周建民 李慧

                        （長沙市化工研究所，湖南長沙410007）

    20世紀50～70年代，地震的破壞給建筑界提出了嚴峻的課題，即如何修復 或加固那些不足以推倒重來的建筑。以1971年美國加州圣佛南多地震破壞后對 137m高市政大廈的修復為代表，建筑修補和加固便成為業界關心的課題，而20 世紀的日本阪神大地震后的道路、橋梁和建筑物的修復和加固則把環氧樹脂建 筑結構膠全面地展現在我們面前。在國內，20世紀80年代以中科院大連化物所 的JGN建筑結構膠開發和國外建筑結構 膠在我國的實際應用為契機，我國的環 氧樹脂建筑結構膠及其應用已全面進入實用階段。環氧樹脂建筑結構膠經過 20~30年的培育已成為當今建筑修補與加固用的主要膠種，發展十分迅速。本文 對建筑結構膠的分類、組成、特點和應用作了扼要介紹，特別對配方設計中固化 劑的選用作了深入的探討，并根據市場需求和應用情況對建筑結構膠的未來作了展望。
    環氧樹脂建筑結構膠的分類、組成、特點和應用
    1 分類
    按其應用用途大致分為：加固用、錨固和錨栓用、修補用和其他用途建筑結 構膠；按施工狀態分類可分為：灌注用、涂敷用和特殊型建筑結構膠（如藥包型）。
    國內環氧樹脂建筑結構膠品種大致 有粘鋼加固建筑結構膠、結構灌注膠、植 筋錨固膠、裂縫低粘灌封膠、碳纖維加固專用膠等產品。
    2 組成
    通過剖析建筑結構膠的經典配方， 我們發現環氧樹脂建筑結構膠大致有如 下幾種材料組成：環氧樹脂及其復合體系（如E44、E51、E20和AG80等的復合體系）、增韌劑、固化劑、填料和其他助劑，為滿足建筑結構膠的性能要求，有些 還需要加入一些其他組分，如稀釋劑、偶聯劑、溶劑等，其中固化劑的性能決定了整個環氧樹脂建筑結構膠的基本性能。 因此，固化劑的選擇成為環氧樹脂建筑 結構膠的性能優劣之關鍵所在。[-page-] 
    3 特點
    環氧樹脂建筑結構膠大致有如下幾 個方面的特點：①能粘接不同性質的材 料；②粘接強度高；③粘接處受力均勻， 不易產生應力集中現象，耐疲勞抗裂性、 整體性好；④粘接工藝簡單、操作方便、 施工速度快、效率高、工期短、成本低、效 果好；⑤建筑結構膠固化時間短，適用于 各類應急、搶修工程的補強、加固等。
    4 應用
    環氧樹脂建筑結構膠可廣泛適用于結構粘鋼加固、碳纖維粘貼加固、混凝土 裂縫注膠維護加固、濕式外包鋼加固、混凝土中鉆孔埋植鋼筋(或螺栓)、混凝土表面及內部缺陷修補、新老混凝土界面處理和混凝土表面涂刷防護等方面。
    固化劑的選用
    環氧樹脂的本身性質決定了固化劑的重要作用。固化劑作為配方中重要的決定因素需在配方設計中加以認真考慮。由于環氧樹脂建筑結構膠的應用環 境各異，下列幾個關鍵因素應作為配方 設計的重中之重：①固化因素：高活性； ②環境因素：憎水性；③結構要求：膠接 強度和耐濕熱持久性；④施工因素：適宜的粘度、可操作性、安全性；⑤經濟因素等。
    1 環氧樹脂的開環活性
    在建筑結構膠中使用的環氧樹脂一般是雙酚A型環氧樹脂，采用胺類固化 劑配方體系，這主要基于建筑結構膠施工環境等諸多因素。環氧樹脂的開環反應活性由本身結構包括取代基的電子效應所決定。在各類環氧樹脂中，縮水甘油 基型環氧樹脂反應活性比較大，脂環族環氧樹脂的活性相對要低得多，部分脂 環族環氧樹脂可以用芳香胺固化，絕大部分只能用有機酸酐或是BF3固化，不易配制常溫固化型膠粘劑。雙酚A環氧 樹脂可以按一定比例用改性胺或低分子聚酰胺等在室溫固化。通常，用聚酰胺固化雙酚A環氧樹脂，室溫拉伸剪切強度 可達20MPa，但在低溫下（<10℃）則固化不完全；在20℃，也需要較長的固化周 期。
    在一些配方中常加入一些如間苯二酚甲醛樹脂的環氧化物和環氧化酚醛樹 脂等以提高交聯度，改進高溫性能；也加入一些如雙環氧或單環氧活性稀釋劑，以此來降低主體環氧樹脂的粘度，這些 對環氧樹脂的高溫性能影響較小。加入 一些如液體聚硫橡膠等的增韌劑可以提高柔性；芳香胺可以彌補低分子聚酰胺 固化體系高溫性能差的缺陷。
    有實驗證明，在雙酚A環氧樹脂與改性胺的反應中，如果加入25％間苯二 酚，可以使反應速度提高10倍。但這一類物質會影響高溫強度和耐介質性。把 羥基直接引入環氧樹脂結構中，如在雙酚A環氧樹脂的環氧基鄰位引入一個羥甲基，該環氧開環活性比雙酚A雙縮水甘油醚環氧高出10倍，引入二個羥甲基，反應活性高出20倍。這種環氧可以作為室溫、甚至在－5～－10℃低溫下快速 固化的環氧建筑結構膠粘劑。這為我們設計低溫條件下使用的環氧樹脂建筑結 構膠提供了很好的思路。[-page-] 
    2 固化劑的反應活性
    在室溫條件下，要做到從幾秒到幾分鐘之內就使環氧樹脂固化并不是一件 難事，但由于這樣的固化體系使用時間極短，且膠的性能差，故缺乏實際使用價值。常用的環氧樹脂室溫固化劑是脂肪胺、改性脂肪胺等。在大面積土木建筑或水利工程中，經常用這類固化劑來固化 環氧樹脂作為水壩、涵洞建筑的加固膠。此外，還有以低分子聚酰胺和環氧樹脂為基料的膠粘劑，在建筑結構膠中可用來粘接鋼板。
    由于一年四季氣候變化，給室溫固 化帶來了復雜性，夏天氣溫在25℃以上 可以固化的建筑結構膠配方，在冬天戶 外平均-5～-10℃以下的氣溫條件則不一 定能固化。如脂肪族胺類以及低分子聚 酰胺雖然可以在20℃左右固化環氧樹 脂，但固化速度慢，不能滿足快速固化的 要求，亦不能在低溫固化一般環氧樹脂； 此外，由于水溶性大，不能在高潮濕表面 和水下使用。一些改性脂肪胺也有類似 的缺點，例如二乙烯三胺與環氧乙烷加 成物會吸水變質，氰乙基化二乙烯三胺 活性低，固化速度比二乙烯三胺還慢。
    3 憎水性
    在建筑工程的改造和修補過程中， 環境有時不會像人們期待的那樣適合 建筑結構膠的應用，水或潮濕環境是經常遇到的問題。脂肪胺類固化劑一般水 溶性較大，在水或潮濕環境下固化速度較慢，且強度低。采用低分子聚酰胺作 固化劑，在水中的白化情況亦比較厲害。這些對建筑結構膠的強度及其綜合性能都將產生不良影響。酚醛改性胺類環氧樹脂固化劑由于分子結構中有苯環的存在，其憎水性得到了較好的表達。
    4 高活性及憎水性固化劑
    滿足上述要求的固化劑種類有:酚 醛胺系列、酮亞胺系列、脂肪胺或芳香胺 與環氧化物的加成物、多胺與硫脲縮合 物、聚硫醇等。
    4.1酚醛胺[-page-] 
    這一類固化劑的典型代表是T31環 氧樹脂固化劑，由于分子結構中含有羥 基和羥甲基，對固化有促進作用，固化速 度比多乙烯多胺顯著加快。添加促進劑可明顯促進酚醛胺固化劑的固化。在國內環氧固化劑中，這一類產品和產量占相當的比例。為加強建筑結構膠的綜合性能，酚醛胺固化劑常與低分子聚酰胺等其他固化劑混合使用。
    4.2 酮亞胺
    用多元胺和酮類反應，以制備烯酮縮合物。這類固化劑有較長的使用期，非常適合應用在潮濕環境。這類固化劑在沒有接觸水時是穩定的，遇到水分則發生可逆反應，亞胺鍵分解而釋放酚醛胺固化環氧樹脂。另一種方式是多乙烯多 胺與酮直接反應所生成的酮亞胺，也可以同樣的方式固化環氧樹脂。
    4.3 脂肪胺或芳香胺與環氧化物的加成物
    有資料表明，這類固化劑在促進劑 作用下同樣具有低溫固化性能。如DDM 和異辛基縮水甘油醚的反應產物在0℃ 可以固化環氧樹脂，且具有優良的耐介 性；和聚酰胺配合使用可獲得一種性能 較好的建筑結構膠。
    4.4多胺與硫脲縮合物
    這類固化劑的特點是速固性。市場 上少見單獨使用，一般是作為改性胺類固化劑的加速劑使用。
    4.5 聚硫醇
    該類固化劑的特點就是可低溫快速固化。經典方法是聚硫醇加叔胺促進劑作固化劑，這樣的配合，即便是采用雙酚A環氧樹脂在－20～0℃的溫度下也能固化。但有數據表明，單獨使用聚硫醇和叔胺促進劑，在建筑結構膠中性能并不能獲得滿意效果。新的技術表明，將改性胺和該體系配合使用可獲得良好效果。
    4.6其他
    如上所述，聚酰胺單獨使用對建筑結構膠存在某些不利影響，但它可以與 其他快速、憎水固化劑配合使用。
    固化劑的復配技術在當今的建筑結 構膠中幾乎得到了普遍應用，如650聚 酰胺和810水下環氧固化劑、650和 593、810和聚硫醇等，在未來的實踐中， 還將涌現出多種不同的固化劑組合，以 獲得更加優異的性能。[-page-] 
    展望
    建筑結構膠近幾年發展迅猛，應用領域日益廣泛，膠粘劑品種日趨增多，應 用工藝也日益成熟。隨著建筑結構膠的應用領域進一步拓展以及行業標準逐步成熟規范，許多更高要求的膠粘劑還需要我們做進一步的開發研究，作為直 接決定膠粘劑使用性能的高性能固化劑的開發工作也擺在了各位從業人員 的眼前。有必要對下列各類型固化劑加大研究和應用開發力度：①低溫固化型固化劑，北方地區冬季施工困難，需要在-15℃甚至更低氣溫下施工使用，要求10天內完全固化，綜合性能全面。目前仍是難題。②常溫固化耐高溫固化劑，要求固化劑可室溫固化，可在高溫（如 150℃）條件下長期使用。如何提高耐溫 性能及強度需進一步努力。③高強度固 化劑，要求剪切強度大于30MPa，拉伸強 度大于50MPa，可使一些不能加固的場所實現粘接加固。需進一步降低生產成本，拓展應用。
    ④環保型固化劑，環保型固化劑是固化劑發展的新興領域，低毒、 低VOC的水基環氧膠對混凝土滲透性好，可潮濕面固化，施工時粘度可調，但仍需進一步提高水性固化劑的固化強度。另外，單組分潛伏型固化劑使用方便，環保節能，含濕敏性潛伏性固化劑在預置混凝土構件及潮濕工作面的土木建筑領域的應用已取得很好效果，但仍需進一步改善其耐水性、耐濕熱性及韌性。
    建筑結構膠的迅猛發展也給環氧固化劑帶來了良好的發展契機，節能高效、 綠色環保應是我們研發工作思考的要原則。
    從應用方面來看，環氧樹脂建筑結構膠的應用已拓展到眾多領域，研究者要根據現場實際情況設計和選用建筑結構膠，方能有的放矢，對工程進行修復加固，做到萬無一失，對生命財產負責。在未來建筑結構膠的設計和選用中，要著重解決膠的耐濕熱老化問題。從目前市場中出現的施工質量問題來看，解決這個問題已迫在眉睫，這有待業內專家和企業家認真對待。