CN111607346B - 一种高性能结构胶及其制备方法和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明的高性能结构胶及其制备方法和施工方法，通过混合搅拌E‑44环氧树脂100组分、硅酸钾和硅酸钠混合液5‑30组分、硅微粉20‑180组分、纳米碳酸钙5‑30组分、微米碳纤维1‑4组分制得A混合物，通过混合搅拌聚酰胺20组分、芳香胺30组分、硅微粉20‑60组分和微米碳纤维1‑2组分制得B混合物。取质量比为2：1的A混合物和B混合物搅拌并通过置于密闭容器中抽真空脱气泡处理制得高性能结构胶，该高性能结构胶具有粘结强度高、耐候性和耐久性好、结构胶内气泡少、防水和防腐效果优、流动性强、绿色环保、施工便捷等优点，具有良好的市场前景，适合推广。

Description

一种高性能结构胶及其制备方法和施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构胶的技术领域，具体涉及一种高性能结构胶及其制备方法和施工方法。

背景技术

桥梁是交通运输网的关键节点，对保障交通的高效运行起着至关重要的作用。混凝土桥梁在我国桥梁中占据重要的地位和相当大的比例。在混凝土桥梁的运营期内，在荷载和外界环境等因素作用下，桥梁会出现病害，其中比较典型和普遍的就是裂缝，其不仅会改变结构的应力分布，还会造成外界腐蚀因素进入桥梁结构内，加剧材料的劣化，威胁桥梁的安全性和耐久性。根据裂缝的产生原因和发展程度，处理方法主要有加固结构和封闭裂缝两大类，在这两大类应对裂缝的方法中，结构胶主要是做为加固方法中加固材料与被加固结构之间的连接剂以及做为裂缝的封闭材料。

针对结构胶做为加固材料与被加固结构之间的连接剂，主要存在以下问题：（1）结构胶的力学性能不高，尤其是粘结性能。根据实际工程调研可知，目前粘贴碳纤维布法、粘贴碳纤维板法、粘贴预应力碳纤维板法和粘贴钢板法等加固方法中，在加固材料力学性能得到充分发挥之前，加固体系就因为结构胶失效而破坏，造成了极大的加固材料强度浪费。（2）结构胶的耐候性和耐久性不高。根据实际工程调研可知，在已经采用结构胶的粘贴法加固工程中，由于静动力荷载作用、外界环境因素影响，结构胶的使用寿命和性能远未达到设计的使用寿命，造成加固体系的提前维护和更换，施工麻烦，成本费用较高，对结构的影响也比较大。（3）结构胶中的气泡比较多，且不易排出。结构胶中的气泡会降低结构胶的力学性能和耐久性，削弱加固效果，为外界腐蚀环境因素进入结构内部提供了通道，威胁结构的安全性和耐久性。（4）结构胶的防水和防腐性能较弱，且不能为结构内部的钢筋提供有效的防护。由于结构胶的工作环境通常是野外，受到紫外线、雨雪等外界因素影响较大，结构胶防水和防腐性能弱会造成结构胶的性能退化，甚至失效，轻则影响加固结构和加固体系的耐久性，重则威胁结构的安全性。（5）结构胶的流动性较差，结构胶的现场配置和施工比较麻烦。目前市场上常用的结构胶制作需要经过多个工艺流程，耗费的时间成本、材料成本、人力成本和物力成本较高。结构胶流动性差也增大了结构胶的制作与施工难度。

针对做为封闭材料的结构胶，主要存在以下问题：（1）结构胶的力学性能不高，尤其是粘结性能。根据实际工程调研可知，在已经采用结构胶做为封闭材料的实际结构中，这些结构胶多与被加固结构之间呈现剥离状态，且结构胶在应力和外界环境作用下，处于开裂状态。（2）结构胶的耐候性和耐久性不高。根据实际工程调研可知，在采用结构胶做为封闭材料的加固工程中，由于静动力荷载作用、外界环境因素影响，结构胶的使用寿命和性能远未达到设计的使用寿命，造成加固体系的提前维护和更换，施工麻烦，成本费用较高，对结构的影响也比较大。较多采用结构胶做为封闭材料的结构中，往往会出现加固不久后封闭部位重新开裂的情况，造成外界腐蚀因素进入结构内部，威胁结构的安全性和耐久性。（3）结构胶中的气泡比较多，且不易排出。结构胶中的气泡会降低结构胶的力学性能和耐久性，削弱加固效果，为外界腐蚀环境因素进入结构内部提供了通道，威胁结构的安全性和耐久性。（4）结构胶的防水和防腐性能较弱，且不能为结构内部的钢筋提供有效的防护。由于结构胶的工作环境通常是野外，受到紫外线、雨雪等外界因素影响较大，结构胶防水和防腐性能弱会造成结构胶的性能退化，甚至失效，轻则影响加固结构和加固体系的耐久性，重则威胁结构的安全性。（5）结构胶的流动性较差，结构胶的现场配置和施工比较麻烦。目前市场上常用的结构胶制作需要经过多个工艺流程，耗费的时间成本、材料成本、人力成本和物力成本较高。结构胶流动性差会导致细微裂缝封闭不完全，进而影响加固效果，也增大了结构胶的制作与施工难度。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种具有粘结强度高、耐候性和耐久性好、结构胶内气泡少、防水和防腐效果优、流动性强、绿色环保、施工便捷的高性能结构胶及其制备方法和施工方法，具体方案如下：

一种高性能结构胶，主要由以下重量份原材料制成：E-44环氧树脂100份、硅酸钾和硅酸钠混合液5-30份、硅微粉20-240份、纳米碳酸钙5-30份、微米碳纤维1-6份、聚酰胺20份、芳香胺30份。

进一步地，主要由以下重量份原材料制成：E-44环氧树脂100份、硅酸钾和硅酸钠混合液5-10份、硅微粉20-80份、纳米碳酸钙10-30份、微米碳纤维1-4份、聚酰胺20份、芳香胺30份。

进一步地，所述硅酸钾和硅酸钠混合液由密度为1.44g/cm³的钠水玻璃和钾水玻璃以重量份配比1：1进行配制所得。

进一步地，所述硅微粉为5000目硅微粉。

所述一种高性能结构胶的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.称量E-44环氧树脂100组分、硅酸钾和硅酸钠混合液0-30组分、硅微粉0-180组分、纳米碳酸钙0-30组分和微米碳纤维0-4组份的原材料混合，在恒温条件下，使用搅拌器以1000转/分钟的转速搅拌均匀，并置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制备得A混合物；

步骤2.称量硅微粉0-60组分、聚酰胺0-50组分、芳香胺0-30组分和微米碳纤维0-2组分的原材料混合，在恒温条件下，使用搅拌器以400转/分钟的转速搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得B混合物；

步骤3.将步骤1制备好的A混合物和步骤2制备好的B混合物混合在一起，在恒温条件下，使得搅拌器以1000转/分钟的转速搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5分钟制备获得。

所述的高性能结构胶用作桥梁的加固的连接剂或桥梁裂缝封闭材料。

本发明的优点

（1）本发明的高性能结构胶具有粘结强度高、耐候性和耐久性好、结构胶内气泡少、防水和防腐效果优、流动性强、绿色环保、施工便捷等优点，具有良好的市场前景，适合推广。

（2）本发明中的高性能结构胶具有优良的粘结性能。无偶联剂改性环氧树脂，以硅酸钠、硅酸钾、芳香胺作为增韧剂和固化剂本身粘性高，液态时具有高渗透性和流动性，可降低合成树脂胶体粘度，进而改善填料分散度和整体性，固化后能提高黏度和韧性。

（3）本发明中的高性能结构胶具有超高耐久性。硅微粉和纳米碳酸钙两种材料结合环氧树脂具有叠合效应，经配比调整，可更有效提高胶体固化后的抗压抗拉强度。微米级碳纤维能更好地与树脂相容，吸收基体树脂的变形功，阻碍并钝化银纹在树脂中的扩散，提高结构胶的韧性。胶体受梁体保护且自重较小，对混凝土粘度高，难脱落，解决大多数加固材料易剥离而导致加固效果失效，耐久性差的问题。

（4）本发明中的高性能结构胶具有低发泡率。将硅微粉填料和微米碳纤维增韧剂以质量比2：1分到A、B混合物进行搅拌，防止无机填料过于集中，降低结构胶配制过程中的发泡率。使用硅酸钠和硅酸钾混合液，具有高流动性，能够有效地提高A混合物胶的流动性，降低表面张力，在恒温搅拌下放热易将气泡排出，达到消泡效果。使用芳香胺具有高流动性，有效地提高B混合物的渗透性和流动性，使搅拌B混合物产生的气泡容易排出。

（5）本发明中的高性能结构胶具有良好的防水性和防腐性。硅酸钠和硅酸钾混合液具有良好的防水性和防腐蚀性，配胶过程中硅酸钠和硅酸钾混合液体的流动性较高，能改善纳米微米填料与环氧树脂的界面作用，有利于各环氧树脂和其它原材料填料的相容性和分散性，固化后具有高粘性，提高结构胶的粘结性和稳定性。对裂缝灌胶后，胶体对混凝土粘黏性强，固化后结构胶完全封闭裂缝，胶体本身具有防水性，可对结构内部钢筋进行有效防腐保护，提高防水性和防腐性。

（6）本发明中的高性能结构胶具有保护钢筋的作用。芳香胺具有高流动性，高浸润性，有利于填料均匀分散，增强了产品的流动性，能更好地渗入桥梁裂缝的孔隙结构内部，提高加固后的稳定性。同时，芳香胺、硅酸钠硅酸偏碱性，为钢筋提供碱性环境，有利于钢筋表面二次形成钝化膜，起到对钢筋的保护作用。

（7）本发明中的高性能结构胶耐候性好。硅酸钾和硅酸钠凝胶后易形成三维孔隙结构层，孔壁很薄，敞开的孔洞较多，有利于导热，在密封裂缝中，不会发生热对流，使结构胶拥有良好的耐候性，能适用于常年温度较高，雨水天气较频繁的地区。

（8）本发明中的高性能结构胶施工便捷高效。本发明中的高性能结构胶固化时间短，绿色环保，不会产生有毒有害物质，也不需要结合其他加固材料形成一种新式加固方法，满足加固设计规范要求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地解释和说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。

实施例1

称量原材料为E-44环氧树脂100份、5000目硅微粉40份、纳米碳酸钙10份、微米碳纤维3份和由密度为1.44g/cm³的钠水玻璃5份和密度为1.44g/cm³的钾水玻璃5份制得的硅酸钠和硅酸钾混合液，按顺序依次放入搅拌器容器中混合成胶体状，以1000转/分钟的速度恒温搅拌至分散均匀，使搅拌器容器中的胶体成粘稠状，将其置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5分钟制得A混合物。

称量原材料为芳香胺30份，聚酰胺20份，5000目硅微粉20份和碳纤维1份，按顺序依次放入另一个搅拌器容器中混合，并以400转/分钟在恒温条件下，搅拌至微黄粘稠状，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得B混合物，取A混合物和B混合物以质量比为2：1混合在一起，以800转/分钟速度在恒温下搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5分钟制得高性能结构胶。

实施例2

称量原材料为E-44环氧树脂100份、5000目硅微粉40份、纳米碳酸钙20份、微米碳纤维4份和由密度为1.44g/cm³的钠水玻璃10份和密度为1.44g/cm³的钾水玻璃10份制得的硅酸钠和硅酸钾混合液。按顺序依次放入搅拌器容器中混合成胶体状，以1000转/分钟速度恒温搅拌至分散均匀，使搅拌器容器中的胶体成粘稠状，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得成A混合物。

称量原材料为芳香胺30份，聚酰胺20份，5000目硅微粉20份，微米碳纤维2份，按顺序依次放入另一个搅拌器容器中，并以400转/分钟恒温搅拌至微黄粘稠状，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得B混合物。取A混合物和B混合物质量比为2：1混合在一起，以800转/分钟速度恒温搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得高性能结构胶。

实施例3

称量原材料为E-44环氧树脂100份、5000目硅微粉80份、纳米碳酸钙30份、碳纤维3份和由由密度为1.44g/cm³的钠水玻璃10份和密度为1.44g/cm³的钾水玻璃10份制得的硅酸钠和硅酸钾混合液。按顺序依次放入搅拌器容器中混合成胶体，并以1000转/分钟速度恒温搅拌至分散均匀，使搅拌容器中的胶体成粘稠状，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5分钟制得A混合物。

称量原材料为取芳香胺30份，聚酰胺20份，5000目硅微粉40份和碳纤维1份，按顺序依次放入另一个搅拌容器中，并以400转/分钟恒温搅拌至微黄粘稠状，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得B混合物。取A混合物和B混合物以质量比为2：1混合在一起，以800转/分钟速度恒温搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得高性能结构胶。

实施例4

本实施例4提供现有技术与实施例1至3的对比实施例，称量原材料为E-44环氧树脂100份，放入搅拌器容器中以1000转/分钟速度恒温搅拌至分散均匀至粘稠状。称量原材料为聚酰胺50份，放入另一个搅拌器容器中以400转/分钟恒温搅拌至微黄粘稠状。取搅拌至粘稠状的E-44环氧树脂和搅拌至微黄粘稠状的聚酰胺以质量比为2：1混合在一起，以800转/分钟速度恒温搅拌均匀，制得环氧树脂胶。

针对实施例1、实施例2、实施例3的高性能结构胶和本实施例4现有技术中环氧树脂胶，通过采用C50混凝土制作100mm×100mm×100mm试块，养护28天后用于试验，将两块截面大小相同的试块进行粘结面打磨平整，清理表面灰尘，使用高性能结构胶将两块试块粘结，用于检测高性能结构胶加固带裂缝混凝土的劈裂抗拉强度，试验过程和数据处理按照《普通混凝土力学性能试验方法》进行。具体试验结果如表1。

表1 具体试验结果

检测内容	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					劈裂抗拉强度/MPa	2.18	2.57	3.56	1.60

由表1可知，采用本发明的原材料及其制备方法的实施例1、实施例2和实施例3的高性能结构胶与本实施例4现有技术中的环氧树脂胶相比，具有良好的力学性能。

实施例1至实施例3的高性能结构胶均用于桥梁加固连接剂或修补桥梁裂缝的封闭材料。优选地，修补各式桥梁混凝土的细微裂缝小于5mm。

采用实施例1至实施例3高性能结构胶加固材料的施工方法，包括如下步骤：

施工步骤1：准备施工所需要的设备和原材料，所需要的设备为搅拌器、料桶、裂缝填充结构胶专用灌浆器、电子秤、打磨机、钢丝刷、批刀、小型工具套件等，原材料为本发明的高性能结构胶的各组分材料、封缝胶等；确定施工作业部位范围，采用钢丝刷或打磨机清除掉作业部位表面碳化的混凝土，露出新鲜的混凝土，其次采用酒精或丙酮擦拭干净施工作业部位，清除作施工业部位的粉尘和灰尘，按照实施例1至实施例4的制备方法现场制备高性能结构胶，将高性能结构胶均匀涂抹在已清理的施工作业部位表面，通过碳纤维板或碳纤维布或钢板粘贴，直至高性能结构胶固化。施工收尾，收集高性能结构胶施工过程中产生的设备、材料和废料。

采用实施例1至实施例3高性能结构胶封闭裂缝的施工方法，包括如下步骤：

施工步骤1：准备施工所需要的设备和原材料，所需要的设备为搅拌器、料桶、裂缝填充结构胶专用灌浆器、电子秤、打磨机、钢丝刷、批刀、小型工具套件等，原材料为本发明的高性能结构胶的各组分材料、封缝胶等；采用钢丝刷或打磨机清除掉作业部位表面碳化的混凝土，露出新鲜的混凝土，其次采用酒精或丙酮擦拭干净施工作业部位，清除作施工业部位的粉尘和灰尘，按照实施例1至实施例4的制备方法现场制备高性能结构胶，根据裂缝位置、走向、长度和宽度，确定高性能结构胶注入口位置，优选地，把高性能结构胶注入口位置选在裂缝较宽处，可以设置多个高性能结构胶注入口，方便高性能结构胶注入和观察高性能结构胶注入 效果；

施工步骤2：采用封缝胶沿着裂缝的走向进行涂刷，预留施工步骤2确定好的注入口位置；

施工步骤3：将高性能结构胶通过专用灌浆器对施工步骤3预留的注入口位置进行低压充填，结构胶注入速度降低或溢出，即填充完成，拆除裂缝填充结构胶专用灌浆器软管，并用批刀将裂缝表面处理平整，直至高性能结构胶固化。施工收尾，收集高性能结构胶施工过程中产生的设备、材料和废料。

Claims (4)

1.一种高性能结构胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.称量E-44环氧树脂100份、硅酸钾和硅酸钠混合液5-30份、硅微粉20-180份、纳米碳酸钙5-30份和微米碳纤维1-4份的原材料混合，在恒温条件下，使用搅拌器以1000转/分钟的转速搅拌均匀，并置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制备得A混合物；

步骤2.称量硅微粉20-60份、聚酰胺20份、芳香胺30份和微米碳纤维1-2份的原材料混合，在恒温条件下，使用搅拌器以400转/分钟的转速搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5 分钟制得B混合物；

步骤3.将步骤1制备好的A混合物和步骤2制备好的B混合物以质量比2：1混合在一起，在恒温条件下，使用搅拌器以1000转/分钟的转速搅拌均匀，置于密闭容器中抽真空脱气泡处理5分钟制备获得；所述硅酸钾和硅酸钠混合液由密度为1.44g/cm³的钠水玻璃和密度为1.44g/cm³的钾水玻璃以重量份配比1：1进行配制所得。

2.根据权利要求1所述的一种高性能结构胶的制备方法，其特征在于，所述硅微粉为5000目硅微粉。

3.如权利要求1所述的制备方法制备得的高性能结构胶。

4.如权利要求3所述的高性能结构胶作为桥梁加固连接剂或桥梁裂缝封闭材料的应用。