摘要： 本文主要探討了固化劑的摻量、存貯時(shí)間及環(huán)境因素對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿性能的影響，研究結(jié)果表明，固化劑摻量為30份/100份環(huán)氧樹脂時(shí)，環(huán)氧樹脂砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展很快，3d抗折強(qiáng)度為7.2MPa，抗壓強(qiáng)度為24.4MPa；后期強(qiáng)度發(fā)展稍慢，90d抗壓強(qiáng)度為53.1MPa。固化劑摻量為10份/100份環(huán)氧樹脂時(shí)，后期強(qiáng)度很大，90d抗壓強(qiáng)度為96.9MPa，但早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，固化時(shí)間長(zhǎng)。40℃下環(huán)氧樹脂砂漿固化迅速，3d抗折強(qiáng)度即高于12.5MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)48.1MPa。
關(guān)鍵詞：T31固化劑，環(huán)氧樹脂砂漿，修補(bǔ)材料
中圖分類號(hào)：U418；TU58
Investigation on the Effect of Curing Agent on the Properties of Repairing Material of Epoxy Resin Mortar
Abstract: The effect of the dosage of curing agent, storage time and curing conditions on the properties of epoxy resin mortar has been investigated. When the dosage of curing agent is 30 curing agent /100 epoxy resin, the epoxy resin mortar gets higher early strength. Compression strength and flexile strength at 3 days are 24.4MPa and 7.2MPa, respectively. However, the long age strength is relatively lower, with 53.1MPa of compression strength at 90 days. When the dosage of curing agent is 10 curing agent/100 epoxy resin, the epoxy resin mortar has been of lower early strength but higher long age strength, with 96.9MPa of compression strength at 90 days. When the epoxy resin mortar cured at 40℃, higher early strength is achieved, the flexile strength at 3 days is higher than 12.5MPa and the compression strength is 48.1MPa.
Key words: curing agent; epoxy resin mortar; repairing materials
1 引言
環(huán)氧樹脂是一種分子中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基的化合物總稱，有時(shí)也稱為環(huán)氧低聚物，品種有：雙酚Ａ型環(huán)氧樹脂、阻燃溴化環(huán)氧樹脂、酚醛型環(huán)氧樹脂和脂環(huán)族環(huán)氧樹脂等[1]。隨著更多產(chǎn)品的開發(fā)，環(huán)氧樹脂的需求量也逐年增大，應(yīng)用前景廣闊。然而環(huán)氧樹脂必須與固化劑反應(yīng)以生成三向立體結(jié)構(gòu)才具有實(shí)用價(jià)值，固化劑的結(jié)構(gòu)與品質(zhì)將直接影響環(huán)氧樹脂的應(yīng)用效果。
T31固化劑(結(jié)構(gòu)式如圖1[2])是一種改性多元胺類的環(huán)氧樹脂固化劑，它是由苯酚、甲醛、二乙烯三胺經(jīng)曼尼希(Mannich)反應(yīng)縮合而來(lái)，具有較強(qiáng)的憎水性，能在0℃左右的低溫下固化環(huán)氧樹脂，也可以在相對(duì)濕度大于90%或水下固化環(huán)氧樹脂，有耐腐蝕、抗?jié)B透性好、固化速度快、粘接強(qiáng)度高、操作使用方便及價(jià)格較低等特點(diǎn)，是船舶，酸、堿、鹽類容器、地下油氣管線、礦井設(shè)備等的防腐、防水工程用低溫高溫和水下施工補(bǔ)漏作業(yè)及進(jìn)行化工設(shè)備和管道堵漏搶修時(shí)理想的固化劑，也是我國(guó)目前產(chǎn)量最大的固化劑[2]。與其他種類固化劑相比，T31固化劑是無(wú)毒等級(jí)的固化劑，應(yīng)用安全，固化收縮率小[3]，其技術(shù)指標(biāo)見表1[4]。 
2 固化機(jī)理
以E-44環(huán)氧樹脂為例，T31固化劑與環(huán)氧樹脂的固化機(jī)理如下：
第一步，由固化劑中的伯胺上的活潑氫與環(huán)氧基反應(yīng)生成仲胺：
其中K為環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％。得出其與E-44環(huán)氧樹脂的理論的配合比為100:(22.92~28.29)。
鑒于環(huán)氧樹脂砂漿體系中T31固化劑和樹脂的最佳配比這一問(wèn)題還需進(jìn)一步探討，筆者進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)工作，探討固化劑的合理?yè)搅考皩?duì)環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)材料性能的影響。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
3.1 固化劑對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿固化時(shí)間及強(qiáng)度發(fā)展的影響
T31固化劑與環(huán)氧樹脂、增塑劑、水泥和砂按設(shè)計(jì)配比混合均勻后，用40mm×40mm×160 mm三聯(lián)模成型砂漿試件，T31固化劑的用量分別為10、15、20、25和30份，試件在標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為20±2℃和80%RH，參照GB/T1346-2001測(cè)試砂漿的固化時(shí)間，并在齡期為3d、7d、28d和90d時(shí)測(cè)定試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。
固化劑的用量對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿固化時(shí)間及強(qiáng)度發(fā)展的影響見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，隨著固化劑使用量的減少，環(huán)氧樹脂砂漿的固化時(shí)間延長(zhǎng)，在實(shí)際使用中帶來(lái)的問(wèn)題也越多。因此，10份和15份固化劑摻量的配比只適合用在有特殊需要的行業(yè)。
隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，環(huán)氧樹脂砂漿的強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，使用20份固化劑時(shí)，3d的抗折強(qiáng)度是3.3MPa，抗壓強(qiáng)度是16.3MPa，7d的抗折強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)抗折強(qiáng)度測(cè)定儀的最大量程，即抗折強(qiáng)度大于12.5MPa，抗壓強(qiáng)度為45.6MPa。
養(yǎng)護(hù)至90d時(shí)，使用10份固化劑的環(huán)氧樹脂砂漿強(qiáng)度最高，達(dá)到96MPa，這與理論計(jì)算中固化劑完全固化環(huán)氧樹脂時(shí)所需的16.4～23.5份/100份環(huán)氧樹脂不相符，說(shuō)明在實(shí)際使用中，當(dāng)固化劑使用量較少時(shí)，在第三步固化反應(yīng)中，反應(yīng)物與生成物中的羥基與環(huán)氧基的反應(yīng)就會(huì)相對(duì)比較多，甚至很可能占主導(dǎo)地位，而且由于醚鍵的誘導(dǎo)效應(yīng)，環(huán)氧基上的氧原子有較多的負(fù)電荷，末端碳原子上則有較多的正電荷，因此它可以被叔胺開環(huán)，而引起陰離子加成聚合反應(yīng)，最后生成三向交聯(lián)巨大分子[7]，導(dǎo)致體系早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，但后期強(qiáng)度非常大。
摻入30份固化劑的環(huán)氧樹脂砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展得非?？?，但7d后其強(qiáng)度幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，筆者認(rèn)為這可能是由于早期固化劑的量比較充足，固化反應(yīng)的進(jìn)程相當(dāng)快，并隨著反應(yīng)的進(jìn)行放出大量的熱，這些熱無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致樹脂內(nèi)部燒焦、表面發(fā)泡，造成其固化后的強(qiáng)度較小。
3.2 固化劑的存貯時(shí)間對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿固化時(shí)間及強(qiáng)度發(fā)展的影響
一般來(lái)說(shuō)，T31固化劑的保質(zhì)期是1年，隨著存貯時(shí)間的延長(zhǎng)，其性能會(huì)有所變化，因此本研究中分別采用新鮮的、存放時(shí)間為6m和存放時(shí)間為12m的T31固化劑進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中用20份T31固化劑與環(huán)氧樹脂、增塑劑、水泥和砂按設(shè)計(jì)配比混合均勻，用40mm× 40mm×160mm的三聯(lián)模成型砂漿試件，在標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，測(cè)定砂漿的固化時(shí)間，并在齡期為3d、7d、28d和90d時(shí)測(cè)定試件的抗折和抗壓強(qiáng)度。
固化劑的存貯時(shí)間對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿固化時(shí)間及強(qiáng)度發(fā)展的影響見表3。由表3中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)T31固化劑存貯時(shí)間在6m之內(nèi)時(shí)不影響環(huán)氧樹脂砂漿的固化過(guò)程及強(qiáng)度的發(fā)展，但固化劑存貯時(shí)間為12m時(shí)，強(qiáng)度發(fā)展緩慢。這可能是因?yàn)榉胖?2m后伯胺上的活潑氫的活性降低而導(dǎo)致的，但由于活潑氫的數(shù)量并沒(méi)有減少，所以存放12m的T31固化劑并不影響環(huán)氧樹脂砂漿的長(zhǎng)期強(qiáng)度。 
3.3 不同環(huán)境下固化劑對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿固化時(shí)間及強(qiáng)度發(fā)展的影響
選用20份T31固化劑與環(huán)氧樹脂、增塑劑、水泥和砂按設(shè)計(jì)配比混合均勻，用40mm× 40mm×160mm的三聯(lián)模成型砂漿試件，養(yǎng)護(hù)條件分別為放置在室外(見表4)、標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土養(yǎng)護(hù)室及40℃的烘箱內(nèi)，測(cè)定砂漿的固化時(shí)間，并在齡期為3d、7d、28d和90d時(shí)測(cè)定試件的抗折和抗壓強(qiáng)度。不同環(huán)境條件下固化劑對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿固化時(shí)間及強(qiáng)度發(fā)展的影響見表5。 
無(wú)論哪種固化劑其固化的環(huán)氧樹脂砂漿產(chǎn)物對(duì)環(huán)境條件的變化都非常敏感，T31固化劑雖然在這方面與同類材料相比性能出眾，但環(huán)境條件對(duì)其固化過(guò)程的影響也較大。由表5的數(shù)據(jù)可知，在40℃的烘箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)時(shí)強(qiáng)度發(fā)展得最快，3d的抗折強(qiáng)度即可超過(guò)12.5MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了48.1MPa，但其長(zhǎng)期強(qiáng)度不高，這應(yīng)該是較高的溫度促進(jìn)了固化反應(yīng)。而在室外養(yǎng)護(hù)的試樣剛好相反，其早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，長(zhǎng)期強(qiáng)度很高。
4 結(jié)論
(1) 當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件為20±2℃和80%RH，T31固化劑摻量為30份/100份環(huán)氧樹脂時(shí)，環(huán)氧樹脂砂漿早期強(qiáng)度發(fā)展很快，3d抗折強(qiáng)度為7.2MPa，抗壓強(qiáng)度為24.4MPa；后期強(qiáng)度偏小，90d抗壓強(qiáng)度為53.1MPa，適用于需要快硬快凝的工程。
(2) 當(dāng)養(yǎng)護(hù)條件為20±2℃和80%RH，T31固化劑摻量為10份/100份環(huán)氧樹脂時(shí)，后期強(qiáng)度很大，90d抗壓強(qiáng)度可達(dá)96.9MPa；但早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，3d還沒(méi)有完全固化，適用于需要后期強(qiáng)度很大且施工時(shí)間寬裕的工程。
(3) T31固化劑存放半年后使用并不影響環(huán)氧樹脂砂漿的固化物整體強(qiáng)度。
(4) T31固化劑在固化環(huán)氧樹脂砂漿過(guò)程中，環(huán)境條件的變化對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿性能的影響很大，當(dāng)環(huán)氧樹脂砂漿處于高溫(40℃)下，其固化迅速，3d抗折強(qiáng)度即可超過(guò)12.5MPa，抗壓強(qiáng)度為48.1MPa，但長(zhǎng)期強(qiáng)度不高，90d抗壓強(qiáng)度為61.3MPa，適用于需快硬的工程；處于低溫下時(shí)，其固化較緩慢，適用于需要后期強(qiáng)度很大且施工時(shí)間寬裕的工程。
(5) T31固化劑在實(shí)際工程使用中必須根據(jù)施工的要求、環(huán)境的因素及固化劑的儲(chǔ)存時(shí)間綜合考慮固化劑的用量，不能照搬經(jīng)驗(yàn)或理論用量。
