石材环氧干挂胶的应用及常见问题探析
【摘要】本文简要介绍了石材环氧干挂胶的应用及其在使用过程中暴露出的常见问题，结合自身的产品开发实践探讨了问题的对策、未来产品开发的方向，并介绍了现有产品开发情况。
【关键词】关键词：石材幕墙；石材干挂胶；环氧树脂；低温固化
1.前言
石材幕墙外表美观大气，是时下较流行的建筑外部装饰形式。在建筑施工中常采用干挂工艺。该工艺在建筑物主体结构的外围预先布设金属型材骨架，石材经钻孔或开槽后嵌入不锈钢挂件后把石材板材、异型材固定在金属骨架上形成装饰面。干挂工艺彻底摒弃了传统的水泥砂浆。根据“JGJ 133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》”的规定，干挂石材幕墙高度不超过100m，且需在抗震设防的地区，设防烈度不大于8o [1]。
干挂法按具体的安装方式又分为背栓式工艺（见下图1）和短槽式工艺（见下图2）两种。背栓式需要在石材背面钻孔、拓孔，之后插入不锈钢背栓。背栓上的扩张环打开后与石材紧密锚固在一起，可承受很强的张力和压力。再通过金属挂件跟由热镀锌金属构成的横竖龙骨（通过预埋件固定在建筑主体上）连接。背栓式工艺的主要优点是：每块石材均有4个背栓挂件，可均匀承受石材重量，且挂件与龙骨挂件接触面积大，承载强度高、稳定性好，适用于高层和超高层石材外墙；这种工艺后续维护（更换、拆解）方便；且由于不使用化学胶粘剂，无石材污染的风险[2]。当然背栓式工艺存在如下缺点：工艺相对复杂，对施工者素质要求高；板材在上墙之前需要用专门的打孔和拓孔设备加工；此外金属锚栓的成本高。以上因素使得背栓式幕墙施工工艺整体成本较高。
另外一种常见的干挂工艺是短槽式安装法。与背栓式不同的地方在于石材的四个边预先开槽（槽宽1～1.5cm，深2～3cm）。T型金属挂件插入槽中后用环氧干挂胶填充。胶固化后形成强度起到结构承载的作用。短槽式工艺的主要优点是：工艺相对简单，对施工者素质要求不高。所使用的金属挂件便宜，整体安装成本低。但该法的主要缺点也很突出：由于使用化学胶粘剂，若操作使用不当或胶产品存在质量问题，就存在污染石材的可能性。
干挂胶在石材干挂工艺中的作用至关重要，粘结质量的好坏直接影响幕墙结构的耐久性和安全性[3，4]。通常2cm厚的石材每平方米的重量为50～60kg，每平米平均用胶量为80～150g。因此石材的粘接性能是重要安全保证。目前干挂胶产品适用的标准是JC 887-2001《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》。
2.环氧干挂胶应用的主要问题及对策
2.1 产品主要问题
过去十几年建筑产业飞速发展带动了国内干挂胶市场的繁荣。市场参与者众多，竞争异常激烈。为争夺市场份额，生产企业纷纷采取低价策略。价格最低在5-6元/kg，稍微高档的在12-13元/kg上下。恶性竞争的结果是企业为了盈利而压缩成本，导致产品质量较差。
目前国内环氧干挂胶产品自身暴露出的主要问题有：固化速度慢，刺激性气味大，存储稳定性差易出油，冲击韧性差易脆，冬季不易施工等。固化速度慢跟环氧树脂的固化反应机理（通常是离子型开环聚合反应）有关[5-6]。建筑用环氧胶通常为常温固化，固化剂从化学类别上讲主要是胺类（或改性胺类）[7]。为提高反应速度配方中会添加促进剂。不过即便有促进剂帮助提升固化反应速度，反应速率常数也远远无法跟自由基聚合固化反应速率常数比，宏观上无法达到类似不饱和聚酯（云石胶固化反应）那样的固化反应速度（初步固化时间小于5分钟）。可以说固化速度的实质提升更多依赖于新型环氧固化剂的研究。另外，由于胺类固化剂普遍挥发性强、刺激性气味大，在胶产品的生产和使用过程都可能对人自身健康、周围环境构成威胁。产品的存储稳定性差表现在存储一段时间后（通常是2～3个月），胶体发生固液相分离（即所谓出油）。对于环氧树脂为主体的A组分，离析出来的主体成分是树脂和稀释剂。对于固化剂为主体的B组分，离析出来的主体成分是固化剂和促进剂。存储环境温度越高出油更明显。存储的稳定性跟配方和生产工艺关系密切，提高粉体填料和液体料的相容性，同时注意在混合时在分散搅拌之外增加研磨工序都会提升分散效果，改善存储稳定性。值得一提的是产品出油加上未充分混匀常常是石材幕墙污染的诱因。冲击强度是评价环氧干挂胶性能的重要参数。未增韧时固化产物韧性差易脆，是环氧胶的通病。特别是为了降低成本，配方中的填料含量提高会导致冲击韧性进一步下降。笔者对市场上流通的很多环氧干挂胶产品做过测试，冲击强度都普遍很低。改善韧性的途径很多，可以加入增韧剂，或对固化剂分子结构做化学改性（例如结构中引入柔性醚链段），也有加入功能填料改善韧性的。但囿于成本因素的考虑，产品厂家极少在改进韧性上下功夫。除了韧性差，冬季增稠也是干挂胶产品的普遍现象。实验发现随着温度降低环氧树脂粘度会急剧升高（见图3），低温增稠是聚合物的一个重要物理属性。环氧干挂胶产品由于大量填料的加入使得树脂自身增稠效应（尤其是A组分）更明显。增稠带来的最大不利是影响施工。A/B组分混合均匀困难自然难以保证胶粘剂发挥正常功效。而现场施工条件有限，采用加温辅助手段降低粘度并不现实。我国幅员辽阔地大物博，地区之间气候差异较大。对于干挂胶生产企业来说，如何应对不同地域客户（或同一地域不同季节）的各类使用需求，开发能适应施工现场各类温度条件的全天候产品充满挑战。配方中加入稀释剂可以显著降低树脂粘度，但降低幅度有限，近来有研究发现腰果酚环氧树脂自身粘度很低，能在不大幅加稀释剂的情况下提高配方中的填料填充率[8]。图3是工业环氧树脂E51和腰果酚环氧树脂随温度的粘度变化曲线。相比传统环氧树脂E51，腰果酚环氧树脂（分子结构以部分腰果酚取代苯酚，环氧值约为0.40eq/100g）随温度的下降粘度的变化幅度没有那么大。25oC下约为E51的1/4。当温度低至0oC附近时，粘度还有30～40Pa·S。而环氧树脂在5oC时几乎冻结。可见采用低粘度环氧树脂也是降低配方稠度的有效途径。