挥发掉,将失去增韧的作用。（５）填料:合适的填料能使环氧树脂胶粘剂的性能进一步改进,降低胶粘剂的收缩率和热膨胀系数,增加热导率和机械强度,提高尺寸的稳定性,消除固化物中的成型应力,避免发生裂缝,改善粘结性能,降低吸水性,增长使用寿命,还能调节粘度、流动性等工艺性能要求。大量加入廉价的填料,胶粘剂的成本也可降低。此项试验我们通过分别加入水泥、粉煤灰、Ａｌ２Ｏ３粉末、ＣａＯ粉末、玻璃纤维等５种填料做对比试验,目的在于寻找合适的填料及配比。我们的研究与日本的研究均表明,树脂混凝土中骨料、填料和胶粘剂的最佳比例为８∶１∶１。２．２试验尺寸环氧胶粘剂剪切试件:１００ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍ（手工成型）;树脂混凝土抗折试件:４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ（手工成型）,抗压试件:４０ｍｍ×４０ｍｍ×６２．５ｍｍ（手工成型）。２．３环氧胶粘剂质量配比（见表１）３试验结果及分析３．１填料对环氧胶粘剂剪切强度的影响填料的品种和用量对环氧胶粘剂剪切强度的影响见图和图２。从图１、图２可以看出:（１）在相同的成型条件下,随水泥质量份数的增加,环氧胶粘剂的剪切强度明显上升。这因为加入的水泥承担了部分应力,提高了胶层的内部硬度,故随加入量的递增强度提高。当质量份数在１５０～２５０时,剪切强度变化趋于平稳;２００份时,环氧胶粘剂剪切强度达到峰值（２０．０ＭＰａ）;此后份数再增加,剪切强度缓慢下降。这因为水泥是一种吸湿性极大的活性物质,使胶粘剂的粘度稍有提高,降低胶粘剂的流动性及润湿能力,减少有效粘接面积,当水泥加入量达到２００份时,粘接面积减少开始起到明显的作用,故强度缓慢下降。（２）在相同的成型条件下,随粉煤灰质量份数的增加,环氧胶粘剂的剪切强度明显上升。粉煤灰质量份数在１５０时,粘结剂剪切强度达到峰值（２２．０ＭＰａ）。此后随质量份数增加,剪切强度缓慢下降。这是因为粉煤灰中ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等具有化学活性,在碱性激发剂作用下,粉煤灰发生反应,作为胶凝材料的一部分起增强作用。另外,粉煤灰中含有大量理想的玻璃微珠,这些球形小颗粒弥散分布在胶层中,使应力均匀分布,提高胶层内部硬度,稳定胶层收缩率,减少固化时间。但环氧胶粘剂的剪切强度上升的趋势是有限的,随填料用量过大,环氧树脂含量势必减少,这样胶粘剂的粘接面积就减小,故胶粘剂的剪切强度将缓慢下降。（３）Ａｌ２Ｏ３粉末作为增强相,本身强度很高,能够起增强作用,而且Ａｌ２Ｏ３粉末吸湿性较弱,可改善环氧胶的润湿能力,增强流动性。但随加入量递增,胶粘剂粘度降低,峰值在３０份左右。（４）ＣａＯ粉末具有较强的吸湿性,能提高胶体粘度及降低流动性,使胶体润湿能力下降,峰值在４０份左右。由于峰值时加入量不大,因此降低润湿作用不明显,而作为硬相能均匀分布在胶层中,提高在外力作用下胶层的滑移变形能力,改善了胶层本身的脆性,提高强度。３．２填料对树脂混凝土强度的影响通过上述试验,我们找到了各种填料的最佳配比,以此为基数,在其它配料相同的情况下进行了树脂混凝土抗折、抗压强度等性能的检测,检测结果见表２。３．２．１对抗压强度影响的分析从表２可看出,加入水泥、粉煤灰做填料的试件,其后期抗压强度增加很大,分别提高了５１．３%和３４．９%;加入ＣａＯ粉末的试件,后期抗压强度大幅度下降;而加入Ａｌ２Ｏ３粉末和玻璃纤维的试件,前期与后期抗压强度没有太大变化。主要原因分析如下:（１）用水泥做填料,对提高树脂混凝土前期和后期抗压强度有明显优势。这主要是因为:水泥颗粒与胶粘剂充分混合,由于水泥的吸湿性,使得胶粘剂的粘度提高,水泥与胶粘剂形成颗粒胶体,增大了胶体有效粘接面积,包裹在骨料的表面,并填充骨料间的空隙。固化前,水泥起润滑作用,使胶体尽可能与骨料均匀混合;固化后,水泥颗粒、骨料与胶粘剂三者胶接成一体,起胶结作用。（２）用粉煤灰做填料,能提高树脂混凝土前期和后期抗压强度的主要原因:粉煤灰是一种典型的活性混合材料,我们选择的粉煤灰ＳｉＯ２+Ａｌ２Ｏ３+Ｆｅ２Ｏ３含量占粉煤灰总量的８９．７４%,且大部分为玻璃态实心或中空球状颗粒（粒径一般在１～５μｍ）,使胶粘剂的润湿能力大大提高,使骨料得到润滑并明显改善树脂混凝土的和易性（便于施工,有推广价值）,使配制的混凝土更密实、更均匀。另外,试验证明在环氧树脂中填充粉煤灰微珠,还可减轻混凝土质量,提高抗破坏性。（３）Ａｌ２Ｏ３和ＣａＯ粉末作为硬相颗粒,均对提高混凝土强度作出贡献。但Ａｌ２Ｏ３粉末价格较贵,没有实用价值。ＣａＯ粉末有很强的潮解作用,性质不稳定,随时间的延长吸收水分膨胀变质,使胶体疏松,从而丧失强度,２８ｄ的抗压强度低于７ｄ抗压强度也说明了这一点。（４）玻璃纤维填料由于采用铺层法加入,手工成型纤维层没能与混凝土充分粘接,应力不能通过基体传递到纤维,故纤维不能承担外界荷载,没达到增强作用。３．２．２对抗折强度影响的分析通过对５种填料树脂混凝土试件的断面观察,发现断面都较平齐,没有凸凹的骨料起伏,即折断不是沿着骨料与胶粘剂粘结界面发展。这说明骨料与胶粘剂粘结强度、骨料本身强度、含填料的胶粘剂强度较接近。５种填料中水泥试件抗折强度最高（２７．７ＭＰａ）、粉煤灰（２３．８ＭＰａ）次之,但都高于不加填料的树脂混凝土抗折试件。４结论通过试验,我们建议用粉煤灰做树脂混凝土的填料,最佳掺入量１５０份（质量比）。粉煤灰是一种工业废料,大量排放占用了耕地、污染了环境,而在树脂混凝土中大量加入这种廉价的填料,不仅降低了胶粘剂的成本,试验证明也提高了树脂混凝土前期和后期的抗压和抗折强度,为粉煤灰的综合利用找到一种新的途径。