固化体系对预制节段拼接胶性能的影响研究

周洪芝，罗仕刚，薛雪雪，魏莹，姚淑芳，陆栩梁

（1.卡本科技集团股份有限公司，天津 300385；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.建研院检测中心有限公司，北京 100013；4.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 311101）

0 前言

预制节段拼接工艺是将桥梁的梁体划分为若干节段箱粱，在制梁场预制后运到桥位进行组拼，通过施加预应力将节段整体拼接成桥的施工工艺。由于节段箱梁已在制梁厂提前预制，这种新型的施工工艺具有施工简单、经济和环境效益好、箱梁外观质量高等优点，在国内桥梁工业化进程中被广泛应用[1-4]。

预制节段拼接工艺中，接缝的处理是施工的重点。按接缝处理方式的不同，分为以下3种：干接缝、湿接缝和胶接缝。干接缝由于不能为后张预应力筋提供有效的防护而被禁止使用；湿接缝是指在箱梁之间预留间隙，重新浇筑混凝土的接缝处理方式；胶接缝是指在2个相邻箱梁之间涂抹环氧胶粘剂，施加预应力，待胶粘剂固化后，形成统一整体的接缝处理方式。相比于湿接缝，胶接缝处理方式具有施工简单，等待周期短，对环境影响较小等优势，而且胶接缝采用的环氧胶粘剂具有优异的本体强度以及粘结能力，使得胶接缝在预制节段拼装工艺中被大范围使用[5-9]。

应用于预制节段拼装的环氧类胶粘剂（以下简称预制节段拼接胶），在节段施工中，填充拼接缝，密封防水，防止预应力索锈蚀，保证箱梁整体良好的防渗水性能[10-12]。预制节段拼接胶是节段接缝处理的关键粘结密封材料，其性能的可靠性直接影响桥梁结构的安全。预制节段拼接胶按适用施工现场环境温度分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，温度范围分别对应5～20、15～30、25～40℃。2020年3月，国内首部关于预制节段拼接胶的团体标准T/CECS 10080—2020《预制节段拼装用环氧胶粘剂》发布，该标准明确了预制节段拼接胶的分类及标记，规范了预制节段拼接胶的检验规则及材料性能指标[13-14]。在预制节段拼接胶配方设计中，固化体系一直是胶粘剂配方设计的核心，直接决定胶粘剂的性能。为此，依据T/CECS 10080—2020，通过研究不同固化体系对预制节段拼接胶工艺性能、粘结性能的影响，确定了满足3种不同应用温度范围要求的固化体系。

1 试验

1.1 原材料

环氧树脂：CYD-128，工业级，中国石油化工股份有限公司巴陵分公司；改性脂肪胺固化剂G1、改性脂环胺固化剂G2、改性聚酰胺固化剂G3、改性芳香胺固化剂G4：工业级，市售；触变剂：疏水型气相二氧化硅，H-18，工业级，上海外电国际贸易有限公司；硅微粉：DG400，工业级，江苏联瑞新材料股份有限公司；稀释剂：1，4-丁二醇二缩水甘油醚，622，工业级，安徽新远科技有限公司；硅烷偶联剂：KH560，工业级，湖北新蓝天新材料股份有限公司。

1.2 试验仪器设备

双行星动力混合机：5 L，佛山市金银河智能装备股份有限公司；电子万能试验机：UTM5105SLXY，深圳三思纵横科技股份有限公司；电子秤：YP3001N，上海力辰仪器科技有限公司；恒温恒湿箱：HWS-70BX，天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 制备方法

1.3.1 预制节段拼接胶A组份的制备

按表1配方，将环氧树脂、活性稀释剂、KH-560加入双行星动力混合机中，常温常压下低速搅拌分散10 min；再加入相应数量的触变剂，中速搅拌分散30 min；然后再加入相应数量的硅微粉，低速搅拌分散10 min；抽真空脱泡，同步高速搅拌分散30 min，即制得预制节段拼接胶A组份。

表1 A组份的配方

1.3.2 预制节段拼接胶B组份的制备

胺类固化剂采用复配方式，不同固化体系的复配方案见表2。按表3配方，将胺类固化剂加入双行星搅拌釜中，加入触变剂，中速搅拌分散30 min；然后加入相应数量的硅微粉，低速搅拌分散10 min；抽真空脱泡，同步高速搅拌分散30 min，即制得预制节段拼接胶B组份。

表2 不同胺类固化剂及其复配方案

1.3.3 预制节段拼接胶的制备

将制备好的A组份和B组份按相应的质量比搅拌混合均匀，即制得预制节段拼接胶。

1.4 测试与表征

1.4.1 粘结性能测试

混凝土与混凝土对粘弯曲性能：按照T/CECS 10080—2020中的6.4.3进行测试；混凝土与混凝土压缩剪切强度：按照T/CECS 10080—2020中的6.4.4进行测试；钢对钢拉伸剪切强度：按照GB/T 7124—2008《胶粘剂 拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》进行测试。

1.4.2 工艺性能测试

可施胶时间：按照T/CECS 10080—2020中的6.3.2进行测试；可粘接时间：按照T/CECS 10080—2020中的6.3.3进行测试。

2 结果与讨论

2.1 不同固化体系对预制节段拼接胶混凝土与混凝土对粘弯曲性能的影响

预制节段拼接胶混凝土与混凝土对粘弯曲性能是指以预制节段拼接胶为粘结材料胶结2个尺寸相同的混凝土试块，养护到期后，试件四点弯曲受压，观察试件的破坏形式，以此模拟测试预制节段拼接胶对两节段的胶结效果。T/CECS 10080—2020规定，预制节段拼接胶的对粘弯曲性能测试的破坏形式应为混凝土内聚破坏。

经测试，1#～10#固化体系的预制节段拼接胶混凝土与混凝土对粘弯曲性能测试的试件破坏形式均为混凝土内聚破坏。表明预制节段拼接胶对混凝土具有可靠的胶结效果。这是由于上述预制节段拼接胶是环氧类胶粘剂，是以环氧树脂胺类固化剂为胶凝材料的新型加固材料，相比于混凝土这种以水泥为胶凝材料的传统建筑材料，其自身粘结能力更高。正拉粘结测试结果表明，常见的混凝土本体正拉粘结强度在1.0～5.0 MPa，而预制节段拼接胶的本体正拉粘结强度均在15 MPa以上，预制节段拼接胶的粘结强度远高于混凝土。因此，以预制节段拼接胶为粘接材料胶接2个混凝土试块，四点弯曲受压时，破坏均发生在混凝土内部，这也证明了在预制节段施工时，采用胶接缝的接缝处理形式具有明显的可靠性。

2.2 不同固化体系对预制节段拼接胶混凝土与混凝土压缩剪切强度的影响

对预制节段拼装构件整体进行受力分析，箱梁-预制节段拼接胶-箱梁在接缝处受到压缩剪切应力作用，T/CECS 10080—2020规定，预制节段拼接胶的混凝土与混凝土压缩剪切强度应不低于14 MPa。依据标准，制备不同固化体系预制节段拼接胶压缩剪切胶结试件，测试胶结试件的压缩剪切强度，研究预制节段拼接胶的胶结效果，测试结果见表4。

表4 不同固化体系预制节段拼接胶混凝土与混凝土压缩剪切强度

由表4可见，1#～10#固化体系的预制节段拼接胶混凝土与混凝土压缩剪切强度均大于14 MPa，均符合T/CECS 10080—2020规定的压缩剪切强度要求。这也进一步说明采用胶拼工艺的可靠性。

2.3 不同固化体系对预制节段拼接胶钢对钢拉伸剪切强度的影响

以上所进行的预制节段拼接胶粘结性能研究，无论是预制节段拼接胶混凝土与混凝土对粘弯曲性能测试，还是预制节段拼接胶混凝土与混凝土压缩剪切强度测试，破坏形式均发生在混凝土内部，均表明了预制节段胶拼方式的可靠性。为进一步测试预制节段拼接胶的本体粘结强度，评价不同固化体系粘结效果的优劣，依据GB/T 7124—2008制作钢片单搭接胶接试件，测试胶粘剂钢对钢拉伸剪切强度。不同固化体系预制节段拼接胶钢对钢拉伸剪切强度测试结果见表5。

表5 不同固化体系预制节段拼接胶的钢对钢拉伸剪切强度

T/CECS 10080—2020标准要求，预制节段拼接胶的钢对钢拉伸剪切强度应不低于17 MPa。由表5可知，1#～10#固化体系的预制节段拼接胶拉伸剪切强度均大于17 MPa，均符合T/CECS 10080—2020的要求。

由表4和表5可知，虽然以上配方体系的压缩剪切强度及拉伸抗剪强度均符合T/CECS 10080—2020的要求，但不同固化体系的粘结强度还是有着明显的差别，而且不同固化体系的压缩剪切强度和拉伸抗剪强度数据有着相同的变化趋势，整体粘结效果为：G3（改性聚酰胺）＞G1（改性脂肪胺）＞G2（改性脂环胺）＞G4（改性芳香胺）。这是因为：G1为改性脂肪胺固化剂，分子中含有脂肪族长链，具有较好的柔顺性，采用G1固化剂的预制节段拼接胶，具有较好的韧性，进行粘结能力测试时，表现出较好的压缩剪切强度及拉伸抗剪强度；G2为改性脂环胺固化剂，分子中含有环结构，具有一定的刚性，采用G2固化剂的预制节段拼接胶，材料虽然具有较高的强度，但由于材料自身刚性较大，在进行粘结能力测试时，压缩剪切强度及拉伸抗剪强度相比于G1固化体系要低。G3为聚酰胺固化剂，分子中存在酰胺基团，具有较好的润湿性以及柔顺性，采用G3固化剂的预制节段拼接胶，材料具有较好的韧性以及粘附力，在进行粘结性测试时，压缩剪切强度和拉伸剪切强度表现最好。G4为改性芳香胺固化剂，分子中含有苯环结构，具有较大的刚性，采用G4固化剂的预制节段拼接胶，材料自身刚性较大且固化不完全，在进行粘结能力测试时，压缩剪切强度及拉伸剪切强度相对较低。当单一的固化体系无法兼顾多方面性能时，可以采用固化剂复配的方式，达到需要的性能目标。

2.4 不同固化体系对预制节段拼接胶可施胶时间的影响

预制节段拼接胶大多在户外施工，为保证施工的正常开展，需了解材料在特定温度范围内的工艺性能，为施工提供可靠的数据指导。可施胶时间和可粘接时间是预制节段拼接胶重要的工艺性能。可施胶时间是指在温度段上限温度下拌制预制节段拼接胶，胶体在特定容器内升温到规定温度的时间，Ⅰ型和Ⅱ型需升温到40℃，Ⅲ型升温到60℃。T/CECS 10080—2020规定，用于预制节段拼装施工的环氧胶粘剂，应具有不低于20 min的可施胶时间。不同固化体系预制节段拼接胶在不同温度段的可施胶时间测试结果见6。

表6 不同固化体系预制节段拼接胶在不同温度段的可施胶时间

由表6可见：在5～20℃温度段，1#、5#、6#、7#固化体系可以满足可施胶时间大于20 min的要求；在15～30℃温度段，2#、7#固化体系可以满足可施胶时间大于20 min的要求；在25～40℃温度段，2#、8#、9#固化体系可以满足可施胶时间大于20 min的要求。

这是因为：（1）G1为改性脂肪胺固化剂，含有多官能度的胺基，由于是长链脂肪胺，空间位阻低，所以G1反应活性很高，固化速度快，应用于预制节段拼接胶，胶体放热迅速，测试的可施胶时间短。（2）G2为改性脂环胺固化剂，分子中由于脂环结构的存在，反应活性比脂肪胺低，所以G2反应活性比G1低，应用于预制节段拼接胶，测试可施胶时间比G1长。（3）G3为聚酰胺固化剂，固化剂中由于—CONH—的存在，H原子的反应活性较低，固化速度较慢，应用于预制节段拼接胶，胶体发热满且放热少，测试可施胶时间长。（4）G4为改性芳香胺固化剂，由于分子中存在的苯环共轭效应以及苯环空间位阻效应，导致改性芳香胺的反应活性明显比脂肪胺小，也正是由于反应活性的明显降低，在常温下，改性芳香胺大多反应不完全[15]，应用于预制节段拼接胶，胶体放热慢，可施胶时间很长。

2.5 不同固化体系对预制节段拼接胶可粘接时间的影响

可粘接时间是指预制节段拼接胶在温度段上限温度下，被涂抹到混凝土试件上，此时开始计时，晾置一定时间后，将混凝土试件两两对接，进行混凝土对混凝土对粘弯曲性能试验，破坏形式发生在混凝土内部的的最长晾置时间。T/CECS 10080—2020规定，用于预制节段拼装施工的环氧胶粘剂，应具有不低于60 min的可粘接时间。优选2.4中可施胶时间符合T/CECS 10080—2020要求的固化体系进行可粘接时间测试，结果见表7。

由表6和表7可知，固化体系对预制节段拼接胶可施胶时间以及可粘接时间的影响是相同的，这是因为，无论是可施胶时间还是可粘接时间，其内在决定因素均是预制节段拼接胶环氧固化体系的反应活性，可施胶时间测试为拌好的预制节段拼接胶可放置时间提供数据，可粘接时间测试为涂抹到节段箱梁上的预制节段拼接胶可等待时间提供数据，二者均体现了预制节段拼接胶的工艺性能，在实际工程施工中均具有重要意义。

当采用单一类型的固化剂，其工艺性能（可施胶时间或可粘接时间）无法满足T/CECS 10080—2020要求时，可以采用“快+慢”的固化剂复配方式，调节其固化速度，使其工艺性能符合标准要求。

由表4～表7可知，5～20℃时，6#配方（50份G1+50份G3）固化体系的粘结性能最佳；15～30℃时，2#配方（100份G2）固化体系的粘结性能最佳；25～40℃时，8#配方（50份G2+50份G3）固化体系的粘结性能最佳。

3 结论

（1）采用不同固化体系的预制节段拼接胶进行粘接性能测试表明，其混凝土与混凝土对粘弯曲性能、混凝土与混凝土压缩剪切强度、钢对钢拉伸剪切强度均符合T/CECS 10080—2020标准要求。

（2）不同固化体系的粘接性虽然均满足T/CECS 10080—2020要求，但其粘结性能存在明显差异，粘结性能排序为：G3＞G1＞G2＞G4。

（3）在5～20℃温度段，采用100份G1、50份G1+50份G2、50份G1+50份G3、50份G1+50份G4固化体系时，预制节段拼接胶的可施胶时间、可粘接时间符合T/CECS 10080—2020标准要求；在15～30℃温度段，采用100份G2、50份G1+50份G4固化体系时，可施胶时间、可粘接时间符合T/CECS 10080—2020标准要求；在25～40℃温度段，采用100份G2、50份G2+50份G3、50份G2+50份G4固化体系时，施胶时间、可粘接时间满足T/CECS 10080—2020标准要求。

（4）在5～20℃温度，50份G1+50份G3复配固化体系的整体性能最佳；在15～30℃温度段，100份G2的整体性能最佳；在25～40℃温度段，50份G2+50份G3复配固化体系的整体性能最佳。