一种粘钢结构胶及其制备方法与流程

本发明属于建筑工程结构加固领域，具体涉及一种以混凝土为基础的粘钢结构胶及其制备方法。

背景技术：

1、粘钢加固作为一种常见的建筑工程加固技术，它通过使用结构胶将待加固部位与钢材构件粘结成整体，使其共同受力，从而起到补强作用。在以混凝土为基础的粘钢加固中，国标gb50728-2011对结构胶综合指标提出了明确的强制性规定。如ⅰ类a级胶抗拉、抗压、抗弯强度应分别不低于30mpa、65mpa、45mpa，断裂伸长率不低于1.2％，钢-钢拉剪强度不低于15mpa，钢-c45砼正粘强度不低于2.5mpa，抗t冲击剥离长度不高于25mm，热变形温度不低于65℃，适宜高寒地区、设计寿命30年的胶种还应分别通过耐冻融、耐湿热老化考核。压注型粘钢结构胶因低粘度(gb50550-2010规范要求需小于1000cp)、易流动、高渗透、操作简便等特性被广泛用于桥、梁、板、柱的湿法外包钢施工，可大幅提高墩柱的承载力。涂刷型粘钢结构胶则应具备较高粘度，施胶于立面或顶面后不流挂，触变指数至少3.0以上。因粘接工法及材料物性间的差异，压注型与涂刷型粘钢结构胶一般不能通用，需单独备货。

2、近年来，随着国内基础建设的蓬勃发展，各种体系的粘钢结构胶接连涌现。常见粘钢结构胶的配方组成多以环氧树脂、胺类固化剂为主，同时根据不同应用场景及相关国标规范的性能要求再添加其他功能填料，如可改善材料脆性的增韧剂、降低浆液粘度、增强浸润能力的活性稀释剂、提高体系结合强度的偶联剂以及固化促进剂、触变剂、消泡剂等，但在满足不同工况场合的同时也暴露出不少问题。一些厂商组配技术不过关或过度压缩成本，牺牲了产品性能。据某知名检测院反馈，多数国产粘钢结构胶抽检合格率低，强度、模量不达标；品类不全、压胶不畅、涂胶垂挂，对环境温度容忍度有限，南北方、冬夏季适应性差等情形时有发生。

3、中国发明专利申请cn106047254a公开了一种高强度高断裂伸长率环氧粘钢胶及其制备方法。其由a、b双组分以2：1质量比混合而成，a组分由80份双酚a型环氧树脂、20份双酚f型环氧树脂、1～10份稀释剂、5～15份增韧剂、2～8份触变剂、1～8份偶联剂、200～240份填料组成；b组分由100～120份酚醛酰胺固化剂、2～8份触变剂、1～8份偶联剂、200～240份填料组成。该胶操作简单、触变性好、顶面施工不流淌，填料高达66％。该发明提供的粘钢胶虽实现了低成本化，但可能存在分层离析现象，为改善填料过多可能诱发的韧性不足，添加了5～15份液体橡胶增韧剂，其在交联网络中的“海-岛”结构其实也存在界面分相隐患。

4、中国发明专利申请cn108865030a公开了一种灌注型粘钢胶及其制备方法，该粘钢胶由a、b组份按4:1比例混合制得，其中a组份按重量计，包括环氧树脂90～110份、稀释剂5～25份、增韧剂10～30份、800目硅微粉6～26份；所述b组份按重量计，包括固化剂25～45份、促进剂1～5份、偶联剂0.5～1.5份。为使其符合国标中a级胶的相关要求，保证中等粘度与可灌性，该发明在a组份中添加800目以上的硅微粉，硅微粉维持在低掺量，最终该胶受拉弹性模量高于4.0gpa。但该胶难以涂刷作业且只能常温固化，对于北方地区漫长又寒冷的冬季可能不适用(如我国东北头年10月至来年4月长达半年期内平均气温大都处于0℃左右或以下)；加之未指明具体的原料类别，成品实际指标或许存在较大波动。

5、中国发明专利cn114316866b公开了一种建筑结构用粘钢胶及其制备方法，所述粘钢胶a组分207～345份，b组分90～110份，固化体系156～260份，改性剂25～55份，填料50～100份，外加剂5～15份，其中a组分包括双酚a型环氧树脂，b组分包括丙烯酸羟丙酯树脂，固化体系包括固化剂，改性剂包括重量比为1:(2～4):(2～4)的丙酮、生石灰粉和脂肪酸甲酯磺酸钠。以生石灰作改性剂组分，吸收砼基面的水分并放热，从而加快粘胶固化速度，使其可在低温潮湿环境中应用。但应当注意的是，生石灰恐严重破坏砼-钢结合面的酸碱性，其水化生热还可能进一步加剧夏季施工时原本因气温过高导致的操作期过短、易爆聚等风险；此外，丙酮挥发也将使得胶体收缩率偏高(gb50728-2011规定不挥发物含量≥99％)。

6、综上所述，现有技术仍大致存在以下诸多缺陷：(1)施工性不能完全满足现场需求，如压注胶流动/流平性差，难以充满整个灌注腔；涂刷胶触变性低，易流淌滴胶；(2)固化温度范围窄，不同气候需区分胶型(冬季款与夏季款)；(3)基面一般应呈现干态，潮湿环境(尤其是水下)不宜施胶；(4)综合性能尚有进一步提升空间；(5)产品功能单一，难以一物多用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的粘钢结构胶压注/涂刷性能不稳定、固化温度范围窄、一般仅用于干燥环境、胶型适用性单一等不足，本发明旨在提供一种粘钢结构胶及其制备方法，所述结构胶通过多种功能填料的合理复配，在砼-钢结合面具备良好的强度与韧性，符合gb50728-2011、gb50550-2010质量规范；通过选择特定的固化体系，胶液可在0～35℃的宽温域范围内使用，干、湿(乃至水下)状态均可施工，能适应国内大部分地区和场景；通过改变组分及配料比，能轻松实现压注与涂刷两种施工方式的切换。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种粘钢结构胶，包括a组分、b组分以及c组分；

4、所述a组分以质量份计，包括液态双酚a型环氧树脂40～70份、液态双酚f型环氧树脂10～30份、活性稀释剂5～20份、增韧剂1～15份、粘接促进剂1～10份、消泡剂0.1～1份；

5、所述b组分以质量份计，包括固体双酚a型环氧树脂50～60份、增强纤维1～5份、波兰特水泥30～50份、触变剂1～5份、改性石墨烯1～3份；

6、所述c组分以质量份计，包括胺类固化剂95～100份、固化促进剂0～5份、触变增效剂0～0.5份；

7、其中，所述a组分、c组分按(2～4)：1的质量比混合构成压注型粘钢结构胶；所述a组分、b组分、c组分按(1～2)：(7～9)：1的质量比混合构成涂刷型粘钢结构胶。

8、按加固工艺和操作方式差异，当前市面以混凝土为基础的粘钢结构胶可细分为压注型与涂刷型两类，因产品物性差异过大，二者无法通用。压注胶需要在一定压力下短时间内渗透并充满整个预先设置的灌注空腔，受腔体宽度限制(一般不超过5mm)，胶液应具备低粘度、高流动/平性，否则可能因填充不实影响砼-钢粘合强度。涂刷胶则多利用抹刀手工作业，胶液需质量轻，有一定粘度和高触变，涂刷时铺展性强，外力撤消后能够迅速维持形态稳定，触变指数应不低于3.0。若比重过大、粘度过低或触变不足，立面(尤其是顶面)施工时极易流挂滴胶，不仅造成材料浪费，还可能导致粘接失效；高粘度虽有助于抗流挂，但也容易出现涂布阻滞不畅、表面高低不平等缺陷。鉴于此，本发明提供的粘钢结构胶包含a、b、c三组分，a组分为液态树脂，b组分为含树脂的混合粉料，c组分为低粘度固化剂。“a+c”组合物有着较低粘度(500～800cp)，可用于压注；简单添加全固态的第三组分，即“a+b+c”模式下胶液便可发挥高触变性，以适应涂刷作业，从而实现了两种截然不同施工方式的转变与统一。

9、进一步地，所述液态双酚a型环氧树脂、液态双酚f型环氧树脂的环氧当量为170～190g/mol。

10、双酚a型环氧树脂价格适中，涂料、油墨、胶粘剂行业广为选用，但常温下粘度较大，冬季易结晶；双酚f型环氧树脂分子链相对规整，体积位阻小，粘度低，但售价偏高，互配可获得适宜的粘度与成本控制，且能够规避低温时结晶析出。a组分中选择环氧当量均为170～190g/mol的液态双酚a型环氧树脂与液态双酚f型环氧树脂，此当量下环氧树脂拥有较佳的机械强度，二者共掺可使组合物粘度降至原纯双酚a型环氧树脂的1/3～1/4，从而获得低粘度与高流动性。

11、进一步地，所述活性稀释剂为具有缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩水甘油胺结构的低粘度反应性溶剂，选自脂肪族或脂环族或芳香族或酚类的缩水甘油醚、缩水甘油酯、缩水甘油胺及其衍生物中的一种或多种；优选地，所述活性稀释剂为叔碳酸缩水甘油酯，其粘度低至7cp，与水接近(2.98cp)，且相对于其他活性稀释剂耐酸/碱更为稳定，闪点高，不易挥发，与胺类固化剂反应活性大，可增强对金属的附着力。

12、进一步地，所述增韧剂为聚乙二醇二缩水甘油醚或酯或胺、聚丙二醇二缩水甘油醚或酯或胺及其衍生物中的一种或多种；优选为聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的至少一种。

13、本领域中常见增韧剂包括液体橡胶(聚醚、聚硫、丁腈类)、核-壳大分子、超支化聚合物、无机粒子、热塑性树脂、聚乙二醇二缩水甘油醚或酯或胺、聚丙二醇二缩水甘油醚或酯或胺及其衍生物等。但核-壳大分子、超支化聚合物等制备工序复杂，价格相对昂贵，液态橡胶在三维交联网络中形成的“海-岛”结构易诱发界面分相，基于成本与环氧体系相容性等综合考量，本发明选择聚乙二醇二缩水甘油醚或酯或胺、聚丙二醇二缩水甘油醚或酯或胺及其衍生物中的一种或多种，优选聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的至少一种，其分子结构中富含可自由旋转的挠性脂肪长链，能够有效改善固化物韧性，以应对机械外力或冷热冲击。

14、进一步地，所述粘接促进剂选自烷氧基硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆酸酯及其衍生物类偶联剂中的一种或多种；优选为烷氧基硅烷偶联剂与钛酸酯偶联剂的组合物。针对砼-钢基面，烷氧基硅烷水解生成的硅醇键可与混凝土及钢构表面的大量羟基形成分子间作用力，而钛酸酯中的钛酸根、磷酸根、磷羟基则可促进对金属基底的粘接。

15、所述消泡剂的选择无特殊限制，能够促进体系快速消泡即可，如可以选自byk-141、byk-a530、byk-a535、byk-066n中的一种或几种。

16、进一步地，所述增强纤维为木质纤维、玻璃纤维、钢纤维、碳纤维中的一种或多种；考虑经济性与原料来源，优选为玻璃纤维、钢纤维中的至少一种，其长度≤5mm、直径≤0.1mm。若纤维过长，混料阶段容易打结成团；直径过粗，无助于分散。

17、进一步地，所述触变剂为气相二氧化硅、高枝化度棉状pe纤维中的至少一种；优选地，所述气相二氧化硅为亲水型气相二氧化硅。

18、本领域中常见触变剂有气相二氧化硅、有机膨润土、海泡石、蒙脱土、硅藻土、聚酰胺蜡、纤维素醚、改性蓖麻油、改性脲、高枝化度棉状pe纤维等。由于市售多数触变剂(如纤维素醚)在改善防沉、防流挂性能的同时存在增大体系粘度的负面影响，为使粘钢结构胶涂刷作业时具备合适的施工滑爽性与流平性，本发明选择触变剂为气相二氧化硅、高枝化度棉状pe纤维中的至少一种，进一步选择增稠作用较轻微的亲水型气相二氧化硅与高枝化度棉状pe纤维搭配，并控制亲水型气相二氧化硅比表面积≤130m2/g，高枝化度棉状pe纤维长度≤0.6mm、直径≤10μm，且二者在b组分中的总加量≤5份。若气相二氧化硅比表面积过大，pe纤维过长，总加量过高均会使得胶液过稠、涂布不畅。

19、改性石墨烯已被证实有着诸多优异特性，可利用改性片层边缘或缺陷部位上的含氧基团(羟基、羧基、羰基等)对体系强化加固，适量添加可进一步促进砼-钢层间结合。

20、进一步地，所述胺类固化剂为酚醛胺、酚醛酰胺中的至少一种。

21、由于粘钢加固多为室外作业，不具备辅助加热条件，所用胶种普遍为常温固化型，常使用的固化剂大多为胺类，包括脂肪胺、脂环胺、聚酰胺、聚醚胺、酮亚胺、双氰胺、酚醛胺、酚醛酰胺及其衍生物等。基础胺(如脂肪类二乙烯三胺、脂环类异佛尔酮二胺)以及小分子量改性胺反应活性过于依赖环境温度(夏季放热量大、易爆聚，冬季凝胶慢、固化不彻底)，潮湿环境易发白；酚醛胺、酚醛酰胺放热平缓，适用温域广，可在0℃左右、潮湿甚至水下固化，固结体韧性及强度高。针对压注作业浆液粘度低，操作期长(23℃下不小于1h)，强度形成时间短(23℃下不大于5h)，低温较快固化、高温下平稳放热等特定需求，本发明选择胺类固化剂为酚醛胺、酚醛酰胺中的至少一种，其在23℃下粘度≤600cp、操作期0.5～2h、热变形温度≥70℃。

22、更优选地，所述酚醛酰胺为酚醛酰胺lt-44x-1(常州山峰化工有限公司)，其粘度为450cp、操作期为0.5h、热变形温度为90℃；所述酚醛胺为酚醛胺lite 2401(卡德莱化工有限公司)，其粘度为90cp、操作期为1.5h、热变形温度为126℃。在具体实施例中，将两者按(1～3)：(1～3)的质量比混合均匀，混合物具有较低的粘度、适宜的操作期以及较高的耐热温度。低粘度有利于压注时对灌注腔的快速填充，适宜的操作期不仅可提供充裕的配胶和施工时间，且在作业结束后能够快速固化形成强度，而较高的耐热温度可赋予固结体受热时抗形变能力。

23、所述固化促进剂应可良好激发胺类固化剂活性，如选自乙醇胺、2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚、2,4-二甲基咪唑中的一种或几种。

24、进一步地，所述触变增效剂为高枝化胺类聚合物。为了最大限度发挥b组分中亲水型气相二氧化硅的触变效能，在c组分中添加有高枝化胺类聚合物型触变增效剂。

25、本发明还提供上述粘钢结构胶的制备方法，包括以下步骤：

26、s1，分别制备a组分、b组分、c组分；其中，

27、(1)制备a组分：按比例称取a组分各原料，将液态双酚a型环氧树脂、液态双酚f型环氧树脂、活性稀释剂、增韧剂、粘接促进剂、消泡剂依次加入投料釜，搅拌均匀，得a组分；

28、(2)制备b组分：按比例称取b组分各原料，将固体双酚a型环氧树脂破碎，过200目筛，得固体双酚a型环氧树脂粉末；将所述粉末、增强纤维、波兰特水泥、触变剂、改性石墨烯依次加入投料釜，搅拌均匀，得b组分；

29、(3)制备c组分：按比例称取c组分各原料，将胺类固化剂、固化促进剂、触变增效剂依次加入投料釜，搅拌均匀，得c组分；

30、s2，将所述a组分、c组分按照(2～4)：1的质量比混合搅拌均匀，制得压注型粘钢结构胶；

31、s3，将所述a组分、b组分、c组分按(1～2)：(7～9)：1的质量比混合搅拌均匀，制得涂刷型粘钢结构胶。

32、进一步地，步骤s1中，制备a组分、b组分时的搅拌速度为400～800r/min；制备c组分时的搅拌速度为1000r/min。

33、进一步地，步骤s2中，a组分、c组分在400～600r/min下搅拌3～5min至混合均匀。

34、进一步地，步骤s3中，a组分、b组分、c组分在400～600r/min下搅拌5～10min至混合均匀。

35、当气温过低(≤10℃)或水下施工，执行上述步骤s2或s3时，“a+c”或“a+b+c”混胶均匀后先静置熟化5～10min，再进行压注或涂刷作业。

36、在上述技术方案中，三种组分原料组配合理，协同增益。在基本不增加成本的前提下，液态双酚f型环氧树脂的引入，显著降低了液态双酚a型环氧树脂的粘度，规避其低温时的结晶析出；同时辅以活性稀释剂，a组分粘度进一步降至1600cp以下，a、c组分配合时，浆液粘度仅为500～800cp，低于gb50550-2010规范要求(≤1000cp)，使其能够在狭窄缝腔中快速渗透和填充。优选末端带有缩水甘油醚单元的脂肪族长链增韧剂，确保了与环氧-胺体系的良好兼容(与环氧同属缩水甘油醚类)，即便大量添加，也不会诱发界面分相，赋予了固结体较佳的抗机械外力或冷热冲击韧性，交变温冻融稳定性高。多种粘接促进剂及改性石墨烯、增强纤维复合，提升了粘钢结构胶与混凝土及钢构件的结合强度。亲水型气相二氧化硅与高枝化度棉状pe纤维互掺，减轻了常规触变剂在增进触变的同时自身增稠的副作用，且b组分所用粉末原料皆为低密度，引入至“a+c”体系后，即可改变浆液的流动性和抗流挂能力，同时进一步改善了固结体的弹性模量，降低了冷热交替时的线膨胀系数。进一步地，胺类固化剂的筛选综合考虑了低温反应活性、操作期、耐热形变、粘度、放热量等多种因素，优选的两类酚醛(酰)胺均有着低粘度，对气温容忍度高，能够在0～35℃宽温域固化，干、湿基面(乃至水下)皆可施工，操作期一短一长(0.5h vs.1.5h)、放热峰时一前一后，使得施工人员在浆液丧失流动性之前有着充裕的准备和作业时间；施胶结束后数小时内即初具强度，缩短了拆模和养护周期。

37、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

38、(1)本发明提供的粘钢结构胶制备体系具有合理的原料组配，最大限度发挥了各自的协同增益效果，所有组分均不含挥发性有机物，零voc排放，绿色环保，制备的粘钢结构胶不挥发物含量大于99.4％，综合性能良好，属于ⅰ类a级胶种。

39、(2)本发明提供的粘钢结构胶通过选择特定的固化体系，能在0～35℃的温度范围内固化，且能在潮湿基面(包括水下)施胶，胶液不扩散，可正常固结，因此适应南北方、夏冬季、干湿环境等多场景需求。

40、(3)本发明提供的粘钢结构胶通过a、b、c组分间的特定组合，可实现压注与涂刷两类存在明显差异施工方式的快速切换，尽到了一物多用，应用拓展度高。

41、(4)本发明提供的粘钢结构胶除固体双酚a型环氧树脂需预先破碎制粉外，其余原料可直接使用，各组分逐项称重后高速搅拌混合，分散均匀即可，制备工艺简单。

42、说明书附图

43、图1为使用实施例1少量压注型粘钢结构胶粘结混凝土与钢锭后的抗拉拔效果。圈线内的混凝土出现明显内聚破坏(表面被拉脱剥离，形成下凹)，露出新表层，说明该胶样相比于c45混凝土强度更高。

44、图2为使用实施例2涂刷型粘钢结构胶涂刷作业时模拟水下固化效果。从中容易看出，膏浆不易被水稀释、溶解、溶胀或冲散，具有不扩散性，且可正常固结。

45、图3为使用实施例1涂刷型粘钢结构胶用于某大桥横梁混凝土粘钢加固作业时膏浆顶面悬空状态，表现出良好抗垂挂性。