填料的品種和用量對環(huán)氧膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響

1、1問題的提出樹脂混凝土（PC）是以合成樹脂加上適量的固化劑、增韌劑、稀釋劑及填料作為膠粘劑，以砂、石作 為骨料，經(jīng)混合、成型、固化而成的一種復(fù)合材料。由于其具有良好的耐蝕、耐磨、耐水和抗凍性能及力學(xué) 性能，彌補(bǔ)了水泥混凝土抗拉強(qiáng)度低、抗拉應(yīng)變小、抗裂性小、脆性大等缺點(diǎn)。固化后的環(huán)氧樹脂混凝土對 大氣、潮濕、化學(xué)介質(zhì)、細(xì)菌等都有很強(qiáng)的抵抗力，因此，大多應(yīng)用在較為惡劣的環(huán)境中。20世紀(jì)70年 代在發(fā)達(dá)國家的建筑、電氣、機(jī)械、化工等工業(yè)中就獲得廣泛而有效的應(yīng)用。我國樹脂混凝土的研制開發(fā) 雖巳有4 0年歷史，但由于技術(shù)、造價(jià)、國情等所限，應(yīng)用數(shù)量和范圍還相當(dāng)有限。特別對樹脂膠粘劑、填 料的認(rèn)識(shí)還非常有

2、限，本文正是在這種有實(shí)際需要的背景條件下進(jìn)行研究開發(fā)，期望能推動(dòng)樹脂混凝土在我 國的應(yīng)用。2試驗(yàn)方案2.1試驗(yàn)材料（1）主劑:環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂是指在聚合物分子鏈中含有仲醇基和醚鍵，同時(shí)在分子兩端具有反應(yīng) 性環(huán)氧基的聚合物。結(jié)構(gòu)是線型的，由于它分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基、羥基、醚鍵等，可與多種類型的 固化劑發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，而變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，其性能亦能由熱塑性變?yōu)闊峁绦?。由于環(huán)氧樹脂在固化過程中 不析出低分子物，具有很小的收縮率，故可用來配制成無溶劑型膠粘劑。實(shí)際應(yīng)用中，一般選擇常溫下是液態(tài) 的樹脂，以保證混凝土拌和物施工要求的流動(dòng)性，便于成型。但常溫下是液態(tài)的樹脂（E -5 1 ）粘度較低，

3、影響粘聚性，我們經(jīng)幾組實(shí)測效果比較，最后選擇7 0%E-51、30%E-4 4的組合，能很好解決拌和物 流動(dòng)性與粘聚性之間的矛盾。本試驗(yàn)選用的是無錫樹脂廠生產(chǎn)的E-5 1、E-4 4,二者均為二酚基丙烷型 環(huán)氧樹脂，具有一般高聚性產(chǎn)品的通性,環(huán)氧值（當(dāng)量/10 0g ）分別為0. 410.47和0.48 0.54，粘度（25。）不大于 2.5Pa s。（2）固化劑:選擇由苯酚、甲醛、脂肪胺合成的改性胺T31 （低毒、室溫固化型）。我們選擇的胺 類固化劑的特征是在常溫下可以固化,反應(yīng)時(shí)放熱多，放出的熱量可進(jìn)一步促使環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)，加 快固化速度。采用胺類固化劑，用量必須選擇正確。胺類固化

4、劑用量（g/每100g樹脂）=（胺類分子 量/胺分子中活潑氫原子數(shù)）X環(huán)氧值。（3）稀釋劑:丙酮。膠粘劑粘度過大會(huì)造成使用不便，或膠粘劑對骨料、基層表面潤濕不良，故使用中 要求摻適量稀釋劑。另外，適量稀釋劑可以控制環(huán)氧樹脂與固化劑的反應(yīng)熱，延長使用時(shí)間。本試驗(yàn)選用的 丙酮是非活性稀釋劑，它不參與環(huán)氧樹脂固化過程中的反應(yīng)，在環(huán)氧材料中不斷揮發(fā),可能產(chǎn)生氣泡、增加收 縮率，降低粘結(jié)能力。（4）增韌劑:鄰苯二甲酸二丁脂（DBP）。硬化后的環(huán)氧樹脂雖具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，但性質(zhì)較脆， 特別在低溫條件下硬化,抗沖擊能力差，為改進(jìn)環(huán)氧樹脂膠粘劑固化后的韌性，提高其抗彎和抗沖擊性能，本 試驗(yàn)選擇了沈陽試劑廠生

5、產(chǎn)的鄰苯二甲酸二丁脂作為增韌劑。鄰苯二甲酸二丁脂屬于非活性增韌劑，它不與 環(huán)氧樹脂起化學(xué)反應(yīng)，只起潤滑作用，但隨著時(shí)間的延長而揮發(fā)掉,將失去增韌的作用。（5）填料:合適的填料能使環(huán)氧樹脂膠粘劑的性能進(jìn)一步改進(jìn),降低膠粘劑的收縮率和熱膨脹系數(shù)，增 加熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，提高尺寸的穩(wěn)定性，消除固化物中的成型應(yīng)力，避免發(fā)生裂縫,改善粘結(jié)性能，降低吸水 性，增長使用壽命,還能調(diào)節(jié)粘度、流動(dòng)性等工藝性能要求。大量加入廉價(jià)的填料，膠粘劑的成本也可降低。 此項(xiàng)試驗(yàn)我們通過分別加入水泥、粉煤灰、A12O3粉末、CaO粉末、玻璃纖維等5種填料做對比試 驗(yàn),目的在于尋找合適的填料及配比。我們的研究與日本的研究均表明

6、，樹脂混凝土中骨料、填料和膠粘劑 的最佳比例為8：1：1。2.2試驗(yàn)尺寸環(huán)氧膠粘劑剪切試件：10 0mmx2 0mmx3mm（手工成型）；樹脂混凝土抗折試件:4 0 mm X 4 0mmx 16 0mm（手工成型），抗壓試件：40mmx 40mmx 62.5mm（手工成型）。2.3環(huán)氧膠粘劑質(zhì)量配比（見表1）3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1填料對環(huán)氧膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響填料的品種和用量對環(huán)氧膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響見圖和圖2。從圖1、圖2可以看出：（1）在相同的成型條件下，隨水泥質(zhì)量份數(shù)的增加，環(huán)氧膠粘劑的剪切強(qiáng)度明顯上升。這因?yàn)榧尤氲?水泥承擔(dān)了部分應(yīng)力，提高了膠層的內(nèi)部硬度，故隨加入量的遞增強(qiáng)度提高。當(dāng)

7、質(zhì)量份數(shù)在15 02 5 0 時(shí)，剪切強(qiáng)度變化趨于平穩(wěn)；2 0 0份時(shí)，環(huán)氧膠粘劑剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值（20. 0MPa）；此后份數(shù)再增加, 剪切強(qiáng)度緩慢下降。這因?yàn)樗嗍且环N吸濕性極大的活性物質(zhì)，使膠粘劑的粘度稍有提高，降低膠粘劑的流 動(dòng)性及潤濕能力，減少有效粘接面積，當(dāng)水泥加入量達(dá)到2 0 0份時(shí)，粘接面積減少開始起到明顯的作用，故 強(qiáng)度緩慢下降。（2）在相同的成型條件下，隨粉煤灰質(zhì)量份數(shù)的增加，環(huán)氧膠粘劑的剪切強(qiáng)度明顯上升。粉煤灰質(zhì)量 份數(shù)在15 0時(shí)，粘結(jié)劑剪切強(qiáng)度達(dá)到峰值（2 2.0MPa）。此后隨質(zhì)量份數(shù)增加，剪切強(qiáng)度緩慢下降。 這是因?yàn)榉勖夯抑蠸iO2、A12O3等具有化學(xué)活性,在堿

8、性激發(fā)劑作用下，粉煤灰發(fā)生反應(yīng)，作為膠凝 材料的一部分起增強(qiáng)作用。另外，粉煤灰中含有大量理想的玻璃微珠,這些球形小顆粒彌散分布在膠層中，使 應(yīng)力均勻分布，提高膠層內(nèi)部硬度，穩(wěn)定膠層收縮率,減少固化時(shí)間。但環(huán)氧膠粘劑的剪切強(qiáng)度上升的趨勢是 有限的，隨填料用量過大，環(huán)氧樹脂含量勢必減少，這樣膠粘劑的粘接面積就減小，故膠粘劑的剪切強(qiáng)度將緩 慢下降。（3）A12O3粉末作為增強(qiáng)相，本身強(qiáng)度很高，能夠起增強(qiáng)作用，而且A12O3粉末吸濕性較弱， 可改善環(huán)氧膠的潤濕能力，增強(qiáng)流動(dòng)性。但隨加入量遞增，膠粘劑粘度降低,峰值在3 0份左右。（4）CaO粉末具有較強(qiáng)的吸濕性，能提高膠體粘度及降低流動(dòng)性，使膠體潤濕能

9、力下降,峰值在40 份左右。由于峰值時(shí)加入量不大，因此降低潤濕作用不明顯，而作為硬相能均勻分布在膠層中，提高在外力作 用下膠層的滑移變形能力，改善了膠層本身的脆性，提高強(qiáng)度。3.2填料對樹脂混凝土強(qiáng)度的影響通過上述試驗(yàn)，我們找到了各種填料的最佳配比，以此為基數(shù)，在其它配料相同的情況下進(jìn)行了樹脂混凝 土抗折、抗壓強(qiáng)度等性能的檢測,檢測結(jié)果見表2。3.2. 1對抗壓強(qiáng)度影響的分析從表2可看出，加入水泥、粉煤灰做填料的試件，其后期抗壓強(qiáng)度增加很大，分別提高了 5 1.3 %和3 4.9 %;加入CaO粉末的試件,后期抗壓強(qiáng)度大幅度下降；而加入A12O3粉末和玻璃纖維的試件，前 期與后期抗壓強(qiáng)度沒有太

10、大變化。主要原因分析如下：（1）用水泥做填料，對提高樹脂混凝土前期和后期抗壓強(qiáng)度有明顯優(yōu)勢。這主要是因?yàn)椋核囝w粒與 膠粘劑充分混合，由于水泥的吸濕性，使得膠粘劑的粘度提高,水泥與膠粘劑形成顆粒膠體，增大了膠體有效 粘接面積，包裹在骨料的表面，并填充骨料間的空隙。固化前，水泥起潤滑作用，使膠體盡可能與骨料均勻混合; 固化后，水泥顆粒、骨料與膠粘劑三者膠接成一體,起膠結(jié)作用。（2）用粉煤灰做填料，能提高樹脂混凝土前期和后期抗壓強(qiáng)度的主要原因：粉煤灰是一種典型的活性 混合材料，我們選擇的粉煤灰SiO2+A12O3+Fe2O3含量占粉煤灰總量的8 9. 7 4 %,且大部 分為玻璃態(tài)實(shí)心或中空球狀顆

11、粒（粒徑一般在15 ”m），使膠粘劑的潤濕能力大大提高，使骨料得到潤滑 并明顯改善樹脂混凝土的和易性（便于施工,有推廣價(jià)值），使配制的混凝土更密實(shí)、更均勻。另外，試驗(yàn)證 明在環(huán)氧樹脂中填充粉煤灰微珠,還可減輕混凝土質(zhì)量，提高抗破壞性。（3）A12O3和CaO粉末作為硬相顆粒，均對提高混凝土強(qiáng)度作出貢獻(xiàn)。但A12O3粉末價(jià)格 較貴，沒有實(shí)用價(jià)值。CaO粉末有很強(qiáng)的潮解作用，性質(zhì)不穩(wěn)定，隨時(shí)間的延長吸收水分膨脹變質(zhì)，使膠體疏 松,從而喪失強(qiáng)度,2 8d的抗壓強(qiáng)度低于7d抗壓強(qiáng)度也說明了這一點(diǎn)。（4）玻璃纖維填料由于采用鋪層法加入，手工成型纖維層沒能與混凝土充分粘接，應(yīng)力不能通過基體 傳遞到纖維，故纖維不能承擔(dān)外界荷載，沒達(dá)到增強(qiáng)作用。3.2.2對抗折強(qiáng)度影響的分析通過對5種填料樹脂混凝土試件的斷面觀察，發(fā)現(xiàn)斷面都較平齊，沒有凸凹的骨料起伏，即折斷不是沿著 骨料與膠粘劑粘結(jié)界面發(fā)展。這說明骨料與膠粘劑粘結(jié)強(qiáng)度、骨料本身強(qiáng)度、含填料的膠粘劑強(qiáng)度較接近。 5種填料中水泥試件抗折強(qiáng)度最高（2 7.7MPa）、粉煤灰